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PSI-Netzsimulator für das Stromnetz im Wandel

12.06.2018 - Energie

Sie haben Jahrzehnte lang ein Stromnetz geplant und gebaut, das die Kraftwerksleistung von Kohlekraft- und Kernkraftwerken zu vielen Verbrauchern transportiert. Sie haben gelernt, Ihr Netz zu führen und sicher zu machen. Und dann werden die Kernkraftwerke abgeschaltet.

Die Kohlekraftwerke sollen auch vom Netz genommen werden und überall bauen Verbraucher kleine, eigene Erzeugungsanlagen. Der Lastfluss ändert manchmal seine Richtung, die Spannung steigt mitunter gefährlich an und Sie wissen nicht, ob die rotierenden Stahlmassen in den verbleibenden Kraftwerken noch in der Lage sind, die Frequenz zu stabilisieren. Sie wissen auch nicht, ob Ihre Schutztechnik noch richtig ausgelegt ist. Es hilft nur eines: Sie begreifen diesen grundlegenden Wandel als Herausforderung!

Der Wandel ist die Herausforderung

Stellen Sie sich vor, der Schaltingenieur Helmut Müller kommt zur Frühschicht in die Leitwarte der Landwerke, um seinen Dienst in der Leitzentrale zu verrichten. Er ist, zusammen mit seinen Kollegen, verantwortlich für den Betrieb und die Sicherheit eines beachtlichen 110-kV-Netzes, für fast 50 Schaltanlagen in der Mittelspannung und für die sichere Versorgung von 820.000 Menschen. Die Hälfte der Kunden lebt in Städten, die im Versorgungsgebiet der Landwerke liegen, und die andere Hälfte lebt auf dem hauptsächlich bäuerlich geprägten Land.

Das Netz und das Geschäft der Landwerke haben sich aber in den letzten Jahren stark verändert. Herr Müller ist heute auch für das Netz der angrenzenden Unterlandwerke zuständig, dessen Betriebsführung als Dienstleistung übernommen wurde. Er kennt dieses Netz noch nicht besonders gut. Ein Kohlekraftwerk wurde stillgelegt, weil es im Stadtgebiet lag und es schon lange Widerstand gegen die Emissionen gab, aber auch Begehrlichkeiten für das große Gelände. Finanzhaushalt und Organisation sind wichtiger geworden als Elektrotechnik. Im Netzgebiet der Landwerke wurden in den letzten 10 Jahren 700 Megawatt dezentrale Erzeugungsanlagen gebaut. Genauso viel Erzeugungsleistung wie es vorher als gesamte Kraftwerksleistung bei den Landwerken gab. Damit liegen die Landwerke etwa im Bundesdurchschnitt. Auch viele Industriebetriebe haben sich Blockheizkraftwerke angeschafft und sich von planbaren Verbrauchern zu Prosumern gewandelt.

Die Landwerke haben ihr Netz aber als gute Ingenieure geplant und genügend Kupfer vergraben, sodass in den Städten noch kein Engpass abzusehen ist. Auf dem Land gibt es aber immer öfter Spannungsprobleme und die Landwerke haben schon einige Netzstationen mit regelbaren Transformatoren aufrüsten müssen.

Auch wenn am 1. Januar 2018 ab 6 Uhr für einige Minuten rein rechnerisch in Deutschland zum ersten Mal alle Verbraucher nur von Solarenergie und Windenergie versorgt wurden, wird die wirkliche Herausforderung erst noch kommen.

Gerüstet für die Elektromobilität

Wenn sich Menschen für ein Elektroauto entscheiden, möchten sie ihre Fahrzeuge auch möglichst schnell aufladen. Herr Müller hat ausgerechnet, dass sich seine Kunden 500.000 Elektrofahrzeuge anschaffen könnten, wenn alle komplett umrüsten. Wenn jeder mit 20 kW sein Fahrzeug auflädt, macht das 10 Gigawatt. Die Kundschaft der Landwerke macht zwar nur 1/100 der bundesdeutschen Bevölkerung aus, das wäre aber 1/7 des Spitzenwertes der bundesdeutschen Höchstlast. Solch eine Leistung können die Landwerke keinesfalls erzeugen oder herbeitransportieren und verteilen.

Wenn es wirklich einen Boom bei Elektrofahrzeugen geben sollte, dann muss es schnell intelligente Regelfunktionen in den Ladesäulen und im Netzleitsystem geben, die für einen fairen und kontrollierten Ladevorgang vieler Millionen Fahrzeuge sorgen. Die Beteiligung der Landwerke an einem Forschungsprojekt, bei dem der Netzausbau und der Ausbau der Ladeinfrastruktur untersucht wird, soll Know-how in das Unternehmen holen.

Steigende Ansprüche an die Leittechnik

Im Schichtplan von Herrn Müller sind zunehmend Schulungen eingeplant. Er und seine Kollegen müssen das neu hinzugekommene Netz kennenlernen, dessen Betriebsführung die Landwerke übernommen haben. Die Veränderungen im Netz machen es notwendig, zu verstehen, wie die Leistungsbänder im Verbundnetz gehandelt und ausbalanciert werden. Herr Müller muss wissen, was er gegen Spannungsbandverletzungen unternehmen kann.

Die Werkzeuge und Funktionen, die das kürzlich in Betrieb genommene PSI-Netzleitsystem bietet, müssen beherrscht werden. Die Landwerke haben viel Planungsarbeit geleistet, um sich die Möglichkeit zu erhalten, wenigstens in bestimmten Lastsituationen als Inselnetz bestehen zu können. Speziell dafür entwickelte Funktionen in dem neuen Leitsystem helfen dabei, für den Fall des Falles gerüstet zu sein. Neben den Kernfunktionen für das Visualisieren des Prozesses und das Alarmhandling stellt das Leitsystem ein System zum Einspeisemanagement (EISMAN) und umfangreiche Netzberechnungsfunktionen (HEO) zur Verfügung. Besonders interessant ist für Herrn Müller der integrierte Netzsimulator.

Das Netz im Simulator kennenlernen

Im neuen PSI Netzleitsystem ist ein Trainings- und Schulungssystem integriert. Der wesentliche Bestandteil des Trainersystems ist der Netzsimulator. Das ist ein Softwareprogramm, das die Betriebsmittel mit mathematischen Modellen nachbildet.

Alle Verbraucher und Erzeugungseinrichtungen und sogar das Wetter werden modelliert und die Ströme und Spannungen an allen Knoten des Netzes berechnet. Herr Müller hat schon oft für sich alleine das Trainersystem gestartet und ausprobiert, was passiert, wenn er kritische Leistungsschalter in dem neu übernommenen Netz schaltet.

Verbraucher und Kraftwerke steuern, extreme Stufenstellungen und extreme Wettersituationen in Form von Windeinspeisung und Solareinspeisung einstellen oder einen Kurzschluss setzen: alles Dinge, die in der Realität passieren können, die Herr Müller aber nur selten erlebt hat. Herr Müller wünscht sich einen Ladestromsimulator - ein Modell, mit dem er eine halbe Million Elektrofahrzeuge mit geringem Aufwand nachbilden und simulieren kann. So wie es jetzt eine Netzstation mit einem Verbraucher im Datenmodell des Leitsystems gibt, muss es noch eine Ladesäule geben. Ein Modell für das elektrische Verhalten der Ladesäulen und ein Modell für das Verhalten der menschlichen Nutzer. Damit könnte er gezielt Engpässe finden, die Regelalgorithmen überprüfen und den notwendigen Netzausbau optimieren.

Kreisblindströme vermeiden

Wenn zwei benachbarte Transformatoren auf der Ober- und Unterspannungsseite eng gekoppelt sind, dann kann es leicht zu Kreisflüssen der Blindleistung kommen. Diese Kreisflüsse verursachen Verluste und beschränken die Übertragungskapazität für die vom Kunden bezahlte Wirkleistung. Es gilt also, diese unerwünschten Blindflüsse zu erkennen und zu vermeiden. Im Trainersystem kann ein entsprechender Netzzustand leicht hergestellt werden. Herr Müller kann die Auswirkungen von unterschiedlichen Stufenstellungen der beiden Trafos beobachten. Er sieht die Messwerte und kann mit dem virtuellen Messgerät die berechneten Zustandsgrößen abfragen, auch wenn keine Messwerte existieren. Er kann die Last auf den Trafos verändern und die Auswirkungen auf die Spannungen und die Übertragungskapazität ohne Netzausbau im angeschlossenen Netz untersuchen.

Es ist sogar möglich, die durch die Kreisblindströme verursachten zusätzlichen Netzverluste zu berechnen oder eine Automatik zur Parallelstufung zu modellieren. Danach kann Herr Müller abschätzen, ob sich in der Realität eine solche Einrichtung lohnen würde.

Funktionsweise eines Parallelschaltgerätes

Mit dem Simulator des neuen Leitsystems kann Herr Müller die Funktionen eines Parallelschaltgerätes im Detail nachvollziehen. Sehr nützlich findet er die anschauliche Darstellung der Phasendifferenz zwischen den Netzen mit einem rotierenden Pfeil. Selbstverständlich werden auch die Spannungsdifferenz und die Frequenzdifferenz berechnet und angezeigt, aus der sich die Phasendifferenz ergibt.

Das Zusammenspiel zwischen den Berechnungen im Simulator und den Bedienungen im Schülersystem ist so perfekt, dass ein Schaltingenieur meinen könnte, er würde wirklich mit einem Parallelschaltgerät zwei Netze zusammenschalten.

Als Trainer kann Herr Müller in die reibungslose Zuschaltung auch Hindernisse einbauen. Er kann die Sollspannungen verstellen und durch Last- oder Solleistungsveränderung die Frequenzbedingung beeinflussen. Er kann in einer Art "Supervisor Modus" die Zuschaltung einfach verbieten und beobachten, wie ein Schüler reagiert.

Netzwiederaufbau nach Schutzauslösungen

Ein Highlight unter den Funktionen des Trainings- und Schulungssystems ist die Nachbildung des Netzschutzes. Die Implementierung von Schutzmodellen im neuen PSI-Leitsystem war nicht ohne Aufwand zu realisieren. Aber die Zusammenarbeit zwischen Schutzabteilung und Betriebsführung hat dadurch eine neue Qualität bekommen. Neue Betriebsingenieure können qualifizierter geschult werden, und die Schutzfunktionen können vor einem Umbau von Netzteilen überprüft werden. Außerdem ist ein Netzmodell ohne Schutznachbildung langweilig.

Herr Müller hat vor seinem Schichtdienst auch in der Schutzabteilung gearbeitet. Somit ist er perfekt als Trainer qualifiziert und kann neuen Kollegen Kenntnisse über den Netzschutz vermitteln. Er schreibt für die Trainingssitzungen ein kleines Drehbuch. Darin ist die ganze Fehlersituation beschrieben, in die der Trainingsteilnehmer hineingebracht werden soll. Dann kommt der Einsatz einer dritten Person, die nach dem Fehler Zusatzinformationen per Telefon liefert oder einfach nur stört. Herr Müller kann sich darauf konzentrieren, den Schüler zu beobachten und sich auf die nachfolgende Auswertung vorzubereiten. Der Simulator reagiert auch auf unvorhergesehene Reaktionen des Schülers und berechnet physikalisch sinnvolle Reaktionen des simulierten Prozesses.

Herr Müller hat einen Schaltversager vorbereitet. Wenn ein Schüler im betroffenen Umspannwerk schaltet oder die Trafolast zu sehr ansteigt, wird ein Kurzschluss im Transformator gesetzt und es kommt zu Auslösungen. Der Schüler muss dann aus den simulierten Prozessinformationen den Fehlerort herausfinden und möglichst schnell und sicher wiederversorgen.

Im Detail ist der ganze Ablauf natürlich vom aktuellen Schaltzustand und der Last- und Einspeisesituation abhängig. Aber diese Berechnungen werden alle vom Netzsimulator übernommen. Der Schüler wird bei seiner Arbeit von der Störungsanalyse unterstützt. Dieses Tool ist eine Kopie der entsprechenden Funktionalität im Betriebsführungssystem. Ganz nebenbei haben die Landwerke damit die Möglichkeit, die Störungsanalyse auch in Grenzsituationen und nach Updates zu überprüfen, weil sich die Betriebsführer zunehmend auf die Analyseergebnisse verlassen.

Die neuen Herausforderungen können kommen. Die Landwerke sind gut vorbereitet!

Dr. Werner Schrieder

PSI Software AG Bereich Elektrische Energie
wschrieder@psi.de

Der Autor ist Diplom-Physiker und arbeitet im Bereich "Netzberechnungen" am Standort der PSI in Aschaffenburg. Er ist seit vielen Jahren für die Entwicklung des Trainings- und Schulungssystems des Netzleitsystems PSIcontrol verantwortlich.

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