Netzqualität im deutschen Übertragungsnetz – großflächige Überwachung, Korrelationsanalyse, und langfristige Prognosen
| Netzwerk | Deutsches Übertragungsnetz – 85 Messstellen übergreifend 50 Umspannwerke |
| Spannungsniveaus | 110 kV (38 Websites) · 220 kV (21 Websites) · 380 kV (26 Websites) |
| Messstandard | IEC 61000-4-30 Klasse A – 10-Minuten-Aggregationsintervalle |
| Parameter überwacht | THDv · Einzelne Harmonische U3–U15 · Spannungsunsymmetrie · Flicker (Plt) |
| Datensatzskala | 700+ wöchentliche Zeitreihe · Minimum 3 Jahre pro Standort · Deutsche und estnische TSO-Kampagnen |
| Schlüsselmethodik 1 | Hierarchisches Clustering und mehrdimensionale Skalierung zur Aufdeckung von Korrelationsstrukturen 85 Websites |
| Schlüsselmethodik 2 | Ensemble-Vorhersage von PQ-Parametern – übertrifft einzelne Modelle bei der Langzeitvorhersage |
| Schlüsselfund | Konsistent, Zwischen PQ-Parametern und über geografisch getrennte Standorte hinweg bestehen wiederkehrende Korrelationsstrukturen, die systematische netzwerkweite Phänomene widerspiegeln, die durch die wechselrichterbasierte Erzeugung verursacht werden |
01 Kontext – Warum PQ auf Übertragungsebene wichtiger ist als früher
Die Überwachung der Stromqualität konzentrierte sich in der Vergangenheit auf das Verteilungsnetz – die Schnittstelle zwischen dem Energieversorger und seinen Kunden, dort, wo die Auswirkungen von Störungen am unmittelbarsten zu spüren sind. Das Übertragungsnetz galt als selbstverständlich sauber: Hochspannung, große Fehlerniveaus, dominieren Synchrongeneratoren mit inhärent geringem Oberwellenanteil. Die PQ-Konformität wurde auf Vertriebsebene bewertet; Die Übertragung war die Referenz, anhand derer die Verteilung gemessen wurde.
Diese Annahme wird durch die Energiewende untergraben. Die Verbreitung von Wechselrichter-basierten Ressourcen – angeschlossene Offshore-Windparks 380 kV über HGÜ-Verbindungen, große PV-Anlagen einspeisen 220 kV-Umspannwerke, FACTS-Geräte und HGÜ-Back-to-Back-Stationen auf Übertragungsebene – haben harmonische Quellen und dynamisches PQ-Verhalten auf Spannungsebenen eingeführt, wo sie zuvor nicht vorhanden waren. Zwei 2025 arXiv-Papiere aus deutschen ÜNB-Messkampagnen dokumentieren diese Entwicklung konkret, große Datenmengen: eine, die die Korrelationsstruktur von PQ-Störungen charakterisiert 85 Messstellen, die anderen entwickeln und validieren Prognosemethoden für die langfristige PQ-Vorhersage auf Übertragungsebene.
Die 85-Seite, 50-Kampagne zur Überwachung von Umspannwerken, beschrieben in arXiv:2603.12948 ist einer der größten veröffentlichten PQ-Datensätze auf Übertragungsebene weltweit. Es umfasst drei Spannungsebenen – 110 kV, 220 kV, und 380 kV – mit Messungen an beiden einzelnen Einspeisungen (Übertragungsleitungen) und Transformatorsammelschienen. Diese räumliche Abdeckung ermöglicht etwas, was eine Einzelpunkt- oder sogar regionale Überwachung nicht leisten kann: Identifizierung, welche PQ-Störungen lokal sind (auf eine Umspannstation oder Einspeisung beschränkt) und die netzwerkweit sind (über geografisch getrennte Standorte hinweg korreliert). Diese Unterscheidung ist von grundlegender Bedeutung für die Ursachenanalyse und effiziente Investitionsentscheidungen zur Schadensbegrenzung.
02 Der Datensatz – Maßstab und Struktur
Die beiden arXiv-Papiere verwenden sich überschneidende, aber unterschiedliche Datensätze aus deutschen ÜNB-Messkampagnen. Das Papier zur Korrelationsanalyse verwendet 85 Websites; Das Prognosepapier verwendet einen kombinierten deutsch-estnischen Datensatz von 14 Deutsch und 13 Estonian sites with at least 3 years of continuous measurement per site.
All measurements comply with IEC 61000-4-30 Klasse A – die höchste Genauigkeitsklasse für Netzqualitätsmessgeräte – mit 10-Minuten-Aggregationsintervallen als primäre Datenauflösung. Für die Prognosestudie, Diese 10-Minuten-Werte werden weiter zu wöchentlichen 95. Perzentilwerten aggregiert, Erstellen von Zeitreihen, die die statistische PQ-Umgebung an jedem Standort über Jahreszeiten und Jahre hinweg erfassen, ohne von einzelnen Extremereignissen dominiert zu werden.
Die überwachten Parameter decken den gesamten EN-Bereich ab 50160 Spannungsqualitätsindizes:
- Totale harmonische Verzerrung der Spannung (THDv) — aggregierter harmonischer Inhalt
- Einzelne harmonische Spannungen U3 bis U15 — ungerade Harmonische bei 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, 450 Hz, 550 Hz, 650 Hz, und 750 Hz
- Spannungsunsymmetrie (UNB) — Gegenspannungsfaktor
- Schwere des Langzeitflimmerns (Plt) — 2-Stunden-Flickerindex
03 Korrelationsstrukturen – Was die Daten verraten
Das Papier zur Korrelationsanalyse (arXiv:2603.12948) wendet hierarchisches Clustering und mehrdimensionale Skalierung auf den 85-Standort-Datensatz an – Techniken aus der multivariaten Statistik, die Standorte nach der Ähnlichkeit ihres PQ-Verhaltens gruppieren und aufdecken, welche Parameter an verschiedenen Standorten sich im Laufe der Zeit gemeinsam bewegen. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass sie konsistent ist, Sowohl innerhalb einzelner Standorte bestehen wiederkehrende Korrelationsstrukturen (zwischen verschiedenen PQ-Parametern) und über geografisch getrennte Standorte hinweg (für den gleichen Parameter).
Korrelationen innerhalb des Standorts – Parameter, die sich gemeinsam bewegen
An einzelnen Messstellen, bestimmte PQ-Parameter werden systematisch korreliert. Die Spannungen der 5. und 7. Harmonischen – die dominanten harmonischen Ordnungen von 6-Puls-Konverterlasten – zeigen eine starke positive Korrelation an Standorten in der Nähe von Industrieparks und HGÜ-Konverterstationen. Diese gemeinsame Bewegung spiegelt die gemeinsame Quelle wider: Beide Oberschwingungen werden von der gleichen Wandlertechnologie erzeugt und nehmen bei schwankender Wandlerlast gemeinsam zu oder ab. Diese standortinterne Parameterkorrelation ist für die Überwachung des Systemdesigns nützlich – wenn die 5. und 7. Harmonische an einem Standort stark korrelieren, Die Überwachung des einen liefert wesentliche Informationen über den anderen, und die Überwachungsfrequenz oder Gerätespezifikation können entsprechend angepasst werden.
Standortübergreifende Korrelationen – netzwerkweite Phänomene
Von größerer Bedeutung für die Netzwerkplanung ist die Feststellung konsistenter Korrelationen zwischen geografisch getrennten Standorten – Standorten, die keine gemeinsame Einspeisung oder Umspannstation haben. Diese standortübergreifenden Korrelationen spiegeln netzwerkweite PQ-Phänomene wider: harmonische Emissionen aus großen Quellen (Offshore-Windparks, HGÜ-Verbindungen) die sich über das Übertragungsnetz gleichzeitig an mehrere Unterstationen ausbreiten, oder saisonale Muster (höherer Oberwellengehalt im Winter, wenn die PV-Erzeugung gering und die industrielle Nachfrage hoch ist) die sich auf alle Websites desselben auswirken 380 kV-Rückgrat.
Eines der praktisch wertvollsten Ergebnisse der Korrelationsanalyse ist die Identifizierung redundanter Messstandorte – Standorte, die eine so hohe PQ-Korrelation mit benachbarten Standorten aufweisen, dass ihre Messungen kaum zusätzliche Informationen liefern. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Überwachung der Budgetzuweisung durch den ÜNB: ein Netzwerk mit 85 Messstandorte können möglicherweise mit 60–65 optimal platzierten Standorten den gleichen Informationsgehalt erreichen, Umleitung der freigewordenen Überwachungskapazität in untercharakterisierte Bereiche des Netzwerks. Dies ist die Art von Erkenntnissen, die nur dann sichtbar werden, wenn Sie den gesamten Datensatz kollektiv und nicht Site für Site analysieren.
04 Ensemble-Prognose – Vorhersage zukünftiger PQ-Werte
Das zweite arXiv-Papier (arXiv:2603.02706) befasst sich mit einer Frage, die mit zunehmender DER-Penetration immer wichtiger wird: Kann die langfristige Entwicklung der PQ-Werte im Übertragungsnetz zuverlässig vorhergesagt werden?? Wenn ja, ÜNB können Compliance-Probleme antizipieren, bevor sie auftreten, Planen Sie Klimaschutzinvestitionen proaktiv, und weisen Sie Überwachungsressourcen den Standorten zu, an denen eine PQ-Verschlechterung vorhergesagt wird, anstatt darauf zu warten, dass Grenzwertüberschreitungen Maßnahmen auslösen.
Der Ensemble-Ansatz
Der Artikel bewertet mehrere Prognosemodelle – statistische Zeitreihenmodelle, Ansätze des maschinellen Lernens, und saisonale Zerlegungsmethoden – angewendet auf wöchentliche 95.-Perzentil-PQ-Daten von deutschen und estnischen Übertragungsstandorten. Kein einzelnes Modell übertrifft alle anderen über alle Standorte und Parameter hinweg dauerhaft. Die wichtigste methodische Erkenntnis des Papiers ist, dass Ensemble-Prognosen – die Kombination der Vorhersagen mehrerer Modelle mit angemessener Gewichtung – das beste Einzelmodell in Bezug auf Genauigkeit und Robustheit an verschiedenen Standorten durchweg übertrifft, Parameter, und Prognosehorizonte.
Dies ist ein in der meteorologischen Vorhersage gut etabliertes Prinzip, das nun auch für Stromqualitätsdaten validiert wurde: Die Vielfalt der Modelle erfasst verschiedene Aspekte des zugrunde liegenden Prozesses, und die Kombination ist robuster als jeder einzelne Ansatz. Die Ensemble-Methode erzielte im Hinblick auf die Prognosegenauigkeit für alle überwachten PQ-Parameter erhebliche Verbesserungen gegenüber saisonalen naiven Benchmarks und gegenüber dem besten Einzelmodell.
| PQ-Parameter | Vorhersehbarkeit | Dominanter Fahrer | Planungswert |
|---|---|---|---|
| THDv (harmonische Spannungsverzerrung) | Mäßig – saisonales Muster stark | Saisonalität der Industrielast · DER-Erzeugungsmix | Identifizieren Sie Standorte, die vor der DER-Erweiterung an ihre Grenzen stoßen |
| U5, U7 (5te und 7. Harmonische) | Gut – abhängig von der Wandlerlast | HGÜ-Zeitpläne · Industrielle Produktionsmuster | Rechnen Sie mit dem Risiko harmonischer Resonanz an neuen DER-Verbindungspunkten |
| Spannungsunsymmetrie (UNB) | Gut – sich langsam verändernder Strukturfaktor | Einphasiges Lastwachstum · Netzwerkasymmetrie | Planen Sie Investitionen in die Netzwerktransformation oder den Phasenausgleich |
| Flimmern (Plt) | Niedriger – ereignisgesteuerter | Variabilität der Winderzeugung · Lichtbogenofenbetrieb | Identifizieren Sie Umspannwerke, die eine Blindleistungskompensation für die Windintegration benötigen |
Die Prognosemethodik ermöglicht einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie ÜNB die PQ-Konformität auf Übertragungsebene verwalten. Heute, Der Standardansatz ist: messen, Überschreitung erkennen, untersuchen, mildern. Die Vorlaufzeit von der Problemerkennung bis zur Umsetzung der Schadensbegrenzung beträgt bei Interventionen auf Übertragungsebene in der Regel ein bis drei Jahre. Wenn die Verschlechterung der PQ ein bis zwei Jahre im Voraus zuverlässig vorhergesagt werden kann – bevor die Grenzwertüberschreitung tatsächlich eintritt –, kann die Schadensbegrenzung erfolgen, bevor sich das Problem manifestiert. Für einen ÜNB, der Hunderte von Umspannwerken mit unterschiedlichen DER-Verbindungsprofilen verwaltet, Diese proaktive Fähigkeit macht den Unterschied zwischen geplanten Kapitalinvestitionen und Notfallsanierungen aus.
05 Implikationen für die Übertragungsnetzplanung
Die beiden Studien definieren zusammen den Stand der Technik für die PQ-Überwachung und -Verwaltung auf Übertragungsebene. Ihre kombinierten Ergebnisse haben direkte Auswirkungen darauf, wie ÜNB in einer Umgebung mit hohem DER an die PQ herangehen sollten:
- Die Überwachung des Netzwerkdesigns ist keine vorgefertigte Entscheidung. Während sich die DER-Penetration und die Netzwerktopologie weiterentwickeln, die optimalen Messorte ändern sich. Die Korrelationsanalyse sollte regelmäßig wiederholt werden – vielleicht alle 5 Jahre – um neue Redundanzen und neu wichtige Messlücken zu identifizieren
- Individuelle harmonische Ordnungen sind wichtig – nicht nur THDv. Der 5, 7th, und 11. Harmonische haben jeweils unterschiedliche Quellen, unterschiedliche Ausbreitungseigenschaften, und unterschiedliche Resonanzrisiken. Bei der alleinigen Überwachung von THDv fehlen die Informationen, die für die Quellenzuordnung und Resonanzbewertung erforderlich sind
- Saisonale Muster sind real und vorhersehbar. Die harmonische Verzerrung auf der Übertragungsebene weist eine saisonale Komponente auf, die durch das Gleichgewicht zwischen der Industrielast bestimmt wird (im Winter höher) und erneuerbare Energieerzeugung (im Sommer höher für PV, ganzjährig für Wind). Planungsbewertungen sollten saisonale Worst-Case-Szenarien berücksichtigen, nicht nur Jahresdurchschnitte
- Die grenzüberschreitende Verbreitung ist ein Planungsfaktor. Die Einbeziehung estnischer ÜNB-Daten neben deutschen Daten spiegelt die Realität wider, dass PQ-Störungen auf Übertragungsebene keine nationalen Grenzen respektieren. Oberwellen von großen HGÜ-Verbindungsleitungen und Offshore-Windparks breiten sich über das synchronisierte europäische Übertragungsnetz aus
HGÜ-Konverterstationen gehören zu den bedeutendsten Quellen neuer Oberwellen 380 kV-Ebene. Jeder HGÜ-Umrichter erzeugt ein charakteristisches harmonisches Spektrum – für einen 12-Puls-Umrichter, dominante Harmonische der 11. und 13. Ordnung – die sich an beiden Enden der Verbindung in das Wechselstromnetz ausbreiten. Während Deutschland seine HGÜ-Kapazität ausbaut, um Offshore-Windenergie vom Norden in den industriellen Süden zu transportieren, die harmonische Umgebung bei 380 kV-Umspannwerke entlang der HGÜ-Korridore werden sich systematisch verändern. Die im arXiv identifizierten Korrelationsstrukturen:2603.12948 Die Studie wird sich verändern, wenn diese neuen Quellen online gehen – und die Methodik der Korrelationsanalyse bietet das Werkzeug, um diese Veränderungen systematisch zu verfolgen, anstatt sie durch Grenzwertüberschreitungen zu entdecken.
06 Perspektive der Stromqualität
Diese beiden Artikel stellen den neuesten Stand dessen dar, was die PQ-Überwachung der Übertragung aufdecken kann, wenn der Datensatz groß genug und die Analysemethodik ausgereift genug ist. Das individuelle Fallbeispiel – eine Umspannstation, ein Störereignis – ist die traditionelle Einheit der PQ-Analyse. Bei 85 Websites und Hunderte von Standortjahren an Daten, eine andere Ebene der Einsicht wird möglich: Verständnis des PQ-Verhaltens des Übertragungssystems als System, nicht als Sammlung unabhängiger Messpunkte.
Die Ergebnisse der Korrelationsstruktur sind aus versorgungstechnischer Sicht besonders wertvoll, da sie eine Zielsetzung liefern, datengesteuerte Antwort auf eine Frage, die in der Vergangenheit durch technisches Urteilsvermögen beantwortet wurde: welche Messstellen am wichtigsten sind? Die Antwort aus den Daten kann von der technischen Intuition abweichen – ein Standort, der wichtig erscheint, weil er in der Nähe eines großen HGÜ-Konverters liegt, kann stark mit benachbarten Standorten korreliert und daher redundant sein, während es scheinbar unauffällig ist 110 Eine kV-Umspannstation in einem ländlichen Gebiet verfügt möglicherweise über eine eindeutige PQ-Signatur, die nirgendwo anders im Netzwerk erfasst wird.
Die in diesen Dokumenten beschriebene Messkampagne des deutschen ÜNB stellt ein Jahrzehnt institutionellen Engagements für die PQ-Überwachungsinfrastruktur dar – nicht nur für den Einsatz von Instrumenten, aber Gewährleistung von IEC 61000-4-30 Konformität der Klasse A, Aufrechterhaltung der Messkontinuität für 3+ Jahre pro Standort, Aufbau von Datenverwaltungssystemen, die Hunderte von Standortjahren an 10-Minuten-Daten verarbeiten können, und Investitionen in die analytische Fähigkeit, aus dem Datensatz Bedeutung zu extrahieren. Die meisten Versorgungsunternehmen – auch große – haben diese Investition nicht getätigt. Die Konsequenz ist, dass sie die DER-Integration in ihren Übertragungsnetzen mit einem PQ-Verständnis verwalten, das ihrer betrieblichen Realität um Jahre hinterherhinkt. Der Ansatz der deutschen Übertragungsnetzbetreiber – PQ-Überwachungsdaten als strategisches Gut zu behandeln und in die Infrastruktur und Analysefähigkeiten zu investieren, um ihren vollen Wert auszuschöpfen – ist das Modell, das die Energiewende erfordert.
Referenzen
- Anonyme Autoren. “Identifizierung und Visualisierung von Korrelationsstrukturen in groß angelegten Netzqualitätsdaten.” arXiv:2603.12948, März 2025. Verfügbar: arxiv.org/abs/2603.12948
- Anonyme Autoren. “Ensemble-Prognose von Netzqualitätsparametern.” arXiv:2603.02706, März 2025. Verfügbar: arxiv.org/abs/2603.02706
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Elektromagnetische Verträglichkeit – Teil 4-30: Netzqualitätsmessverfahren. IEC, Genf.
- IN 50160:2010+A3:2019. Spannungseigenschaften des von öffentlichen Stromnetzen gelieferten Stroms. CENELEC, Brüssel.
- IEC 61000-2-12:2003. Electromagnetic compatibility — Compatibility levels for LF disturbances in MV and HV power supply systems. IEC, Genf.
Primärquellen: arXiv:2603.12948 (“Identification and Visualization of Correlation Structures in Large-Scale Power Quality Data”) and arXiv:2603.02706 (“Ensemble Forecasting of Power Quality Parameters”), both from German TSO measurement campaigns, März 2025. Open access preprints.
SVG-Diagramme und PQ-Perspektive (Abschnitt 6) sind originale IPQDF-Redaktionsinhalte von Denis Ruest, M.Sc. (Angewandt), P.Eng. (im Ruhestand). IPQDF erhebt keinen Anspruch auf die Urheberschaft der ursprünglichen Forschung.