Die Herausforderungen der Zeitsynchronisation im Energiesektor

Die Bedeutung der Zeitsynchronisation für das Energiemanagement

Die zeitliche Synchronisation spielt eine zentrale Rolle bei der Verwaltung und dem Betrieb moderner Stromnetze. Dies liegt daran, dass für verschiedene kritische Vorgänge eine hohe zeitliche Genauigkeit erforderlich ist:

• Koordination: Netzbetreiber verwenden synchronisierte Uhren, um Abläufe im gesamten Netz zu koordinieren. So muss etwa die Auslösung von Schutzrelais bei einem Fehler millisekundengenau sein. Nur so kann der beschädigte Teil des Netzes isoliert werden, ohne andere Abschnitte zu beeinträchtigen.
• Analyse: Tritt ein unerwartetes Ereignis auf, wird seine Analyse genaue Zeitstempel erfordern. Sensoren zeichnen Daten über Fluktuationen und Unterbrechungen auf, wodurch Ingenieure anhand von Zeitinformationen die Ursache eines Ausfalls oder eines ungewöhnlichen Ereignisses ermitteln können.
• Verwaltung: Energieversorger arbeiten mit Managementsystemen, die eine präzise Zeitsynchronisation für mehrere Aufgaben benötigen: natürlich für die Abrechnung, aber auch für die Optimierung von Energieverteilung und Energieverbrauch. So können Verluste verringert und die Gesamteffizienz des Netzes optimiert werden.

Die wichtigsten Synchronisierungstechniken

Die Zeitverteilung stützt sich auf verschiedene Technologien und Protokolle, um eine genaue Synchronisation zu gewährleisten. Zu den am häufigsten eingesetzten gehören:

• GPS (Global Positioning System): GPS-synchronisierte Uhren finden in Stromnetzen breite Anwendung, um eine präzise und zuverlässige Referenzzeit bereitzustellen. GPS bietet eine Genauigkeit im Mikrosekundenbereich, was für die meisten Energieanwendungen ausreichend ist. Das GPS-System stützt sich auf eine Satellitenkonstellation und eine Reihe von Empfängern auf der Erde, wobei die Satelliten Signale aussenden, die Daten über ihre Position und die genaue Zeit enthalten. GPS ist weltweit verfügbar. Ähnliche Systeme wurden von mehreren staatlichen Akteuren entwickelt.
• PTP (Precision Time Protocol): Das durch die Norm IEEE 1588 definierte PTP-Protokoll ermöglicht es, Uhren in einem lokalen Netzwerk mit hoher Genauigkeit zu synchronisieren. Es ist vor allem in Umgebungen nützlich, in denen eine sehr genaue Synchronisation erforderlich ist (z. B. für Fehleranalysen). PTP ist für eine Vielzahl von Zeitservermodellen verfügbar. Dazu gehören die PTP-Profile IEC61850 9-3 und IEEE C37.238, die eine optimale Zuverlässigkeit und Kompatibilität für Stromerzeugungssysteme gewährleisten.
• NTP (Network Time Protocol): Zwar bietet NTP eine geringere Genauigkeit als PTP, doch wird es häufig verwendet, um die Uhren in einem Computernetzwerk zu synchronisieren. Es bietet eine ausreichende Präzision für viele industrielle und kommerzielle Anwendungen. NTP ist ein UDP-basiertes Protokoll, das in seiner neuesten Version (4) auf Request for Comments (RFC) 5905 basiert. Es gibt eine einfachere Version von NTP, bekannt als SNTP (für Simple NTP).
• IRIG: Die von der Inter-Range Instrumentation Group entwickelten IRIG-Zeitcodes sind sowohl in militärischen als auch in zivilen Anwendungen weit verbreitet. Insbesondere der Code IRIG-B wird im Zusammenhang mit der Stromverteilung verwendet.

Keine dieser Techniken ist besser als die andere: Jede hat ihre Vorteile, aber auch ihre Erfordernisse. Dazu gehören unter anderem:

• Probleme durch Interferenzen: Hierbei handelt es sich um eine besondere Herausforderung für GPS-Signale, die durch atmosphärische Bedingungen oder absichtliche Störungen beeinträchtigt werden können. Um dieses Problem zu entschärfen, sind in Zeitverteilungssystemen oft redundante Zeitquellen und Fehlerkorrekturalgorithmen integriert (beachten Sie unseren Artikel zu diesem Thema).
• Der Effekt einer zu großen Latenz: Die Latenz in Kommunikationsnetzen kann die Synchronisationsgenauigkeit beeinträchtigen. Ein Protokoll wie PTP gleicht diese Latenzen aus, indem es die Uhren laufend an die festgestellten Verzögerungen anpasst. Es müssen in diesem Fall Zeitserver und geeignete Hardware vorhanden sein.
• Physischer Verfall der Ausrüstung: Uhren und Synchronisationsgeräte müssen robust und zuverlässig sein, um in „unwirtlichen“ Industrieumgebungen funktionieren zu können. Da versehentliche Ausfälle und Beschädigungen unvermeidlich sind, muss bei der Gestaltung von Synchronisationssystemen ein Redundanzprinzip angewandt werden. Ein Protokoll wie NTP ist in diesem Zusammenhang besonders geeignet, denn hier dient eine robuste Referenzuhrwahl als Zeitquelle.

Anwendungsbeispiele aus dem Energiesektor

Es folgen nun einige Beispiele für reale Anwendungen – eines für jeden wichtigen Aspekt des Energiesektors (Koordination, Analyse und Management).

• Koordination: Synchrophaser. Hinter diesem merkwürdigen Namen verbergen sich zeitsynchronisierte Zeigermessgeräte, die in Verbindung mit dem GPS-System mehrere Dutzend Mal pro Sekunde den Leistungsfluss in einem Stromnetz abbilden können. Diese Messungen sind für die Errichtung von Smart Grids unerlässlich.
• Analyse: Ereignisrekonstruktion. Normalerweise funktioniert das Stromverteilungsnetz die meiste Zeit über ohne Ausfälle. Manchmal kommt es jedoch zu einer Störung, auf die eine Reihe von Ausfällen und Fehlfunktionen folgen kann. Dies ist zum Beispiel 2003 in Nordamerika passiert und hat fast 6 Milliarden Dollar gekostet. Um die Ereigniskette zurückverfolgen und Korrekturen für die Zukunft einführen zu können, braucht man ein gemeinsames Zeitreferenzsystem für alle Ereignisse.
• Verwaltung: Abrechnung. Die meisten Stromanbieter unterscheiden ihre Tarife nach Uhrzeiten (wie etwa Tages- und Nachttarife). Um in diesem Kontext eine ordnungsgemäße Abrechnung zu gewährleisten, sind genaue Uhren erforderlich.

Die Zeitverteilung im Energiesektor ist eine kritische Komponente für den effizienten und zuverlässigen Betrieb moderner Stromnetze. Heutzutage gibt es alle technischen Bausteine für ein effizientes Zeitmanagement. Die Herausforderung für Unternehmen besteht darin, die für ihre Bedürfnisse am besten geeigneten Technologien auszuwählen.