Digitalisierung : PSI-Netzsimulator für das Stromnetz im Wandel

Über viele Jahre hinweg hat Ihr Unternehmen die Stromnetze planmäßig und am Bedarf orientiert ausgebaut. Die Stromerzeugung erfolgte im Wesentlichen durch nukleare Kraftwerke, Kohle-, Gas- und Wasserkraftwerke und natürlich Zukauf von Leistung. Kleinere Erzeuger spielten keine Rolle im täglichen Betrieb.

Im Laufe der Jahre haben politische Entscheidungen haben den Netzbetrieb beeinflusst und die Aufgabenteilung zwischen Unternehmen geregelt.

Ende der 1990er wurde mit der Liberalisierung der Energiemärkte das Netz von Handel und Erzeugung getrennt. Als neutraler, monopolistischer Infrastrukturbetreiber blieb nur der Netzbetrieb. Die Sicherung der Versorgung bei gleichzeitiger Einhaltung der Versorgungsqualität verblieb beim Netzbetreiber.

Weitere politische Eingriffe führten zur Abschaltung der großen nuklearen Stromerzeuger und der Ausstieg aus der Stromerzeugung aus Kohle ist in vollem Gange. Die Förderung erneuerbarer Energien führte parallel zu einer Veränderung der Erzeugerstruktur und den Lastflüssen. Das Netz wird schwieriger zur führen, der Lastfluss ändert zeitweise seine Flussrichtung, weil durch Wind und Sonne mehr Strom erzeugt wird, als durch die Kunden lokal abgenommen werden kann. Die Spannung steigt lokal an und droht die gesetzten Grenzen zu verletzen. Die Frequenzstabilisierung ist durch das Fehlen von rotierenden, trägen Massen beeinflusst. Die Schutzeinrichtungen müssen für dieses „neue Normal“ auf ihre Wirkung untersucht und ggf. angepasst werden.

In jedem Fall gilt: Sie begreifen diesen grundlegenden Wandel als Herausforderung!

Seine Aufgaben haben sich in den letzten Jahren verändert. Die Leitstelle ist heute auch für ein angrenzendes Netzgebiet verantwortlich. Die Landwerke haben dessen Betriebsführung übernommen, da sie durch ihre Netzgröße einen 24/7 Betrieb unterhalten müssen. Im Stadtgebiet wurde ein Kohlekraftwerk abgeschaltet. Grund waren umwelt- und wirtschaftliche Themen. Der Wert des Grundstücks weckte Begehrlichkeiten und eröffnete finanzielle Spielräume für die Landwerke. 

Im Netzgebiet der Landwerke wurden in den letzten 10 Jahren 700 Megawatt dezentrale Erzeugungsanlagen gebaut. Dies entspricht der gesamten Erzeugungsleistung der Vergangenheit im Netzgebiet. Dies entspricht in etwa dem Bundesdurchschnitt. Zudem wurde von der Industrie in Blockheizkraftwerke investiert, sodass die Industrie sich von einer planbaren Last in einen Prosumer gewandelt hat.

Die Landwerke haben ihr Netz konstant weiterentwickelt und ausreichend in Leitungen und Kabel investiert, sodass in den Städten noch kein Engpass abzusehen ist. Auf dem Land gibt es aber immer öfter Spannungsprobleme, sodass die Landwerke einige Netzstationen mit regelbaren Transformatoren aufrüsten mussten. Aber, die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Gerade im städtischen Bereich entwickelt sich eine neue Laststruktur.

Das Auto hat in Deutschland eine lange Tradition. Aktuell ändert sich jedoch die Art des Antriebs: mehr als 14% der in Deutschland zugelassenen Fahrzeuge haben einen vollelektrischen Antrieb, etwa 8% sind Plug-In Hybride.

Das Laden dieser Fahrzeuge ist am günstigsten zuhause – an einer Wechselstrom-Wallbox, die es mit 11 kW und 22 kW im Handel zu kaufen gibt. Eine Überschlagsrechnung zeigt Herrn Müller, dass am Ende der Transformation mit etwa 500.000 E-Fahrzeugen zu rechnen ist. Bei einer Ladeleistung von 20 kW und gleichzeitiger Nutzung würden 10 GW Ladeleistung benötigt, was etwa 1/7 der aktuellen deutschen Spitzenlast entspricht. Diese Last fällt im Normalfall aber aufgrund des niedrigeren Gleichzeitigkeitsfaktors deutlich niedriger aus, ist aber für das Versorgungsgebiet der Landwerke substantiell.

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.

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.