Welche Konflikte bestehen zwischen FA und UFLS in Stromnetzen und wie lassen sie sich lösen

Speiserautomatisierung (FA) und Unterfrequenz-Lastabwurf (UFLS) sind zwei kritische Schutz- und Steuerungsmechanismen in Energieversorgungssystemen. Obwohl beide darauf abzielen, eine sichere und stabile Systembetriebsweise sicherzustellen, bergen sie potenzielle Konflikte in Logik und Zeitablauf, die eine sorgfältige Koordination erfordern.

Speiserautomatisierung (FA): Behandelt hauptsächlich lokale Speiserstörungen (z.B. Kurzschlüsse, Erdfehler) in Verteilnetzen. Ihr Ziel ist es, defekte Abschnitte schnell zu lokalisieren und abzutrennen und über Netzwerkneukonfiguration mit Schaltern die Stromversorgung in nicht defekten Bereichen wiederherzustellen. FA legt den Fokus auf schnelle lokale Wiederherstellung der Stromversorgung.

Unterfrequenz-Lastabwurf (UFLS): Reagiert auf schwere Frequenzabfälle im vernetzten Netz (z.B. durch Ausfall von Generatoren, plötzliche Lastzuwachs oder Trennung von Verbindungslinien, die zu einem Leistungsdefizit führen). Es schaltet systematisch vorbestimmte nicht-kritische Lasten ab, um einen Frequenzkollaps zu verhindern, das Leistungsgleichgewicht wiederherzustellen und die Systemfrequenz zu stabilisieren. UFLS priorisiert die Gesamtsicherheit der Systemfrequenz.

Unterspannungs-Lastabwurf (UVLS): Überwacht die Systemspannung in Echtzeit. Wenn die Spannung unter einen vordefinierten Schwellwert fällt, bestimmt das UVLS-Schema basierend auf vordefinierter Logik, ob Maßnahmen ergriffen werden sollen. Wenn die Bedingungen erfüllt sind, wird die Last sequenziell abgeschaltet, um die Blindleistungsnachfrage zu reduzieren oder die Blindleistung zu erhöhen, um die Spannung auf normale Werte zurückzuführen.

Konfliktbeispiele

• Fall 1: Im Jahr 2019 in Nordamerika löste eine FA-induzierte Wiederherstellung der Stromversorgung einen sekundären Frequenzkollaps aus.

• Fall 2: Im Jahr 2020 in Ostchina führte die FA-Betriebsweise nach einem Kurzschlussfehler zu einem fehlerhaften UFLS-Auslösen.

• Fall 3: Im Jahr 2021 löste die Abtrennung eines Windparks überlappende Aktionen zwischen UFLS und FA aus.

• Fall 4: Im Jahr 2022 während eines Taifuns in Südchina führte die Neukonfiguration des FA-Netzes zu einem übermäßigen Lastabwurf.

Ereignisbeschreibung

Im Jahr 2022 waren die 110kV-Leitung A und die an das Kraftwerk angeschlossene Leitung B auf Bussektor I einer 110kV-Umspannanlage in Betrieb. Ein Fehler an Leitung A verursachte den Auslöser von Schalter A. Da jedoch der Schalter der Anlagenleitung B geschlossen blieb, wurde weiterhin Strom zur Umspannanlage geliefert. Daher fiel die Spannung am Bussektor I nicht unter den Unterspannungsschwellwert, was den 110kV-automatischen Transferschalter (ATS) daran hinderte, einzusetzen. Ähnlich versorgte das Kraftwerk über den Transformator Nr. 1 die 10kV-Busse I und IV, deren Spannungen ebenfalls über dem Schwellwert blieben, sodass der 10kV-ATS nicht aktiviert wurde.

Während das Kraftwerk weiterhin die Last versorgte, sank die Systemfrequenz allmählich. 5,3 Sekunden nach dem Auslösen von Schalter A sank die Frequenz auf 48,2 Hz. Das Unterspannungs- und Unterfrequenz-Trenngerät des Kraftwerks, eingestellt auf 47 Hz und 0,5 s, trat nicht in Aktion. Der UFLS-Relais der Umspannanlage, eingestellt auf 48,25 Hz und 0,3 s, detektierte die Frequenz von 48,12 Hz und arbeitete korrekt, indem es mehrere 10kV-Speiser (Leitungen C, D, E, F, G) abschaltete. Alle sekundären Geräte funktionierten wie erwartet.

Ortliche Prüfung

Der 110kV-Umspannanlagen-Schalter A löste korrekt aufgrund des Schutzvorgangs aus, und UFLS trat in Aktion, wodurch die Leitungen C, D, E, F und G getrennt wurden. Die Umspannanlagen-Schalter gaben Auslösesignale, was die Aktivierung der FA auslöste. Der Fehler wurde zwischen dem Umspannanlagen-Schalter und dem ersten Leitungsschalter identifiziert. FA wurde auf allen fünf Leitungen initiiert, wobei der Fehler zwischen dem Umspannanlagen-Ausgang und dem ersten Schalter lokalisiert wurde. Jedoch wurde bei der ortlichen Prüfung kein Fehler festgestellt, was eine falsche FA-Aktion bestätigte.

Lösung

• Verbesserung der Synchronisation von Lastabwurfinformationen. Für Leitungen mit UFLS/UVLS-Schutz soll die Unterstützung der Blockierung automatischer Lastübertragungsfunktionen erfolgen.

• Implementierung einer robusten Blockierung der Lastübertragung: In vollautomatischen zentralisierten FA-Systemen, sobald ein Lastabwurfssignal empfangen wird, soll sofort die FA-Ausführungsfunktion für die betroffenen Leitungen blockiert werden.