Entwurf und Implementierung einer Phasormesseinheit mittels einer neuen Messtechnik

Die Versorgung sichern in einem sich wandelnden Netz

Je mehr Windparks, Solaranlagen und andere erneuerbare Quellen an unsere Stromnetze angeschlossen werden, desto unvorhersehbarer und komplexer wird der Stromfluss. Um die Beleuchtung aufrechtzuerhalten und Stromausfälle zu vermeiden, benötigen Netzbetreiber Werkzeuge, die in Echtzeit mit erstaunlicher Präzision zeigen, was im Netz vor sich geht. Dieses Papier beschreibt den Entwurf und die Prüfung eines neuen Überwachungsgeräts, einer sogenannten Phasormesseinheit (PMU), die den Netzzustand schneller und genauer erfassen kann als viele vorhandene Geräte, selbst wenn das System unter Belastung steht.

Eine schnelle „Kamera“ für das Stromsystem

Eine PMU ist wie eine Hochgeschwindigkeitskamera für Elektrizität. Statt Bilder aufzunehmen, erfasst sie synchronisierte Momentaufnahmen wichtiger elektrischer Größen wie Spannung, Strom und Frequenz an vielen Punkten im Netz. Diese Momentaufnahmen, Synchrophasoren genannt, sind alle mit derselben präzisen Zeitreferenz von GPS-Satelliten versehen, sodass Leitstellen sie übereinanderlegen und ein kohärentes Bild des gesamten Netzes erhalten können. Heute helfen PMUs bei Aufgaben wie der Fehlererkennung, dem Lastabwurf bevor Geräte beschädigt werden, und der Überwachung, wie nah das System an Instabilität ist. Da unsere Netze „intelligenter“ werden und mit erneuerbaren Energien dichter besetzt sind, ist der Bedarf an genaueren und robusteren PMUs stark gestiegen.

Warum vorhandene Werkzeuge nicht ausreichen

Die meisten aktuellen PMUs schätzen Synchrophasoren mithilfe einer mathematischen Methode, die als diskrete Fourier-Transformation (DFT) bekannt ist. Obwohl dieser Ansatz effizient ist, stößt er an seine Grenzen, wenn das Signal verzerrt ist, wenn die Netzfrequenz vom Nennwert abweicht oder bei plötzlich auftretenden Ereignissen wie Fehlern oder abrupten Laständerungen. Diese Bedingungen treten mit der Zunahme erneuerbarer Erzeugung und Leistungselektronik immer häufiger auf. Das Ergebnis können Fehler in der gemessenen Amplitude, im Winkel oder in der Frequenz sein – gerade dann, wenn Netzbetreiber vertrauenswürdige Daten am dringendsten benötigen. Forschende haben im Laufe der Jahre viele verbesserte Algorithmen vorgeschlagen, doch viele Studien bleiben bei Simulationen stehen oder konzentrieren sich nur auf die Mathematik, ohne ein vollständiges, dreiphasiges Gerät zu bauen und zu validieren, das Spannung und Strom in Echtzeit verarbeitet.

Eine neue Methode zur Echtzeitmessung

Die Autorinnen und Autoren schließen diese Lücke, indem sie eine vollständige PMU um eine fortschrittlichere Messtechnik herum aufbauen, die Sliding Fourier Transform Phase-Locked Loop (SFT-PLL) heißt. Einfach ausgedrückt verschiebt ihr Ansatz kontinuierlich ein Messfenster entlang der eintreffenden dreiphasigen Signale und verwendet eine Regelungsschleife, um sich an die tatsächliche Netzfrequenz und -phase anzukoppeln, auch wenn diese sich ändern. Der Hardware-Prototyp enthält kommerzielle Spannungs- und Stromsensoren, die typische Netzpegel bewältigen können, einen hochauflösenden 16-Bit-Analog-Digital-Wandler und ein Texas Instruments Delfino-Processing-Board zur Ausführung des Echtzeitalgorithmus. Ein GPS-Modul liefert ein Pulse-per-Second-Signal, damit alle Messungen auf die globale Zeit ausgerichtet sind und Daten vieler PMUs zu einer einzigen synchronisierten Sicht auf das Netz zusammengeführt werden können.

Der Prototyp im Prüfstand

Um zu testen, ob diese neue PMU für den realen Einsatz geeignet ist, schloss das Team sie an eine dreiphasige Referenzquelle an, die eine große Vielfalt präziser Testsignale erzeugen kann. Sie prüften, wie gut das Gerät Spannungswerte von 100 bis 300 Volt und Ströme von 1 bis 5 Ampere bei der standardmäßigen Netzfrequenz von 50 Hertz misst. Anschließend setzten sie es harten Szenarien aus: unsymmetrische Spannungen, bei denen eine Phase erhöht und eine andere verringert wird, plötzliche Phasenverschiebungen und eingekoppelte Oberschwingungen, die Verzerrungen durch elektronische Geräte und Wechselrichter erneuerbarer Energien nachahmen. Für jeden Fall bewerteten sie gängige Leistungskennzahlen, darunter wie stark der gemessene Phasor vom wahren Wert abweicht (Total Vector Error), wie groß der Frequenzfehler ist und wie genau das Gerät die Frequenzänderungsrate angibt.

Was die Ergebnisse für das Netz bedeuten

Die Messungen zeigen, dass die auf SFT‑PLL basierende PMU selbst unter stark unsymmetrischen oder verzerrten Bedingungen deutlich innerhalb der strengen internationalen Grenzwerte gemäß IEC/IEEE-Standards bleibt. Fehler in den Spannungs- und Stromphasoren liegen unter 1 Prozent, die Frequenzfehler bleiben unter 0,005 Hertz, mit sehr geringen Abweichungen in der Rate der Frequenzänderung. Praktisch bedeutet dies, dass das Gerät saubere, zuverlässige Informationen schnell genug liefern kann, um Netzstörungen in ihrem Verlauf zu verfolgen, und den Betreiberinnen und Betreibern eine bessere Chance gibt zu reagieren, bevor Probleme sich aufschaukeln. Da das Design modular und vergleichsweise kostengünstig ist, könnte es breit in Smart Grids, Forschungszentren und Lehranstalten eingesetzt werden. Für Laien lautet die Quintessenz: intelligentere, präzisere „Augen“ im Netz wie diese PMU können Stromsysteme widerstandsfähiger machen und dazu beitragen, dass eine zunehmend erneuerbar versorgte Zukunft stabil und zuverlässig bleibt.

Zitation: Mohamed, S.A., Mageed, H.M.A., Arafa, O.M. et al. Design and implementation of a phasor measurement unit using a new measurement technique. Sci Rep 16, 14281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49889-y

Schlüsselwörter: Phasormesseinheit, Synchrophasor, intelligentes Netz, Überwachung von Energiesystemen, Integration erneuerbarer Energien