Im Projekt MOBCOM wird ein neues Verfahren zur Zustandsüberwachung von elektrischen Betriebsmitteln in Niederspannungsnetzen und Anlagen entwickelt. Mittels PLC (power line communication) Technologie werden hochfrequente transiente Vorgänge auf dem Stromkanal und dessen Übertragungseigenschaften erfasst und bewertet. Durch Ableiten bestimmter Parameter soll zustandsbedingte Wartung vorhergesagt und so der Ausfall von Betriebsmittel vermieden werden.In the MOBCOM project, a new procedure for condition monitoring of electrical equipment in low-voltage networks is being developed. PLC (power line communication) technology is used to record and evaluate high-frequency transient processes and its transmission characteristics. By deriving certain condition parameters, maintenance services are to be predicted and therefore the failure of equipment is to be avoided

Bausch, Jörg

Lottermoser, Jens

Pfletschinger, Stephan

Shahbazi, Nafiseh

German

Hochschulschriftenserver der Hochschule Offenburg

90  I  forschung im fokus 2021  I  Hochschule OffenburgMonitoring von Energie- versorgungsnetzen und AnlagenEine wichtige Grundvoraussetzung von ef-fizienten Netzen ist die Betriebssicherheit der Netze sowie der angeschlossenen Verbraucher und Anlagen. Im Gegensatz zu Hoch- und Mit-telspannungsnetzen findet in der Regel in Nie-derspannungsnetzen keine Überwachung von Überlast und transienten Ausgleichsvorgängen statt [1]. Ein Grund hierfür ist die örtliche Aus-dehnung (Größe) der Netze, der dadurch an-fallenden großen Anzahl an Messgeräten und Daten. Bisher war eine Überwachung auch nicht notwendig, da man Betriebsmittel entsprechend großzügig auslegte. Seit einigen Jahren verän-dern sich das klassische Planungsleitbild und die Techniken der elektrischen Energieversorgung. Dabei spielen die Anforderungen an effizientere Netze eine genau so große Rolle wie die stetig ansteigende Einspeiseleistung aus erneuerba-ren Energien. Hierbei entstehen immer wieder kritische Betriebszustände und Überlastungen. Aus diesen Erfahrungen erwuchs die Forderung nach intelligenten Stromnetzen (Smartgrids).Andauernde Überlasten und transiente Aus-gleichvorgänge führen zu vorzeitigem Altern und auch zum Versagen von Betriebsmitteln. Wiederkehrende Entladungsimpulse und repe-tierende Stoßspannungen führen zu diesen Ef-fekten. Das Auftreten von Teilentladungen (TE) ist dabei ein wesentliches Kriterium für die Beurtei-lung der Isolationsqualität der Betriebsmittel [2]. TE-Messungen erlauben eine Diversifizierung von Schwachstellen in der Isolation, dabei ver-ursachen unterschiedliche Fehler unterschiedli-che Teilentladungsmuster [2]. Durch die Analyse dieser Muster können Rückschlüsse auf Art, Ort, Intensität und Ursache des Fehlers getroffen werden. Analyse von TeilentladungenDie Entwicklung hochleistungsfähiger elek-trischer Komponenten und Geräte sowie der vermehrte Einsatz von Halbleitertechnologien bringen die Isolationssysteme der Betriebsmittel aufgrund erhöhter elektrischer Beanspruchung an ihre Grenzen [3]. Teilentladungen treten auf-grund von lokalen Feldstärkeüberhöhungen auf. Sie sind örtlich beschränkte elektrische Entladun-gen, die nur einen Teil der Isolationsstrecke über-brücken und nicht unmittelbar zum Durchschlag (Spannungszusammenbruch) führen [IEC60270]. TE finden in allen Arten von Isolationssystemen statt. Diese beeinträchtigen die elektrische Festig-keit im Normalbetrieb jedoch meist nicht. Den-noch kommt es aufgrund von TE zur Erosion des Isolationsmaterials, was bei übermäßiger Ein-wirkung zu einem Lawineneffekt und letztendlich zum Durchschlag und damit zum Defekt des Bau-teils führt [2].TE lässt sich nicht direkt am Entstehungsort im Betriebsmittel selbst messen, sondern nur an den äußeren Anschlussklemmen. Dadurch ist die an den Anschlussklemmen gemessene „scheinbare Ladung“ nicht gleich der „wirklichen Ladungsmenge“, die lokal am Standort der Ent-ladung stattfindet. Die gemessenen Impulse er-fahren entsprechend der Umgebungsbedingung Power Line Communications:Sensorlose Netz- / AnlagenüberwachungProf. Dr.-Ing. Jörg Bausch, Prof. Dr.-Ing. Stephan Pfletschinger, Jens Lottermoser M.Sc., Nafiseh Shahbazi Ph.D.Im Projekt MOBCOM wird ein neues Verfahren zur Zustandsüberwachung von elektrischen Be-triebsmitteln in Niederspannungsnetzen und Anlagen entwickelt. Mittels PLC (power line commu-nication) Technologie werden hochfrequente transiente Vorgänge auf dem Stromkanal und dessen Übertragungseigenschaften erfasst und bewertet. Durch Ableiten bestimmter Parameter soll zu-standsbedingte Wartung vorhergesagt und so der Ausfall von Betriebsmittel vermieden werden.In the MOBCOM project, a new procedure for condition monitoring of electrical equipment in low-voltage networks is being developed. PLC (power line communication) technology is used to record and evaluate high-frequency transient processes and its transmission characteristics. By deriving certain condition parameters, maintenance services are to be predicted and therefore the failure of equipment is to be avoided. INES – INSTITUT FÜR ENERGIESYSTEMTECHNIKHochschule Offenburg  I  forschung im fokus 2021  I  91eine charakteristische Dämpfung. Deshalb ist für die Fehlerdiagnose die gemessene Intensität von TE nur bedingt aufschlussreich [2]. Aussagefähi-ge Kenngrößen für die Beurteilung von TE sind Phasenlage der Teilentladungen, Polaritätsef-fekte, Impuls-Häufigkeit und -Regelmäßigkeit, Veränderungen der Intensität mit der Spannung sowie das Verhältnis von Einsatz- zu Aussatz-spannung (Hysterese) [2].Eigenschaften von  Powerline-Kanälen Im Projekt ist die Kenntnis der Kanalübertra-gungseigenschaften für den Entwurf von Kom-munikationssystemen und der Analyse von TE eine notwendige Voraussetzung. Charakteristi-sche Kanalparameter sind die komplexe Netzzu-gangsimpedanz, die Übertragungsdämpfung, der Phasengang und das Störszenario [4]. Durch die Belastung des Netzes mit angeschlossenen Verbrauchern kann die Netzimpedanz am Mess- oder Einspeisepunkt zudem stark schwanken. Dies führt bei sehr kleinen Impedanzen dazu, dass die Signalenergie von Impulsen oder PLC-Signalen über die Last „kurzgeschlossen“ wird und somit eine starke Dämpfung erfährt. Die Netzzugangsimpedanz bedingt die Ein-speiseleistung. Die im Niederspannungsnetz verwendeten Kabel weisen verschiedene Wel-lenwiderstände auf. An deren Übergängen wer-den Störungen durch Reflexionen verursacht. Hochfrequente Signalanteile werden durch die kapazitive Kopplung in andere Phasen und Erd-/Neutralleiter übertragen. Diese Eigenschaften begünstigen Mehrwegausbreitungen mit stati-onärem und/oder frequenzselektivem Fading. Dies überlagert zusätzlich die Tiefpasscharakte-ristik der Verkabelung [4].Für die Untersuchung vorhandener Impuls-störer wurde im Labor mit einem Hochpassfilter und Oszilloskop die Netzspannung gemessen. Das Hochpassfilter dämpft die niederen Frequen-zen bis ca. 1,5 kHz. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die gefilterte Spannung zwischen L1 und N für zwei 50 Hz Netzperioden. Für einen Phasenbezug der Impulse wurde zusätzlich die 50 Hz Netzperiode dargestellt. Es fällt auf, dass sich die hochpassgefilterten Fre-quenzen periodisch mit der 50 Hz- Schwingung wiederholen. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird durch die Fourier-Analyse sichtbar, dass im hochfrequenten Signalgemisch verstärkt Sig-nalanteile von 50 Hz Oberschwingungen enthal-ten sind (vgl. THD-Analyse). Diese können negati-ve Auswirkungen auf das Niederspannungsnetz, als auch auf die angeschlossenen Verbraucher, haben. Hierbei erhöhen aperiodische Impulsstö-rer den Rauschpegel über das ganze Frequenz-spektrum und periodische Impulsstörer treten als Peak bei deren Wiederholfrequenz auf.Emulation und Messung von TE-Muster (Labor-Demonstrator)Zur Verifikation theoretischer Modelle und der Betriebsüberwachung mittels PLC-Syste-men, wurde eine Verteilnetznachbildung des Nie-derspannungsnetzes im Labor aufgebaut. Aus Sicherheits- und Kostengründen ist die Leistung, die im Demonstrator umgesetzt werden kann, im Vergleich zur Leistung im realen Niederspan-nungsnetz auf ein niedrigeres Niveau skaliert.INSTITUT FÜR ENERGIESYSTEMTECHNIK – INES Abb. 1: Hochpassgefilterte Netzspannung (orange) wurde phasenbezo-gen zur 50 Hz Netzspannung (blau) aufgetragenAbb. 2: Hochpassgefiltertes Frequenzspektrum der NetzspannungAbb. 3: Mit TE-Generator eingekoppelte TE in Primärseite Trafowicklung (rot), nach Kabelnachbildung gemessene gedämpfte TE-Impulse (gelb), skallierte Netzspannung (blau), Impulsansteuerung Mikrocontroller (violett)92  I  forschung im fokus 2021  I  Hochschule Offenburgorthogonalen Mehrträgermodulationsverfahren OFDM (orthogonal frequency division multip-lex). Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine hohe Flexibilität bzgl. der Sendefrequenzen und einer hohen Robustheit gegenüber Mehrwege-ausbreitung aus, welche in Energienetzen durch Reflexionen an Leitungsenden und fehlange-passte Lasten entsteht.Im PLC-Sender werden, wie in Abbildung 4 gezeigt, die Datenbits zunächst codiert, um eine zuverlässige Übertragung zu gewährleisten. Die codierten Bits werden zusammen mit Steuerin-formationen wie Pilotsymbolen und einer Pa-ketnummer in eine Rahmenstruktur eingebettet und anschließend mit einer inversen diskreten Fouriertransformation (iFFT) auf die Unterträger eines vordefinierten Frequenzbands moduliert. Der IEEE-Standard für breitbandiges PLC [5] gibt folgende zwei Frequenzbänder vor:•	 Frequenzband 0: 1,95 MHz bis 11,96 MHz, Unterträger 80, … 490.•	 Frequenzband 1: 2,44 MHz bis 5,62 MHz, Unterträger 100, … 230.Nach der Modulation wird ein Schutzinter-vall in Form eines zyklischen Präfixes eingefügt, welches das Signal unempfindlich gegen durch Mehrwegeausbreitung verursachte Eigeninterfe-renzen macht. Dieses Signal wird vollständig in Matlab erzeugt und über Gigabit-Ethernet an ein Software-Defined-Radio-Modul übertragen.Dieses Modul setzt das digitale Signal mit ei-ner Abtastfrequenz von 25 MHz in das analoge Sendesignal um, das mit einer Einkoppelschal-tung in das Stromnetz eingespeist werden kann. Der Empfänger verarbeitet das Empfangssignal im Wesentlichen in der umgekehrten Reihenfol-ge: Das analoge Signal wird von einem weiteren SDR-Modul abgetastet und über Ethernet an ei-nen weiteren Rechner übertragen, wo zunächst ein zusammenhängendes Signal mit einer Dau-er von mehreren Sekunden abgespeichert wird. Bei der Decodierung des Empfangssignals muss Im Labor wurde eine Konfiguration beste-hend aus einer Ring- und einer Stichleitung mit den typischen elektrischen Betriebsmitteln wie Umspannwerk (Transformator und Schaltan-lage), Stromkabel (hintereinander geschaltete Kabelnachbildung als PI-Schaltung) und Verbrau-cher aufgebaut. Die Ringleitung wurde durch eine dreiphasige PI-Schaltung mit konzentrierten Bauteilen nachgebildet. Als Vorlage für die Pa-rametergröße der Bauteile wurde ein typisches Niederspannungskabel mit einer Länge von 3 km gewählt. Als Verbraucher kommen Baugrup-pen mit fest einstellbaren Parametern und eine programmierbare Lasteinheit zum Einsatz. Um reales Fehlerverhalten zu analysieren, kann die eingesetzte Lasteinheit besondere Fehlerfälle wie Lastsprünge und Spannungseinbrüche in den Lastzyklus einsteuern. Somit lassen sich rea-le Lastverhalten von Haushalten oder Unterneh-men nachbilden. Es wurde ein programmierbarer Teilentla-dungsgenerator entwickelt, um verschiedene TE-Muster emulieren zu können. Mittels des TE-Generators lassen sich zu definierten Zeit-punkten Teilentladungsimpulse in die verschie-denen Betriebsmittel einkoppeln. Der TE-Ge-nerator basiert auf einer Abwandlung einer Hochsetzstellerschaltung. Die Abbildung 3 zeigt ein emuliertes und mit dem Oszilloskop aufge-zeichnetes typisches TE-Muster für Kontaktrau-schen. Eingekoppelt wurden die TE-Impulse auf der Primärseite des Verteilnetztransformators. Der gelbe Spannungsverlauf zeigt die Messung nach der 3 km Leitungsnachbildung. Es ist eine deutliche Phasenverschiebung und Dämpfung der Amplitude zu erkennen. Die messtechnische Erfassung von Strömen und Spannungen der jeweiligen Phasen erfolgt mit dem Smartmeter PAC4200 von Siemens.Powerline Communication (PLC)Breitbandige Datenübertragung über die Stromleitung arbeitet mit dem ebenfalls im Mo-bilfunk und digitalem Rundfunk angewandten INES – INSTITUT FÜR ENERGIESYSTEMTECHNIKAbb. 4: Blockschaltbild des PLC-SendersHochschule Offenburg  I  forschung im fokus 2021  I  93sich der Empfänger zunächst auf die Rahmen- struktur synchronisieren und dann den anfangs unbekannten Kanal mit den eingebetteten Pilot-symbolen schätzen. Durch dieses Verfahren kann die Kanalübertragungsfunktion im Empfänger mit hoher Genauigkeit und zeitlicher Auflösung bestimmt werden, was wiederum Rückschlüsse auf die Netztopologie und den Zustand des Net-zes zulässt (siehe Abbildung 5).Neben der Bestimmung der Übertragungs-funktion soll das Empfangssignal auch für die Analyse von Störungen durch Teilentladungen und anderen Ursachen analysiert werden. Das PLC-Empfangssignal bietet dafür hervorragende Voraussetzungen, da es durch die hohe Abtast-frequenz von 25 MHz eine hohe zeitliche Auflö-sung bietet und auch ohne ein PLC-Sendesignal ständig zur Verfügung steht.Zusammenfassung und AusblickBisher konnte gezeigt werden, wie mittels PLC-Technologie zusätzlich zur Kommunikation auch die Detektion von TE möglich ist. Künftig soll durch weitergehende Untersuchungen der Impuls- und Dämpfungscharakteristika Ort, Art und Intensität der Fehlstelle ermittelt werden. Hierfür werden verschiedene TE-Muster emuliert und mit Modellen und KI ausgewertet. Durch kontinuierliche Datenanalysen sind Prädiktionen zu Zustandsbewertungen von Betriebsmitteln möglich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jede Messung eine ortsabhängige Informa-tion des Netzes und der Betriebsmittel liefert und so zusammen mit historischen Aufzeichnungen Bewertungen zu deren Zustand ermöglichen.INSTITUT FÜR ENERGIESYSTEMTECHNIK – INES Referenzen/References:[1] K. Heuck, K.-D. Dettman, D. Schulz: „Elektrische Energieversorgung“, 9. Auflage, Springer-Verlag GmbH Deutschland, 2013[2] A. Küchler: „Hochspannungstechnik“, 4. Auflage, Springer-Verlag GmbH Deutschland, 2017 [3] R. Winter: „Measurement and diagnosis of partial discharges in low voltage applications ≤ 1000 volts“, ZVEI - German Electrical and Electronic Manufacturers’ Association Electrical Winding & Insulation Systems Division, 2017[4] Bausch, J, Characteristics of Indoor Power Line Channels in the Frequency Range 50-500 kHz, Proceedings of the 10th International Symposium on Power-Line and its Applications, Orlando, USA, 2006[5] IEEE 1901.1-2018: IEEE standard for medium frequency (less than 12 MHz) power line communications for smart grid applications. Mai 2018Abb. 5: Leistungsdichtespektren des empfangenen Signals, in Matlab für beide Frequenzbänder (links oben) und Signal an der Eingangs- buchse des SDR-Moduls, mit externem Spektrumanalysator gemessen (links unten)Prof. Dr.-Ing. Jörg Bausch Studiendekan RED,  Fakultät M+V, Mitglied INES, Forschung - Model Based Condition Monitoring, Lehre: Elektrotech-nik, elektrische Maschinen und Anlagenjoerg.bausch@hs-offenburg.deAUTORENProf. Dr.-Ing. Stephan PfletschingerStudiendekan CME, Forschung - Model Based Condition Monitoring, Lehrgebiete:  Kommuni-kationstechnik und Nachrichtensystemestephan.pfletschinger@hs-offenburg.deJens Lottermoser M.Sc.Akad. MA. Mitglied INESForschungsgruppe: MOBCOM - Model Based Condition Monitoringjens.lottermoser@hs-offenburg.deNafiseh Shahbazi Ph.D.Akad. MA., Forschungsgruppe: MOBCOM - Model Based Condition Monitoring nafi-seh.shahbazi@hs-offenburg.de

Power Line Communications: Sensorlose Netz- / Anlagenüberwachung

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