Technische Regeln für die Beurteilung von Netzrückwirkungen optimal nutzen

Die Transformation des Energiesystems verändert die Rolle der Verteilnetze grundlegend. Sie sind nicht länger eine weitgehend passive Infrastruktur, sondern sie werden zu aktiven, intelligenten Systemen, die Flexibilität nutzen und neue Betriebsstrategien ermöglichen. Forschung und Entwicklung konzentrieren sich daher aktuell auf Themen wie Flexibilitätsmanagement, dynamische Tarife, dezentrale Optimierung in sogenannten Micro Grids, Strategien für Netzwiederaufbau sowie Planungsansätze für Netze mit hohem Anteil erneuerbarer Energien. Die Webseite «Energy Research in Switzerland» gibt einen umfangreichen Überblick [1].

Vor diesem Hintergrund untersucht das vom Bundesamt für Energie unterstützte Projekt ­«Planet», wie die bestehenden Technischen Regeln für die Beurteilung von Netzrückwirkungen (TRBNr) DACHCZ [2] optimal genutzt werden können, um die Netzplanung zukunftssicher und effizient zu gestalten. Das Labor für Elektrizitätsnetze der Berner Fachhochschule führt dazu gemeinsam mit elf Verteilnetzbetreibern (VNB), dem Messgerätehersteller Camille Bauer Metrawatt und der Softwarefirma Secure Switzerland mit ihrem Produkt Adaptricity umfassende Analysen durch.

Das Projekt Planet

Die Zunahme an Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität, der Ersatz fossiler Heizungen mit Wärmepumpen und der massive Ausbau an PV-Anlagen können zu einem starken Ausbaubedarf der Schweizer Verteilnetze führen [3]. Zusätzliche Netzinfrastruktur wird nötig sein, um die Betriebsmittel nicht zu überlasten und um eine minimale Spannungsqualität zu gewährleisten.

Zur Koordination der Spannungsqualität im Verteilnetz und zur Beurteilung von Anschlussgesuchen verwenden Verteilnetzbetreiber in vielen Ländern die TRBNr DACHCZ. Ihre Anwendung soll eine hohe Sicherheit bieten, dass die Spannungsqualität (Power Quality, PQ) gemäss EN 50160 eingehalten wird [4]. Die BFE-Projekte OptiQ und QuVert haben bereits aufgezeigt, dass in Verteilnetzen oft erhebliche Qualitätsreserven bestehen [5, 6]. Reichen aber die aktuellen Planungsgrundsätze für einen kosteneffizienten Netzausbau aus? Und sind Ergänzungen für eine optimalere Ausnutzung der Netze möglich?

Um die Netzinfrastruktur optimal zu nutzen, ist es essenziell, die Gleichzeitigkeitsfaktoren und den Ausnutzungsgrad der Betriebsmittel zu kennen. Dies hat einen entscheidenden Einfluss auf den Netzbau. Die Berechnung der Emissionsgrenzwerte gemäss TRBNr hängt wiederum stark von der Netzplanung und -auslegung ab. Daher wird in diesem Projekt die aktuelle Praxis bei den VNB verglichen und die Spannungsqualität in ausgewählten Netzen analysiert, um spezifischere Erkenntnisse zu erzielen. Auf dieser Grundlage sollen ergänzende Empfehlungen zu den TRBNr DACHCZ abgegeben werden. Zusätzlich tragen Labormessungen zur Analyse bei, bei denen die Netzrückwirkungen moderner Geräte bei unterschiedlichen Spannungsverzerrungen untersucht werden. Schliesslich wird ein kostenloses Open-Source-Software-Tool fertiggestellt, das die Beurteilung von Anschlussgesuchen und Netzrückwirkungen nach der neusten Version 3 der TRBNr DACHCZ unterstützt und zusätzlich die Ergänzungen aus dem Projekt enthält.

Hauptziel des Projekts

Das Projekt soll aufzeigen, in welchen Gebieten und inwieweit die Anwendung heutiger Planungsregeln in den Verteilnetzen verbessert werden kann, um diese möglichst optimal auszunutzen. Dazu werden Hauptprobleme identifiziert und Lösungsansätze entwickelt. Durch die Überprüfung von Anschlussgesuchen mittels Feldmessungen wird ermittelt, inwieweit die Planung der Realität entspricht. Die Ergebnisse und Empfehlungen sollen im Sinne eines effizienten Netzausbaus in die gängige Praxis der VNB, des Verbands Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen (VSE) und in die Weiterentwicklung der TRBNr DACHCZ einfliessen.

Technische Anschlussgesuche

Zunächst wurde gemeinsam mit den VNB die Nutzung und Erfahrung im Umgang mit der neuen ­Version 3 der TRBNr DACHCZ analysiert. Insgesamt stellten zehn Netzbetreiber jeweils drei bis fünf beurteilte Anschlussgesuche für die Analyse zur Verfügung.

Es wurde untersucht, was unterschiedlich gehandhabt wird (z. B. beurteilte PQ-Phänomene und Gleichzeitigkeitsfaktoren) und welche Hilfsmittel die VNB verwenden. Es zeigte sich, dass es bei den beurteilten Anlagen, Anlagengrössen und Phänomenen zum Teil grosse Unterschiede gibt.

Am häufigsten wird das Phänomen der langsamen Spannungsänderung beurteilt. Dies ist besonders bei PV-Anlagen das wichtigste Kriterium, um zu bestimmen, ob Massnahmen für den Anschluss einer Anlage ergriffen werden müssen. Weitere Phänomene werden bei PV-Anlagen hingegen eher selten bewertet.

Auch bei anderen Anlagen ist die Spannungsänderung der wichtigste Parameter. Je nach Anlagenart werden zusätzliche Phänomene beurteilt. So wird der Langzeitflicker (Plt) beispielsweise bei ­Motoren, Wärmepumpen und Ladestationen im Allgemeinen genauer betrachtet. Am häufigsten wird die Bewertung von Oberschwingungen bei Motoren durchgeführt, gefolgt von Ladestationen und Wärmepumpen. Die Spannungsunsymmetrie (ku2) wird insgesamt am seltensten betrachtet, da Gross­anlagen meist dreiphasig sind und man davon ausgeht, dass einphasige Geräte gleichmässig auf die drei Phasen verteilt werden.
 

Feldmessungen

Nachdem die Nutzung und Erfahrungen bezüglich der Anwendung der TRBNr bei den Netzbetreibern analysiert wurden, werden im Projekt zurzeit die Anschlussgesuche mit den Messdaten aus den Verteilnetzen der Netzbetreiber verglichen. Hierfür ­fanden bisher bei sechs Netzbetreibern einwöchige Messungen an den Orten im Netz statt, für die die Netzbetreiber beurteilte Anschlussgesuche zur Analyse ausgewählt haben. Nun werden die Auswirkungen der gemäss Anschlussgesuchen beurteilten Kundenanlagen auf Strom und Spannung analysiert. Es erfolgt ein Vergleich von Planung und Messung, um Verbesserungspotenziale abzuleiten. Die Messungen erfolgen mit PQ-Messgeräten Linax PQ5000 von Camille Bauer Metrawatt (Bild 1). Diese berechnen den Einfluss der Anlage auf die Spannungsoberschwingungen basierend auf einer individuell gemessenen oder allgemeingültigen frequenzabhängigen Netzimpedanz (Bild 2) und den Stromoberschwingungen einer Anlage. Die frequenzabhängige Netzimpedanz wird vorher am Messpunkt bei getrennter Anlage (Bild 3) gemessen. Dafür setzt das Projektteam die Messgeräte ONIS 1000 von morEnergy, GIA von NEO Messtechnik und NIM1000 von Megger ein. Die Daten der Netzimpedanzmessung werden vor der PQ-Messung im PQ-Messgerät hinterlegt. Anschliessend wird eine einwöchige PQ-Messung durchgeführt. Nach der PQ-Messung werden die gemessenen Stromemissionen (Oberschwingungen) der Anlage mit den nach dem Anschlussgesuch berechneten Emissionen verglichen (Bild 4a). Auf dieser Basis wird die Abweichung zwischen Planung und Realität quantifiziert (Bild 4b). Die Kenntnis darüber, an welchen Messpunkten noch Reserven vorhanden sind oder wo Grenzwerte verletzt werden, hilft dabei, im nächsten Schritt Empfehlungen für die künftige Anwendung der TRBNr DACHCZ abzuleiten.
 

Weitere Schwerpunkte

Im Rahmen des Projekts wurden ergänzend zu den Feldmessungen bereits umfangreiche Labormessungen im Prosumer-Lab der Berner Fachhochschule durchgeführt. Dabei wird unter kontrollierten Bedingungen analysiert, wie verschiedene ­Geräte – etwa PV-Wechselrichter, Ladeinfrastruktur-Wechselrichter und Wärmepumpen-Umrichter – Stromemissionen bei unterschiedlichen Verzerrungen der Netzspannung erzeugen. Dabei wird beurteilt, ob diese Emissionen die Spannungsoberschwingungen verstärken oder abschwächen.

Ein weiterer wesentlicher Punkt des Projekts ist die Bestimmung der Gleichzeitigkeitsfaktoren verschiedener Anlagekategorien. Dazu werden umfangreiche Leistungsprofile von Smart Metern ausgewertet. Insbesondere wird die Veränderung der Gleichzeitigkeit vom Hausanschluss bis zur Trafostation untersucht. Das Ziel besteht darin, praxistaugliche Richtwerte für Gleichzeitigkeitsfaktoren und Ausnutzungsgrade zu entwickeln, um die Netzplanung zu unterstützen.

Ausblick

Die Labormessungen werden bis im Frühling 2026 abgeschlossen, weitere Feldmessungen erfolgen im Frühling und Sommer 2026. Anschliessend werden die Gleichzeitigkeitsfaktoren berechnet und verglichen sowie Vorschläge für Richtwerte erarbeitet. Die Erkenntnisse werden schliesslich genutzt, um ergänzende Empfehlungen zu den Technischen Regeln zu formulieren. Die Projektpartner, insbesondere die Verteilnetzbetreiber, sind aufgefordert, Anregungen zu geben, wie die TRBNr DACHCZ aus ihrer Sicht ergänzt werden könnten, sodass bei einer negativen Beurteilung von Anschlussgesuchen allfällige Massnahmen möglichst geringe Kosten verursachen.

Abschliessend wird ein praxistaugliches Software-Tool zur Beurteilung von Anschlussgesuchen bereitgestellt, in das die neuen Empfehlungen integriert sind. Das Tool basiert auf einer bestehenden Anwendung der BFH. Es wird mit dem Tool eines Projektpartners verglichen, validiert und gemeinsam mit den Netzbetreibern getestet. Am Projektende soll es kostenlos zur Verfügung stehen und eine Beurteilung gemäss der neuen Version 3 der TRBNr DACHCZ ermöglichen.