Langzeitverlauf der Netzfrequenz (2011 – 2016)

Nachdem das Jahr 2016 zu Ende ist, gibt es hier auch ein neues Rasterdiagramm zur Netzfrequenz, in dem der Langzeitverlauf dargestellt wird.

Für weitere Erklärungen dazu empfehle ich meinen Beitrag vom März.

Rasterdiagramm zum Langzeitverlauf der Netzfrequenz von Juni 2011 bis Dezember 2016

Rasterdiagramm zum Langzeitverlauf der Netzfrequenz von Juni 2011 bis Dezember 2016

Mittlerweile ist der Verlauf von fünfeinhalb Jahren auf das Bild gequetscht, was die Sache nicht unbedingt übersichtlicher macht. Ich werde mir mal Gedanken machen, wie man das Ganze schöner gestalten kann. 🙂

Langzeitverlauf der Netzfrequenz (06.2011-03.2016)

Der Sollwert der Netzfrequenz beträgt 50Hz. Je nach Einspeisung und Verbrauch weicht die Netzfrequenz allerdings etwas von diesem Wert ab. Da Strom nicht (bzw. nur in sehr geringem Umfang) gespeichert werden kann muss immer genau so viel Strom erzeugt werden wie auch verbraucht wird. Ein Ungleichgewicht macht sich in der Netzfrequenz bemerkbar. Diese Abweichungen sind nicht schlimm, sondern Regelungstechnisch sogar notwendig, solange sie einen bestimmten Toleranzbereich nicht überschreiten (siehe auch die Erklärungen hier). In den fast 5 Jahren, die ich schon die Netzfrequenz aufzeichne, lag die maximale, kurzfristige Abweichung bei ungefähr +/- 150mHz, also noch völlig im erlaubten Bereich (langfristig wären bis zu +/- 180mHz erlaubt).

 

Diese Abweichungen sind nicht zufällig verteilt, sondern folgen bestimmten Ereignissen:

Netzfrequenz von Juni 2011 bis März 2016

Rasterdiagramm zur Netzfrequenz von Juni 2011 bis März 2016

 

Abweichungen im Tagesverlauf

Die Abweichungen in der Frequenz gegenüber 50Hz sind umso stärker, je stärker die Laständerung ist. Starke Laständerungen entstehen durch nicht prognostiziertes Verhalten der Verbraucher, Netzfehler und Kraftwerksausfälle. Seit der verstärkten Nutzung von regenerativen Energien wie Solar- oder Windkraft spielt auch hier die Genauigkeit der Wettervorhersage eine große Rolle, da das Wetter den Ertrag dieser Energieformen stark beeinträchtigt. Die Erzeugung konventioneller Energien kann gut gesteuert und somit auch gut vorhergesagt werden, bei den Regenerativen ist dieses nicht immer der Fall.

Auffällig ist, dass sich die Abweichungen von der Sollfrequenz nicht durch ein gleichmäßiges Rauschen bemerkbar machen, sondern dass die Frequenzänderungen besonders zum Stundenwechsel auftreten. Der Grund dafür ist, dass die Bilanzkreisverantwortlichen zwar eine Prognose pro Viertelstunde abgeben, die Händler an der Strombörse aber größtenteils stundenweise die Kapazitäten einkaufen und diese dann auch erst zum Stundenwechsel zugeschaltet werden. Dadurch kommt es besonders in den Morgenstunden und im Winter auch in den Abendstunden zu einer Überversorgung nach der Aktivierung der Leistung und die Netzfrequenz steigt kurzzeitig bis zum Einsetzen der (negativen) Regelleistung.

In den späten Abendstunden und am frühen Morgen zeigt sich ein umgekehrtes Bild. Hier wird stundenweise die Erzeugung heruntergefahren. Das hat zur Folge, dass zum Beginn einer vollen Stunde die Netzfrequenz sinkt und im Verlauf der Stunde wieder ansteigt. Leichte Frequenzveränderungen nach oben sind noch in der Mittagszeit von 12:00 – 14:00 Uhr herum zu beobachten. Zu diesem Zeitpunkt hat die Lastkurve einen Wendepunkt und nach der morgendlichen Zuschaltung von Erzeugungskapazitäten müssen diese jetzt langsam wieder abgeschaltet werden.

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Langzeitverlauf der Netzfrequenz

Der Sollwert der Netzfrequenz beträgt 50Hz. Je nach Einspeisung und Verbrauch weicht die Netzfrequenz allerdings etwas von diesem Wert ab. Da Strom nicht (bzw. nur in sehr geringem Umfang) gespeichert werden kann muss immer genau so viel Strom erzeugt werden wie auch verbraucht wird. Ein Ungleichgewicht macht sich in der Netzfrequenz bemerkbar. Diese Abweichungen sind nicht schlimm, sondern Regelungstechnisch sogar notwendig, solange sie einen bestimmten Toleranzbereich nicht überschreiten (siehe auch die Erklärungen hier). In den fast 4 Jahren, die ich schon die Netzfrequenz aufzeichne, lag die maximale, kurzfristige Abweichung bei ungefähr +/- 150mHz, also noch völlig im erlaubten Bereich (langfristig wären bis zu +/- 180mHz erlaubt).

Diese Abweichungen sind nicht zufällig verteilt, sondern folgen bestimmten Ereignissen:

Rasterdiagramm zur Netzfrequenz von Juni 2011 bis Februar 2015

Rasterdiagramm zur Netzfrequenz von Juni 2011 bis Februar 2015

Sonnenstand und Netzfrequenz

Deutlich zu erkennen ist eine Wiederholung in den Abendstunden. Hier liegt die Netzfrequenz zum Zeitpunkt des Sonnenuntergangs eher unter 50Hz und ist zu den Stundenwechseln stark erhöht. Auch in den Morgenstunden – zum Sonnenaufgang – zeigt sich ein ähnliches Bild. Etwas undeutlicher zu erkennen ist das Muster zur Mittagszeit, aber hier zeigt sich bei genauerem Hinsehen ein Muster, welches der Höhe des Sonnenstands zu folgen scheint. Diese Abhängigkeiten von der Sonne liegen nicht (nur) an der Einspeisung durch Photovoltaik. Vielmehr ist (auch) das Verhalten der Energieverbraucher ein Grund dafür. In den Wintermonaten wird früher das Licht eingeschaltet, das Heiz- und Kühlverhalten (Klimaanlagen) verändert sich und man hält sich eher zu Hause auf als es in den Sommermonaten der Fall ist – wodurch sich natürlich auch der Energieverbrauch ändert.

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Höchste Abweichungen der Netzfrequenz (2)

Bereits vor ein paar Tagen habe ich die höchsten Abweichungen herausgesucht, die in den letzten 3,5 Jahren in der Netzfrequenz aufgetreten sind. Dort war bereits zu erkennen, dass die maximalen Abweichungen nach oben und nach unten im Laufe der Zeit etwas geringer geworden sind. Um das etwas genauer zu untersuchen, wurden jetzt die Abweichungen nicht monatsweise, sondern pro Kalenderwoche genommen:

Abweichungen der Netzfrequenz je Kalenderwoche

Wöchentliche maximale Abweichungen der Netzfrequenz (Quelle: Netzfrequenz.info)

 

Auch hier lässt sich erkennen, dass die Frequenzen im Laufe der letzten Jahren immer weniger Abweichungen nach oben und nach unten aufweisen. Ein Muster nach Jahreszeit oder ähnlichem lässt sich hier nicht feststellen.

 

Standardabweichung der Netzfrequenz

Anstatt nur die unteren und oberen Grenzen der Frequenz zu betrachtem, ist auch die Standardabweichung interessant. Sie gibt an, um welchen Wert die Frequenz durchschnittlich um ihren Sollwert von 50Hz schwankt (für eine genauere bzw. korrekte mathematische Erklärung empfehle ich den Wikipedia-Artikel zur Standardabweichung).

Standardabweichung Netzfrequenz je Kalenderwoche

Standardabweichung Netzfrequenz je Kalenderwoche (Quelle: Netzfrequenz.info)

 

Auch die Standardabweichung ist im Laufe der Zeit geringer geworden. Das heisst, dass die Netzfrequenz weniger um ihren Sollwert von 50Hz schwankt. Deutlich zu erkennen ist ausserdem, dass die Schwankungen in der Wintermonaten stärker sind als im Sommer.

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Höchste Abweichungen der Netzfrequenz

Obwohl ich fast dauernd auf eine Netzfrequenzanzeige gucke, bin ich doch immer wieder überrascht, wenn die Frequenz (besonders in den Abenstunden zu den Stundenwechseln) sogar knapp unter 49,9Hz fällt. Auch gestern Abend lief die Kurve wieder aus dem unterem Bildschirmrand raus:

Netzfrequenz am 07. Januar 2015 am Abend

Netzfrequenz am 07. Januar 2015 am Abend (Quelle: Netzfrequenz.info)

Starke Schwankungen zu den Stundenwechseln sind normal und durch den Stromhandel und den damit verbunden notwendigen Netzumschaltungen bedingt. Diese Schwankungen sind je nach Jahreszeit zu verschiedenen Zeiten zu beobachten. Jetzt im Winter besonders ab 20:00 Uhr. Mal sind sie stärker und mal schwächer. Was genau der Grund für die unterschiedlichen Ausprägungen ist, ist mir noch nicht ganz klar.

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Sturm und Strom – und ein Kraftwerksausfall

Das Orkantief „Christian“ hat am 28. Oktober einiges ordentlich durcheinander gewirbelt – und auch für einen ordentlichen Ertrag an Windenergie gesorgt.

Auffälliger Verlauf der Netzfrequenz

Auffällig war an diesem Tag der Verlauf der Netzfrequenz. Es gab Ausschläge, die ich in der Form nicht erwartet hätte. Das gab mir den Anlass, die Werte dieses Tages einmal genauer anzugucken.

Netzfrequenz 28.10.2013

Netzfrequenz 28.10.2013 (Minutenmittelwerte)

Besonders Auffällig ist der starke Frequenzabfall zwischen 17 und 18 Uhr. Derartige Schwankungen deuten normalerweise auf besondere Vorkommnisse hin. Aber auch die anderen Zeiträume haben meine Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Zum Vergleich der Frequenzverlauf von dem Montag der Vorwoche:

Netzfrequenz 21.10.2013

Netzfrequenz 21.10.2013 (Minutenmittelwerte)

Hier sind in den Morgenstunden stärkere Ausschläge zu erkennen. Diese Ausschläge kommen durch die Art und Weise des Stromhandels zustande, da hauptsächlich Stundenkontrakte gehandelt werden. In den Morgen- und Abendstunden kommt es dabei durch die Laständerung im Stromnetz zu größeren Schwankungen, was jeden Tag auf’s neue zu beobachten ist. Diese Schwankungen scheinen insbesondere in den Morgenstunden am 28. etwas geringer gewesen zu sein, wobei es sich hier um einen subjektiven Eindruck handeln könnte – diesen Teil möchte ich hier und heute aber nicht beleuchten.

Sturmtief über Deutschland

Aufgrund der besonderen Windverhältnisse an diesem Tag bietet sich ein Blick auf die Daten zur Einspeisung und zur (Gesamt-)Last:

Erzeugung und Last 28.10.2013

Erzeugung und Last 28.10.2013 (Datenquellen: EEX-Transparenzplattform und entsoe, eigene Darstellung)

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Durchschnittliche Netzfrequenz

Die Häufigkeitsverteilung der Netzfrequenz scheint spannender zu sein als ich ursprünglich gedacht habe. 😉
Besonders die durchschnittlichen Frequenzen eines Tages scheinen einiges auszusagen. Deswegen habe ich mir diese etwas genauer angesehen. Das folgende Bild zeigt die durchschnittlichen Frequenzen der einzelnen Tage, die zweite Linie soll die Sonntage verdeutlichen.

Freq_DayAvg_2013

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Abweichungen der Netzfrequenz (2)

Häufigkeitsverteilung_NetzfrequenzAuch für den 04. Juli ist bei der Häufigkeitsverteilung der Frequenzen wieder eine leichte Verschiebung in den negativen Bereich zu erkennen (siehe auch „Abweichungen der Netzfrequenz„). Das ist insofern etwas verwunderlich, weil die Netzzeit gestern nicht mehr der Weltzeit voraus eilte und die Sollfrequenz wieder 50Hz betragen haben dürfte. Allerdings deckt sich meine Beobachtung mit den Werten der Frequenzanzeige von Swissgrid. Laut meiner Messung lag die Netzfrequenz gestern im Durchschnitt bei knapp 49,994Hz. Dadurch erhöht sich die Differenz der Netzzeit zur Weltzeit um ca. 10 Sekunden. Diese Zeitdifferenz war auch bei Swissgrid zu beobachten. Seit heute Nacht um 00:00 Uhr bis heute Mittag (12:45 Uhr) hat sich die Zeitdifferenz nochmal um weitere 6 Sekunden verschoben, für morgen ist also wieder ein Mittelwert unter 50Hz zu erwarten. Im Moment läuft die Netzzeit der Weltzeit um fast 17 Sekunden hinterher. Wenn das so weiter geht und die 20 Sekunden-Marke erreicht wird, wird die Sollfrequenz auf 50,01Hz angehoben und auf meiner Verteilungskurve müsste eine Verschiebung nach rechts zu sehen sein.

Abweichungen der Netzfrequenz

Histogramm_Netzfrequenz

Häufigkeitsverteilung der Netzfrequenz am 03. Juli 2013

Um einen Überblick über die Stabilität der Netzfrequenz und ihrer Abweichungen von 50Hz zu bekommen, gibt es jetzt ein Histogramm in dem die Verteilung der Frequenz des Vortages dargestellt wird. Eine Aktualisierung der Daten erfolgt kurz nach Mitternacht, für die Aktualisierung der Anzeige ist ein Reload der Seite nötig.

Die Histogrammanzeige befindet sich noch im beta-Stadium. Ich muss erstmal ausprobieren, ob es ein guter Weg ist, die von den Frequenzmessgeräten auf den Server übertragenen Werte für automatisierte Auswertungen zu nehmen, da es hier teilweise zu Verschiebungen, zu Ausfällen und sonstigen Übertragungsfehlern kommen kann. Auch die Skripte zur Erstellung der Daten müssen ihre Tauglichkeit noch beweisen.

Um für jeden Tag eine gut zu vergleichende Darstellung zu haben, ist der Frequenzbereich auf der x-Achse fest auf 49,85Hz – 50,15Hz eingestellt. Aus der Datenbank werden Werte von 49,80Hz – 50,20Hz berücksichtigt. Stärkere Abweichungen kommen eh so gut wie gar nicht vor. Und sollte es doch zu Auffälligkeiten kommen, dann werde ich diese „händisch“ aufarbeiten.

Die Verteilung der Netzfrequenz für den 03. Juli wirkt auf den ersten Blick etwas merkwürdig, da sie leicht „linkslastig“ ist. Der Grund für diese Verschiebung wird die Netzzeit sein. Der Mittelwert für diesen Tag liegt bei 49,988Hz, was bedeutet, dass die Netzzeit im Laufe des Tages um ca. 20 Sekunden zurück liegt. Die Netzzeit wird laufend mit der Weltzeit verglichen. Weicht die Netzzeit um mehr als 20 Sekunden ab, dann wird die Sollfrequenz von 50Hz um +/-10mHz verändert (siehe auch Frequenz- und Netzzeitanzeige bei Swissgrid). In den letzten Tagen eilte die Netzzeit der Weltzeit um einige Sekunden voraus, heute geht sie etwas hinterher. Deswegen ist die Verschiebung des Histogramms plausibel und es ist davon auszugehen, dass (mindestens) am 03. Juli die Sollfrequenz auf 49,99Hz gesenkt wurde, um die Netzzeit wieder der Weltzeit anzugleichen.