Das Stromnetz setzt sich im Wesentlichen aus zwei Bereichen zusammen: Den Erzeugern, die Strom in das Netz einspeisen und den Verbrauchern, die elektrische Energie nutzen. Da sich Wechselstrom nicht ohne Weiteres speichern lässt, müssen beide Seiten ständig ausgeglichen sein, um Probleme wie Stromausfälle zu verhindern. Ein Indikator dafür ist die Netzfrequenz, die sich an jeder Steckdose messen lässt. Warum die Netzfrequenzmessung wichtig ist und welche Aussagen sie zulässt, erklärt der folgende Beitrag.
Die Themen im Überblick
Aktuelle Netzfrequenz zeigt den Zustand des Stromnetzes
Die Netzfrequenz beschreibt ganz allgemein, wie oft Wechselstrom pro Sekunde in jede Richtung fließt. Sie liegt in Deutschland und weiten Teilen der Welt bei 50 Hertz und ist im Normalfall relativ konstant. Dafür sorgt eine Netzfrequenzregelung, die Verbraucher und Erzeuger im Stromnetz ständig aufeinander abstimmt. Möglich ist das durch eine kontinuierliche Netzfrequenzmessung. Diese erfolgt in der Regel sekündlich, um unverzüglich auf Schwankungen der Frequenz im Stromnetz reagieren zu können.
Netzfrequenzmessung als Grundlage der Frequenzregelung
Zeigt die Netzfrequenzmessung einen Ausschlag nach unten, liegt das an einer zu hohen Last im Stromnetz. Verbraucher benötigen mehr Energie und ziehen diese direkt aus den Generatoren. Die Stromerzeuger laufen dadurch langsamer und die Frequenz sinkt.
Zeigt die Messung Ausschläge nach oben, ist die Leistung hingegen zu hoch. Verbraucher benötigen dabei weniger Energie. Generatoren laufen dadurch schneller und die Frequenz steigt an.
Wichtig zu wissen:
Nur mit einer dauerhaften Netzfrequenzmessung ist es möglich, den Zustand im Stromnetz zu kontrollieren und auszugleichen. Andernfalls käme es regelmäßig zu schwankenden Frequenzwerten, die zu Schäden bei elektrischen Verbrauchern führen können.
Netzfrequenzmessung ist an jeder Steckdose möglich
Da sich die Gegebenheiten in einem Netzverbund nicht wesentlich voneinander unterscheiden, ist die Netzfrequenzmessung an jeder Steckdose möglich. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um private, gewerbliche oder industrielle Verbraucher handelt. Zum Einsatz kommen in der Regel einfache Messgeräte wie Multimeter, die sich an das Stromnetz anschließen lassen.
Analoge und digitale Geräte zur Frequenzmessung verfügbar
Wer ein Gerät für die Netzfrequenzmessung kaufen möchte, hat heute eine große Auswahl – angefangen von analogen Messgeräten über smarte und digitale Multimeter. Während Erstere die Ablesung nur vor Ort ermöglichen, ist es mit smarten Messgeräten häufig möglich, Daten an das Internet zu übertragen. Die Ergebnisse der Messung lassen sich dabei von jedem Ort aus einsehen oder für weitere interne Prozesse nutzen. So ist es beispielsweise möglich, bei Schwankungen automatisch auf die unterbrechungsfreie Stromversorgung umzuschalten, um Stromausfälle und Störungen zu verhindern.
Funktionsweise der Geräte zur Netzfrequenzmessung erklärt
Messgeräte für die Netzfrequenz nutzen in der Regel einen Schmitt-Trigger, um das ankommende Signal in ein Rechtecksignal umzuwandeln. Anschließend werten sie die Anzahl der Schwingungen aus, um die Frequenz zu ermitteln. Die Messfehler liegen bei etwa 1 mHz, was einer maximalen Abweichung von 0,02 Prozent entspricht. Das heißt: Heute verfügbare Geräte zur Netzfrequenzmessung arbeiten sehr genau und liefern somit einen verlässlichen Einblick in den Verlauf der Netzfrequenz.
Netzfrequenz jederzeit online überwachen und auswerten
Wer direkt an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen ist, kann aktuelle Ergebnisse der Messung online nachverfolgen. Möglich ist das über Webseiten wie netzfrequenzmessung.de, die neben aktuellen Messdaten auch Erklärungen für Schwankungen der Frequenz im Stromnetz angeben.
Schwankungen selbst ausgleichen und Schäden verhindern
Netzbetreiber nutzen positive sowie negative Regelenergie, um Ausschläge bei der Netzfrequenzmessung zu verhindern. Möglich ist es dabei zum Beispiel, Verbraucher wie Elektroheizkessel zuzuschalten, wenn die Netzfrequenz ansteigt. Sinkt die Frequenz, lassen sich Kraftwerksleistungen steigern oder flexible Verbraucher wie Wärmepumpen kurzzeitig abschalten. Im Normalbetrieb sollte das Frequenzband im kontinentaleuropäischen Verbundsystem um die Sollfrequenz von 50 Hz herum innerhalb von ± 180 mHz (stationär) und ± 800 mHz (dynamisch) liegen. Ziel der Netzfrequenzregelung ist es, mittels Notfallmaßnahmen immer innerhalb eines Frequenzbands von 47,5 bis 51,5 Hertz zu bleiben. Darüber oder darunter sind regionale oder überregionale Stromausfälle möglich beziehungsweise kommt es bei 47,5 Hz zur Trennung der Kraftwerke vom Netz.
Stufenplan Notmaßnahmen in vier Stufen bei Frequenzeinbrüchen
| Netzfrequenz | Aktion | Summenlast | Aktivierungsart |
|---|---|---|---|
| 49,8 Hz | Aktivierung von Leistungsreserven unverzögert und Abwurf von Speicherpumpen (t < 10s) | Manuell / Automatisch | |
| 49,2 Hz | Abwurf von Speicherpumpen unverzögert | Automatisch | |
| 49 Hz | Lastabwurf Stufe 1, ca. 12,5% | ca. 12,5% | Automatisch |
| 48,8 Hz | Lastabwurf Stufe 2., ca 12,5% | ca. 25,0% | Automatisch |
| 48,6 Hz | Lastabwurf Stufe 3, ca. 12,5% | ca. 37,5% | Automatisch |
| 48,4 Hz | Lastabwurf Stufe 4, ca. 12,5% | mind. 50% | Automatisch |
| 47,5 Hz | Trennung der Kraftwerke vom Netz | Automatisch |
Quelle: Technische Anforderungen an die automatische Frequenzentlastung, S.12 Tabelle 2 Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN)
Netzfrequenzmessung in der Industrie besonders wichtig
Während Schwankungen in privaten Haushalten meist gut zu verkraften sind, können sie in gewerblichen und industriellen Anlagen für schwere Schäden sorgen. So zum Beispiel in Produktionsanlagen mit sensiblen Geräten, medizinischen Einrichtungen oder in Serverzentren.
Moderne USV-Anlagen gleichen die Schwankungen aus
Stabilität im eigenen Netz versprechen moderne USV-Anlagen. Während diese beim Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Netzfrequenz grundsätzlich auf die eigene Stromversorgung umschalten, sorgen nur VFI-Systeme oder Online-USVen tatsächlich für eine stabile und unterbrechungsfreie Stromversorgung. Möglich ist das durch die dauerhafte Umwandlung von Netzstrom in Gleich- und Wechselstrom. Die Verbraucher beziehen elektrische Energie dabei kontinuierlich über die unterbrechungsfreie Stromversorgung, erhalten dadurch aber auch eine sehr hohe Qualität ohne nennenswerte Schwankungen von Spannung oder Frequenz. Da die Geräte selbst einen Teil der Energie verbrauchen, kommen sie nur bei hochsensiblen Verbrauchern zum Einsatz. Diese versorgen sie dafür sehr zuverlässig und ohne Schaltzeiten und Ausfälle.
Übrigens:
Die Abkürzung VFI steht für Voltage and Frequency Independent und beschreibt eine USV höchster Güte. Daneben gibt es außerdem VF- und VFD-Anlagen, die konstruktionsbedingt mit kurzen Ausfällen (meist unter 1 Millisekunde) auskommen.
FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zum Thema
Was ist die Netzfrequenzmessung und was sagt sie über das Stromnetz aus?
Bei der Netzfrequenzmessung geht es um das Erfassen und im besten Falle auch Aufzeichnen der Frequenz im Stromnetz. Denn diese ist ein Indikator für die Qualität der Regelung. Sind Erzeuger und Verbraucher in einem Netz ausgeglichen, ist die Frequenz konstant. Kommt es zur Schieflage, zeigt die Messung schwankende Ergebnisse an, die zu Schäden, Störungen oder Stromausfällen führen können.
Wie funktioniert die Messung der Frequenz und wie genau sind die Ergebnisse?
Die Netzfrequenzmessung funktioniert in der Regel mit digitalen Messgeräten, welche die eintreffenden Signale in Rechtecksignale umwandeln. Anschließend messen sie die Perioden, um die Frequenz zu ermitteln. Mit einem Messfehler von nur 1 mHz liegt die Messgenauigkeit bei etwa 0,002 Prozent.
Wo kann ich die Netzfrequenzmessung durchführen?
Grundsätzlich lässt sich die Messung an jeder Steckdose im Netzverbund durchführen. Geräte gibt es dabei zum Anklemmen an die Versorgungsleitung (zerstörungsfrei), für die Steckdose oder zum Einbau in die Hutschiene. Wer Daten überwachen und für andere Prozesse verwenden möchte, sollte digitale Geräte verwenden.
Wie schütze ich meine Anlage sicher vor Schwankungen der Netzfrequenz?
Die Netzfrequenzmessung zeigt, ob Erzeuger und Verbraucher im Stromnetz ausgeglichen sind. Sie erkennt Schwankungen und ist ein Indikator für drohende Störungen oder Probleme in der eigenen Anlage. Mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung lassen sich diese sicher verhindern. Vor allen VFI-Systeme liefern Strom dabei unabhängig von Spannung und Frequenz aus dem Netz immer mit konstanten Parametern.
