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Y. Korolov, Y. Okopna

 

Nationale Universität für Nahrungsmitteltechnologien

 

Energieübertragungsnetze

Aus der Vergangenheit für die Zukunft lernen ist ein logisches Ziel, welches in der Informatik mit großem Aufwand erforscht und betrieben wird. Große digitale Datenlager werden dafür aufgefüllt. Aus der Akkumulation aktueller Ereignisse werden Prognosen für die Zukunft abgeleitet. Dieses Werkzeug wird bisher hauptsächlich in der Finanzwelt zur Anwendung gebracht. Diese Arbeit soll sich nun mit der Anwendung des Data Warehouse Konzepts auf die Speicherung von Daten elektrischer Energienetze beschäftigen.

Gesetzliche Regelungen in Europa verlangen die wirtschaftliche Entrechtung von den Erzeugern, Übertragungsunternehmen und den Händlern der elektrischen Energie. Übertragungsnetzbetreiber sind zur diskriminierungsfreien Anbindung aller Marktteilnehmer verpichtet.

Um, trotz der gestiegenen Komplexität, die Sicherheit in elektrischen Netzen zu gewährleisten, werden Sicherheitskonzepte entwickelt, in denen das Verhalten des elektrischen Netzes, sowie Ausfälle von Komponenten des Netzes, simuliert werden. Die Motivation dieser Arbeit es, ist die Wiederverwendbarkeit der entstehenden Datenströme zu gewährleisten. Durch Integration geeigneter Speicherungsmethoden in diese Prozesse, sollen verschiedene zukünftige Anwendungsszenarien mit konsistenten Daten versorgt werden [2 – 4: 26–28].

Moderne Energieübertragungsnetze werden mit einer zunehmenden Zahl von Messtechnik ausgestattet. Diese wird genutzt um den aktuellen Zustand des Energienetzes mit der Vorhersage abzugleichen. Probleme, die aus ungeplanten Lastsituationen resultieren, sollen frühzeitig erkannt und behoben werden. Diese Vorhersagen werden durch Simulation gegebener und absehbarer Zustände erreicht. Fehler werden bis auf ihre Quelle zurückverfolgt. Stabilisierungsmaßnahmen von Experten können in eine solche Simulation zur Prüfung eingebunden werden. Die anfallenden Daten können jedoch nicht nur für eine Momentaufnahme, in welcher ein bestimmtes Problem besteht, von Interesse sein [1: 825 – 832; 2]. Für die historische Betrachtung sind entstandene Daten auch zu späteren Zeitpunkten wertvoll, zum Beispiel um Aussagen über historische Entwicklung und Quantität bestimmter Problemfälle geben zu können. Ein Konzept zur Speicherung der Daten dieser Netzsicherheitssimulationen wurde noch nicht entwickelt. Jedoch wird die These aufgestellt, dass diese Daten gespeichert werden können, schnell durchsucht werden können, und die resultierenden Ergebnisse sowohl in den Bereichen der Energienetzführung als auch Planung eingesetzt werden können.

Das Ziel dieser Arbeit ist der Entwurf eines Datenhaltungsprozesses für elektrische Netze. Es soll ein Entwurf erstellt werden, welcher Netzplanung, Netzführung und Sicherheitssimulationen mit dem Dynamic Security Assessment in eine konsistente Datenhaltung überführt. Zu diesem Zweck sollen gängige Methoden der Informatik im Bereich der Elektrotechnik angewendet werden. Basierend auf dem Stand der Entwicklungen in den Fachbereichen soll ein ganzheitlicher Prozess entworfen und die Problemstellungen, welche sich daraus ergeben, aufgezeigt werden [3]. Ein Prototyp soll entwickelt werden, welcher einen konsistenten Bereich des entworfenen Prozesses abbildet. Es sollen Methoden diskutiert werden wie eine Nutzung der Daten geschehen kann. Ein Anwendungsszenario für den Prototyp soll dabei aufgewiesen werden.

In dieser Arbeit wird an vielen Stellen vom elektrischen Netz oder elektrischen Energieübertragungsnetz gesprochen. Gemeint sind die Netze, welche zur Übertragung elektrischer Energie zwischen Erzeugern, anderen Übertragungsnetzen und den lokalen Verteilungsnetzen genutzt werden. An diesen Netzen liegen Spannungen größer 110kV an. Es wird in den Netzen meist ein dreiphasiger Wechselstrom, seltener ein Hochspannungsgleichstromübertragen[1: 825 – 832; 3; 4: 26–28].

Die Leistung eines einzelnen Netzbetreibers im Verbundnetz besteht somit auch in der Koordination mit seinen Nachbarn und der Erfüllung der Transportforderungen des Energiemarktes. Energieaustausch zwischen Netzen muss koordiniert werden, um das Gleichgewicht aus Erzeugung und Verbrauch elektrischer Energie einzuhalten. Auch ”Transport“ von Energie über das Netz eines Betreibers hinweg muss kalkuliert werden. Das Netzstabilitätskriterium, welches besagt, dass ein einzelnes beliebiges Element in einem Teilnetz ausfallen darf, ohne Beeinträchtigung der Versorgung, muss eingehalten werden.

Unter Generatoren werden Geräte verstanden, die zur Umformung anderer Energie- formen in elektrische Energie dienen. Diese werden meist aus wirtschaftlichen Gründen in mehreren Einheiten zu einem Kraftwerk zusammengefasst. Da die Spannung der Generatoren in der Regel nicht für den Transport der Energie über größere Strecken genügt, gehören zu einem Kraftwerkskomplex weitere Umformungsanlagen. Diese hängen von Art und Menge der Einspeisungsknoten am Kraftwerk ab. Als Transformator wird eine Baugruppe von zwei oder mehr Spulen bezeichnet, welche der Umformung von Wechselspannungen dienen. Jede Spule des Transformators kann mit Stufenstellern versehen sein, um auf das Spannungsniveau des jeweiligen Anschlusses zu reagieren. Da solche Transformatoren stets eine erhebliche Investition bedeuten, werden sie an allen Anschlüssen vor Überlastung durch Sicherungen geschützt. Eine elektrische Leitung dient der Übertragung elektrischer Energie[4: 26–28]. Im ¨Übertragungsnetz spricht man bei einer Leitung üblicherweise von drei Kabeln, welche jeweils eine Phase des dreiphasigen Wechselstroms übertragen. Für die Übertragung großer Leistungen unter-Wasser hingegen haben sich, auf Grund geringerer Verluste, Hochspannungs-Gleichstrom-Kabel als die bessere Wahl ergeben. Über große Strecken werden Hochspannungsleitungen als Überlandleitungen ausgelegt. In Städten kann dies auf Grund der Bebauung nicht möglich sein. So ergibt sich eine Vielzahl an Faktoren welche Einfluss auf Sicherheitsmaßnahmen und Dimensionierung dieser Anlagen haben. Isolierung, Querschnitt und Material ergeben so physikalische Eigenschaften, welche nur gemessen oder in Modellen angenähert werden können. Die Schaltanlagen dienen der Zu- und Abschaltung anderer Netzelemente in das Netz. Meist handelt es sich dabei um redundant ausgelegte Bussysteme mit eigenen Sicherungssystemen, seltener um einzelne Schutzschalter. Mit Umformern werden Wechsel- und Gleichspannungen in das Gegenstück umgewandelt. Diese leistungselektronischen Bauteile weisen bei den Sicherungssystemen ähnliche Komplexität auf, wie Transformatoren. Ein Verbraucher ist ein allgemeiner Platzhalter. Dabei kann es sich um industrielle Anlagen oder Verteilnetze von Städten oder Gemeinden handeln [1: 825 – 832]. Durch das Planungsverfahren werden die zulässigen Grenzen festgelegt, in welchen ein solcher Verbraucher Leistung beziehen darf. Sicherungssysteme prüfen diese Werte und können die Verbraucher bei Gefährdung der Netzstabilität oder Verletzung der Verträge abtrennen.

Der Zusammenschluss einzelner Inselnetze zu großen Landesnetzen, und weiter zu internationalen Netzen, setzt gemeinsame Regeln der Netzführung voraus, welche beim Betrieb zu beachten sind. So gibt es in allen solchen Netzverbunden auch Regelwerke, die angeben, in welchen Toleranzbereichen die Netze zu führen sind. Hinzu können weitere Gesetze kommen welche der Netzführung einen bestimmten wirtschaftlichen Rahmen abfordern. So sollen die Produkte Netz und Energie, auf Grund der Liberalisierung, in einer bestimmten Weise am Markt angeboten werden. Dies hat auch Rückwirkungen auf den Ausbau und die Führung.

Literatur

1. Dunstan, L. A.: Digital load flow studies. Power Apparatus and Systems, Band 73, S. 825 – 832, 1954.

2. Ercot performance statistics, 2010. Homepage: https://sites.google.com/a/interpss.com/opencim/Home/performance- statistics.

3. Oracle: MySQL 5.1 Reference Manual, 2011. http://dev.mysql.com/doc/refman/5.1/en/.

4. Wilson, R.: Pmus [phasor measurement unit]. Potentials, IEEE, Band 13, S. 26–28, 1994.