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Netzfrequenz in Europa sinkt auf 49,75 Hz am 08.01.2021 - Folge Systemaufspaltung

49,75 Hz Unterfrequenz am 08. Januar 2021

UCTE-Netzfrequenz sinkt am 08.01.2021 um 14:05 Uhr (CET) unter 49,75 Hz

Am 08.01.21 sank die Netzfrequenz um 14:05:07 Uhr (CET) auf unter 49,75 Hz. Ein solcher Frequenzabfall im europäischen Verbundnetz ist absolut außergewöhnlich! Bis 14:04:54 Uhr bewegte sich die Netzfrequenz über rund drei Minuten bei etwa 50,02 bis 50,03 Hz. Innerhalb von 13 Sekunden fiel sie dann um fast 270 mHz ab, teilw. unter 49,75 Hz.

Die ENTSO-E, der Verband der Europäischen Übertragungsnetzbetreiber, hat eine Systemaufspaltung zwischen 14:05 Uhr und 15:08 gemeldet.

Kraftwerksausfall oder Handelsartefakt?

Ein solch rasanter Abfall lässt sich nicht durch den Ausfall eines Kraftwerks allein erklären. Unwahrscheinlich ist auch, dass Handelsartefakte zu dem rasanten Frequenzabfall geführt haben. Dazu liegt der Zeitpunkt des Frequenzeinbruchs zu weit vom Stundenbruch entfernt. Vielmehr müssen sich hier mehrere Effekte ausgewirkt haben, gleichzeitig konnten wohl übliche Mechanismen nicht adäquat gegensteuern.

49,75 Hz Unterfrequenz am 08. Januar 2021

Insbesondere sind wohl gerade zu wenige Kraftwerke am Netz um Momentanreserve in ausreichendem Maße bereitstellen zu können. Unter Momentanreserve versteht man die kontinuierlich am Netz befindlichen Schwungmassen wie bspw. die Turbosätze von Großkraftwerken. Diese fangen normalerweise ein schnelles Abfallen der Frequenz auf. Darauf deuten auch Äußerungen des französischen Übertragungsnetzbetreibers RTE hin. RTE forderte aktuell die französischen Verbraucher zur Reduktion ihres Energieverbrauchs auf. Ähnlich wie fast genau vor zwei Jahren führt die Wintersituation zu einer kontinuierlich hohen Belastung des Energiesystems. Am 10. Januar 2019 hat daher ein vergleichsweise unscheinbares Ereignis ebenfalls zu einem massiven Frequenzabfall unter 49,8 Hz geführt. Der reduzierte industrielle Energiebedarf aufgrund von Corona hat die Situation weiter angespannt. Denn im vergangenen Jahr wurden umfassend Kraftwerkskapazitäten europaweit vom Netz genommen. Diese, in mehrfacherweise herausfordernde, Situation hat das kontinentaleuropäische Verbundsystem an den Rand des Blackouts gebracht.

Lokalisation des Ursprungs der Störung

Betrachtet man den Verlauf des Abfalls über die europäischen Messstationen hinweg, liegt der Ausgangspunkt des Frequenzabfalls in Südosteuropa (s. nächste Abbildung). Zunächst hat unsere Messstation in Sibiu einen Frequenzeinbruch registriert. Anschließend gab es einen kurzfristige Wegfall dortiger Messdaten aufgrund von Unterspannung bei der Versorgung des Messgeräts. Der Frequenzeinbruch wurde dann in Ljubljana, Wien, Prag und Dresden und zuletzt in Belfort in Westfrankreich mit abnehmender Stärke registriert. Dies zeigt die Steigung der Kurven direkt nach dem ersten Frequenzabriss. Da alle Messstationen die gleiche Frequenzbewegung auch in der Phase nach dem Auseinanderfallen des Netzes aufgezeichnet haben, muss die Netzauftrennung weiter südöstlich passiert sein.

Nahansicht des 49,75 Hz Unterfrequenz Ereignis am 08. Januar 2021

Analyse des Phasenwinkels über die Störung hinweg

Bestätigt wird dies auch durch eine Analyse der Phasenwinkeldifferenzen. Die Analyse der Phasenwinkeldifferenz ermöglicht Rückschlüsse auf Leistungsverschiebungen zwischen Punkten im Netz. Mittelfristig gibt dies Hinweise auf Ein- und Ausspeiseregionen bzw. Flüsse im Netz. Kurzfristig erlaubt die Analyse der Phasenwinkeldifferenz bei der Identifizierung von plötzlichen Leistungsfluktuationen.

Folgende Abbildung zeigt den Verlauf der Phasenwinkeldifferenz mit Belfort als Referenz für den Zeitraum der Systemaufspaltung: Klar zu erkennen ist die Aufteilung des Netzes gegen 14:04 Uhr. Deutlich sichtbar sind auch die regionalen Folgen. Je weiter eine Messstation im Südosten Europas gelegen ist, umso stärker ist die (negative) Abweichung im Vergleich zum Ausgangszeitpunkt, gleichermaßen ist auch der Rücklauf zu erkennen. Die Wieder-Zusammenschaltung um 15:08 Uhr hat sich i.W. nur bei der Messstation in Prag kurzfristig ausgewirkt. Dass es auch anschließend noch Irritationen bei den Kraftwerken in der Großregion gab, zeigen die Phasensprünge. Alle anderen Messstationen, inklusive der in Sibiu, zeigen die kontinuierliche Synchronisation. Diese Abbildung zeigt idealtypisch, wie sich ein Auseinanderbrechen und anschließendes Zusammenschalten bzgl. der Leistung im Netz auswirkt: Zunächst kommt es zu einer massiven Leistungsveränderung zwischen Erzeugungsregionen und Verbrauchsregionen. Verbrauchsregionen fehlt schlagartig die notwendige Leistung. Erzeugungsregionen steht hingegen zu viel Leistung bereit. Anschließend greifen die Schutzmechanismen von Kraftwerken und Großverbrauchern. Die Anlagen werden schlagartig vom Netz getrennt (s. Frequenzabfall in der obigen Graphik). Die Übertragungsnetzbetreiber koordinieren dann die Zusammenführung, indem überregional Leistungen angeglichen und stabilisiert werden. Der französische und der italienische Übertragungsnetzbetreiber RTE und Terna haben 1300 MW bzw. 1000 MW an Verbrauchern vom Netz genommen.

Die Zusammenschaltung wirkt sich hingegen massiv dort aus, wo besonders viel Leistung zur Verfügung gestellt wurde. Denn diese müsste optimalerweise zeitgleich mit der Zusammenschaltung getrennt werden. Dies ist allerdings aufgrund des Nachlaufs der Schwungmassen nicht perfekt möglich.

Darstellung der Phasenwinkeldifferenz während der Großstörung mit Systemaufspaltung aufgrund von Unterfrequenz am 08.01.2021 im europäischen UCTE Netzgebiet

Schauen wir uns den Beginn des Auseinanderbrechens genauer an, lassen sich weitere Rückschlüsse auf den Ursprung des Ereignisses identifizieren: Ab 14:04:18 Uhr schaukelte sich zunächst die Messstation in Sibiu auf. Um 14:04:49 Uhr kam es dann zu einem fast gleichzeitigen Leistungseinbruch in Ljubljana, Wien, Prag und Dresden. Die Region im nordwestlichen Rumänien hat vermutlich das resultierende Leistungsungleichgewicht zunächst aufgenommen, konnte es allerdings wohl nicht absorbieren. Daher kam es zu dem Sprung gegen 14:05:16 Uhr. Die Unterbrechung der Messdaten ist durch Unterspannung in der Region um Sibiu in Nordwest-Rumänien zu erklären.

Darstellung des Phasenwinkels in Sibiu, Dresden, Ljubljana, Prag und Wien zum Zeitpunkt des Unterfrequenzereignisses am 08.01.2021

Wie auf der nachfolgenden Grafik zu erkennen ist, wurde in Deutschland im Nachgang zu dem Unterfrequenzereignis von 14:00 bis 16:00 über 750 MW negative Sekundärreglelleistung eingesetzt, wie auch ca. 250 MW positive Minutenregelleistung (MRL) angefordert um die Frequenz wieder in den Reglertotbereich von 50 Hz +/- 10 mHz zurückzuführen.

Einsatz von Minutenregelleistung um Netzfrequenz in Sollbereich zurückzuführen

Leider fehlen auch mehr als zwei Tage nach dem Ereignis noch verlässliche Informationen zu Netzausfällen oder Kraftwerksausfällen auf der ENTSO-E-Transparenz-Plattform. Sobald weitere Daten verfügbar sind, werden wir dieses Ereignis selbstverständlich intensiver analysieren. Gridradar möchte dazu beitragen, mehr Transparenz zur Netzsituation zu schaffen. Gerne können Sie uns hierbei unterstützen, indem Sie Ihre PMU mit unserem System verbinden. Sie erhalten im Gegenzug Zugriff auf Informationen aus dem Gridradar-System. Sprechen Sie uns auch gerne an, wenn Sie Interesse daran haben, selbst eine Messstation aufzustellen.

Stand 10.01.2021 2130 Uhr

Continental-European Grid Frequency drops below 49.75 Hz – System Split

49,75 Hz under frequency on 8 January 2021 Continental-European Grid Frequency drops below 49.75 Hz – System Split

On Friday, 08 January 2021, at 14:05:07 (CET) the Continental European grid frequency dropped below 49.75 Hz. Such a tremendous frequency drop is highly unusual. Before 14:04:54, the frequency was pegged around 50.02 and 50.03 Hz for about three minutes. Within 13 seconds a drop by almost 270 mHz was observed.

ENTSO-E, the European Network of Transmission System Operators reported a system split between 14:05 and 15:08.

A frequency drop of this size cannot be explained by a single power plant outage. Also trading effects are unlikely to have driven the frequency down with such a steep slope. Most notably a considerable amount of time had passed after the turn of the hour, it being the point in time where large jumps in frequency are observed. Instead, we expect that multiple effects coincided. At the same moment, usual security mechanisms could not counteract adequately.

Frequency plot showing 49,75 Hz underfrequency in UCTE grid on 08. January 2021

In particular, it seems that currently too few power plants were connected to the grid to provide an adequate amount of momentary reserve. Momentary reserve are continuously connected flywheels such as turbo sets of large power plants. These are usually the measure of first reserve to prevent strong fluctuations in frequency as we have seen by this event. Statements by French TSO RTE underline this suspicion. RTE recently asked French consumers to reduce their energy consumption. Similar to what was observerd almost two years ago, winter places a continuously high strain on the electricity grid. Reduced industrial energy consumtption due to Covid-19 even worsened the situation. In 2020, considerable power plant capacities have been withdrawn from the grid. This challenging situation put the Continental European energy system on the brink of a blackout. Closer inspection of the frequency drop along the European measurement units shows the origin of the event to be in southeastern Europe (s. next graph). The first PMU to detect the event was our measurement unit in Sibiu. Expectedly, the subsequent break in data transmissions from Sibiu might be explained by a undervoltage event in the local grid. The frequency drop was subsequently registered in Ljubljana, Vienna, Prague and Dresden and finally in Belfort in western France with the impact decreasing along the path. The slope of the frequency plot right after the first drop gives a good indication that the origin was in southeastern Europe and spread from there.

49,75 Hz underfrequency event in UCTE grid on 08 January 2021

An analysis of the phase angle difference affirms our above observation. Phase angle differences enables conclusions to be drawn about power shifts between sites on the grid. In the long term, this allows one to identify feed-in and feed-out regions or power flows within the grid. In the short term, the analysis of the phase angle difference helps identify sudden power flow changes. The following plot of the phase angle difference, with Belfort as a reference point, displays the events during the system split: The separation of the grid around 14:04 can be clearly identified. The regional consequences are also clearly visible. The further the PMU is located in south-eastern Europe, the stronger the (negative) deviation compared to the starting time. The rebound can also be seen accordingly. The reconnection at 15:08 generally only showed a short-term effect at the measuring station in Prague. The phase jumps show that there were still problems with the power plants in the greater region afterwards. All other PMUs, including the one in Sibiu, show a continuous synchronisation effort. This figure shows the ideal-typical effect of a break-up and subsequent interconnection with regard to the power in the grid: First, there is a massive change in power between generation regions and consumption regions. Consumption regions all of a sudden lack power, generating regions, on the other hand, have too much power available. Then the protective mechanisms of power plants and large loads take effect. The plants are abruptly disconnected from the grid (see frequency drop in the above diagram). The transmission grid operators then co-ordinate the consolidation by balancing and stabilising power on a supra-regional basis. The French and Italian transmission system operators RTE and Terna had disconnected loads of 1300 MW and 1000 MW respectively.

The reconnection, on the other hand, had a massive impact especially where particularly large amounts of power had been made available. Optimally, this excess power should be disconnected the very moment the reconnection takes place. However, this is not perfectly possible due to the momentum of the flywheel masses.

unfolding the phase angle of the 49,75 Hz under frequency event 08 January 2021

If we take a closer look at the beginning of the break-up, further conclusions about the origin of the event can be drawn: From 14:04:18 onwards, the station in Sibiu was the first to notice a phase angle shift. At 14:04:49, there was an almost simultaneous drop in power in Prague, Ljubljana, Vienna, Prague and Dresden. The region in northwestern Romania presumably initially absorbed the resulting power imbalance, but was probably unable to cope. This is why a vector jump occurred at around 14:05:16. Some data was lost due to a voltage drop in northwestern Romania, including Sibiu causing our PMU to reboot.

Plot of the phase angle of PMUs in Sibiu, Dresden, Ljubljana, Prag and Vienna at the time of the grid underfrequency event on 08 January 2021

Unfortunately, even two days later we're still not seeing reliable information about transmission failures or station outages around this event on the ENTSO-E transparency platform. As soon as more data is available, we will certainly analyze the event in greater depth.

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10.01.2021 2130 hours