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Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik

Energietechnik Teil 1 – Technik der Netze Stephan Rupp

www.dhbw-stuttgart.de

Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik 2

Inhalt

Technik der Energieversorgungsnetze

•  Einführung: Struktur der Netze

•  Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie

•  Energiewende

•  Technische Herausforderungen


Quelle: Stefan Riepl, Wikimedia Commons

Spannungsebenen & Transformatoren

Erzeuger

Verbraucher

Elektrische Energieversorgungsnetze

3 Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik

Quelle: Netzentwicklungsplan.de

•  Übertragungsnetzbetreiber –  Regelzonen –  Anpassung von Angebot

und Nachfrage an elektrischer Leistung: Leistungsregelung

•  Konzept

–  Planung: Netzfahrplan –  Planabweichungen

dynamisch ausregeln

Übertragungsnetz

4


ED VACUTAP®

Spannung ist abhängig vom Lastzustand •  Spannungsabfall bei erhöhter Last (an der Impedanz des Netzes) •  Spannungsanstieg bei niedriger Last bzw. bei Einspeisung

Laststufenschalter

Regelgröße Netzspannung

Sollwert Netzspannung

Netzlast

Störgröße

Stelleinrichtung Regeltransformator

Regelstrecke

Spannungsregler

Regler

Überwachung

Messwandler

Messeinrichtung

UI

Spannungsregelung

Quelle: Maschinenfabrik Reinhausen 5 Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik 6

Inhalt




•  Energiewende



Traditionelle Methode: Fossile Brennstoffe

Energiebilanz: •  Strom: 33% (Wirkungsgrad) •  Wärme: 67% (Abwärme) •  CO2: 1 Mt pro TWh (Abgas)

C (Kohle)

CO2

Strom

Stromnetz

Wärme

Kraftwerk O2


Erneuerbare Energien im Netz

Legende: ÜN: Übertragungsnetz (380kV/220kV) VN: Verteilnetz (110kV, 20kV) ON: Ortsnetz (400V)

ÜN

VN

ON

Synchrongeneratoren

Wechselrichter

Lastfluss Leistungsregelung

Einspeisung erneuerbarer Energien auf den unteren Netzebenen

∿

Leistungsregelung: nahe der Einspeisung (ÜN) ON und VN geben eingespeiste Leistung weiter an ÜN zur Anpassung von Angebot und Nachfrage Spannungsregelung: nahe am Verbraucher

8


Inhalt




•  Energiewende



Einsatz erneuerbarer Energien

Quelle: Schlussbericht BMU – FKZ, 03MAP146, März 2012

Wendepunkt

10


Option: Verbundnetz Strom-Gas

C (Kohle)

CO2

Heizung (Kraft-Wärme-Kopplung)

Kraftwerk, BHKW

Gasnetz

Stromnetz

Strom

Elektrolyse & Methanisierung

CH4

Strom aus Leistungs-überschuss Wind, Solar

2x H2O

Verkehr Heizung

Kraftwerk, BHKW

CO2

Gas als Strom-speicher

2x O2

O2

BHKW: Blockheizkraftwerk

2x O2

2x H2O

CH4


Wirkungsgrade im Verbundnetz

*) für Gasbauern: Gas aus Bio-masse hat geringeren Ertrag als Gas aus PV oder Wind

Kohle, Öl

Strom Strom-Wärme

Gas

PV

Wind

Biomasse *)

Sonne

Wärme Verkehr

1% 10% 20% 33%

50%

67%

70%

70% 20% (40% für Hybrid Fahrzeuge)

60%

40%

12


Inhalt




•  Energiewende



•  Leitszenario 2011 A (BMU*) für Deutschland

•  *) BMU = Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit

Energiewende - Fahrplan

16% EE

84% konv. 53%

EE

47% konventionell

Quelle: DLR, IWES, IFNE: Schlussbericht - Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global. 2012

technische Konsequenz: zunehmend dezentrale

Einspeisung

14


Netz 2010 und 2025 - Verbraucherstruktur

Land Stadt


Netz 2010 – inklusive Erzeuger

Land Stadt

16


Netz 2025 – inklusive Erzeuger

Land Stadt


Effekte im Netzmodell

Lastflüsse in den Verteilnetzen (Wirk- und Blindleistung)

2010 2025

•  Veränderung der Lastflüsse und steigender Blindleistungsbedarf •  Hohe Belastung der Synchrongeneratoren und Netzbetriebsmittel

18


Effekte im Netzmodell Verhalten bei Laständerungen

•  Wirkleistungskennlinie im Jahre 2010 und 2025 •  Die Abnahme konventioneller Kraftwerke führt zu einer steileren Kennlinie,

d.h. Verdopplung der Änderungen der Netzfrequenz

19 Energietechnik, Teil 1, S. Rupp 5. Semester, Elektrotechnik 20

Technik der Netze

Netze mit 50% erneuerbare Energien

•  Umkehr des Lastflusses im ländlichen Bereich

•  Hoher Blindleistungsbedarf für dezentrale Erzeuger

•  Verschlechterung der Netzstatik

•  Herausforderungen für Ingenieure der Elektrotechnik


Energietechnik

ENDE Teil 1


Quelle: Stefan Riepl, Wikimedia Commons

Spannungsebenen & Transformatoren

Erzeuger

Verbraucher

Elektrische Energieversorgungsnetze

3


Effekte im Netzmodell

Lastflüsse in den Verteilnetzen (Wirk- und Blindleistung)

2010 2025

•  Veränderung der Lastflüsse und steigender Blindleistungsbedarf •  Hohe Belastung der Synchrongeneratoren und Netzbetriebsmittel

18


Energietechnik Teil 2 – Erneuerbare Energien Stephan Rupp



Inhalt

Erneuerbare Energien

•  Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie

•  Verbraucherstruktur im Netz

•  Erneuerbare Energien im Netz

•  Wirtschaftliches Umfeld


Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie

Kraftwerke

•  fossile bzw. nukleare Brennstoffe

•  hohe Leistung (ca. 1 GW elektrisch)

•  hohe Planbarkeit

C (Kohle)

CO2

Strom (30%)

Stromnetz

Wärme (70%)

Kraftwerk O2

Kernkraftwerk

Wärme (70%)


Stromnetz

Hochdruck

Niederdruck

15 kV

110 kV

Kessel

4

Einspeisung beim Kraftwerk

Beispiel: Dampfturbine

•  synchroner Betrieb

•  kinetische Energie

•  Verbund starr gekoppelter

Synchrongeneratoren



Sonne (Photovoltaik, PV)

•  keine Brennstoffe

•  Anlagengröße:

–  1 kW - 1 MW (Niederspannung)

–  10 - 20 MW (Mittelspannung)

–  10 - 60 MW (Hochspannung)

•  planbar im Rahmen der Wettervorhersage

•  Einspeisung: über Wechselrichter

Stromnetz



Windparks

•  keine Brennstoffe

•  Anlagengröße:

–  1 - 100 MW (Mittelspannung)

–  10 - 500 MW (Hochspannung & Offshore)

•  planbar im Rahmen der Wettervorhersage

•  Einspeisung: vorwiegend über Wechselrichter

Stromnetz



Biogas und Biomasse

•  Brennstoffe (CO2-neutral erzeugt):

–  Biogas: Gas als Brennstoff (Gasturbine)

–  Biomasse: benötigt einen Kessel (Dampfturbine)

•  Anlagengröße: 400 kW bis 10 MW

•  hohe Planbarkeit

•  schnelle Verfügbarkeit (für Gasturbine)

Stromnetz


Einspeisung durch Wechselrichter

Beispiel: Solarwechselrichter

•  …

•  …

•  …

DC/AC Wandler mit Transformator

Legende: MPP: Maximum Power Point (Arbeitspunkt mit maximaler Leistung) PWM: Pulsweitenmodulation für den AC-Wandler NA-Schutz: Netz- und Anlagenschutz (Netztrennung für Wartungen bzw. im Fehlerfall)


Struktur des Netzes

Synchron-generatoren

Erzeuger und Verbraucher

•  Sammelschienen

•  Leitungen bzw. Kabel

•  Erzeuger erneuerbarer Energien vorwiegend in den unteren Spannungsebenen


Inhalt







Verbraucherstruktur im Netz

Verhältnisse in Deutschland •  Verbraucher und Energiebedarf

–  Industrie: 47% des Energiebedarfs (Wh bzw. W)

–  Handel und Gewerbe: 26%

–  Haushalte: 14%

–  Sonstige (Verkehr, Landwirtschaft, öffentl. Einrichtungen, …): 14%

•  Netzstruktur –  Abhängig von den Bemessungsgrößen der Betriebsmittel

–  Mittelspannungstransformatoren (z.B.

–  Ortsnetztransformatoren (z.B. Land, Stadt)

–  Leistung zur Hauptbetriebsstunde: z.B. 80 GW



Netzmodell •  Spannungsebenen:

–  Hochspannungsnetz (110 kV)

–  Mittelspannungsnetz (20 kV)

–  Niederspannungsnetz (Ortsnetz, 0,4 kV)

•  Struktur: –  ländliches Netz: ca. 1/5 der Bevölkerung, Niederspannung

–  städtisches Netz: ca. 4/5 der Bevölkerung, Niederspannung

–  Industrieabnehmer: Mittelspannung und Hochspannung



% Anteil der Verbrauchs (el. Leistung) % Anteil des Verbrauchertyps im Netz


Betriebsmittel

Niederspannungsnetze im Land

Niederspannungsnetze in der Stadt


Struktur der Niederspannungsnetze

Beispiel: Stadt


Struktur der Mittelspannungsnetze


Vereinfachtes Netzmodell

Hochspannungsnetz

•  Großindustrie

•  städtische Netze

•  ländliche Netze

Die Proportionen ergeben sich aus Bemessungs-größen der Mittelspannungstransformatoren und der Leistung zur Hauptbetriebsstunde.

repräsentatives Modell: ca. 1/600 des gesamten Netzes


Inhalt







Installierte Kapazitäten in 2012

Erneuerbare Energien •  Wind:

–  Weltweit: 284 GW

–  USA: 110 GW

–  EU: 106 GW hiervon D: 30 GW Spanien 23: GW

•  Photovoltaik: –  D: 30 GW, Italien: 16 GW, USA: 7 GW, China: 7 GW

•  Einfluss EE im Netz: –  in D gemessen an der Größe des Netzes somit bereits heute

signifikante Einflüsse


Leitszenario 2011 A (BMU*) für Deutschland

Entwicklung erneuerbarer Energien

16% EE

84% konv.

53% EE

47% konventionell


Energiemix


Anteil erneuerbarer Energien im Netz

2010

2025


Verteilung der erneuerbaren Erzeuger

Wind

Photovoltaik


Erzeuger im Netz (2010)




Inhalt







EEG!Reloaded!2014!

!!!!Abschaffung+des+EEG+oder+Reform+der+EEG4Finanzierung+!

L!13!L!

!

Abbildung!1:! Schematische!Darstellung!des!fünfstufigen!EEGLWälzungsmechanismus!

(Bundesnetzagentur!2012a,!S.14)!

!

Abbildung!2:! Mittlere! an! Betreiber! gezahlte! EEGLVergütungssätze! (Berechnung! auf! der! Basis! der!

Angaben! der! Übertragungsnetzbetreiber! und! der! EEGLMittelfristprognosen! der!

Übertragungsnetzbetreiber!bis!2018,!nach!r2b!2013,!S.4f)!

!

Aufgrund!dieser! starken!Differenzierung! !und!der!Vielfältigkeit!einzelner!Vergütungssätze! ist!es!am!

sinnvollsten,! die! Entwicklung! der! durchschnittlichen! EEGLVergütung! für! die! verschiedenen!

regenerativen!Energiequellen!zu!betrachten.!

2 Effekte der AusglMechV

Die AusglMechV hat das System der Wälzung zwischen ÜNB, EVU und letztlich dem

Verbraucher grundlegend verändert. Die Glättung des fluktuierenden EEG-Stroms zu einem

Bandprodukt, welches physikalisch vom Stromlieferanten abzunehmen war, wurde durch

den direkten Verkauf des EEG-Stroms durch die ÜNB an der Strombörse ersetzt. EEG-

Anlagenbetreiber sowie VNB sind von den Regelungen der AusglMechV nicht betroffen.

2.1 Auswirkungen auf den fünfstufigen Wälzungsmechanismus

Da die Erneuerbaren Energien in aller Regel noch nicht wettbewerbsfähig sind, wird die

Stromproduktion aus diesen Quellen über das EEG finanziell gefördert. Um den aus Erneu-

erbaren Energien produzierten Strom zu den Stromverbrauchern zu bringen und gleichzeitig

die mit der Energieproduktion verbundenen Kosten zu decken, wurde ein fünfstufiges Umla-

gesystem etabliert, welches als Wälzungs- bzw. Ausgleichsmechanismus bezeichnet wird.

Dieser Mechanismus beschreibt den Weg des aus Erneuerbaren Energien produzierten

Stroms und seiner Vergütung wie in Abbildung 1 dargestellt vom Anlagenbetreiber bis zum

Stromverbraucher.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des fünfstufigen EEG-Wälzungsmechanismus

14

0!

10!

20!

30!

40!

50!

60!

2000'

2001'

2002'

2003'

2004'

2005'

2006'

2007'

2008'

2009'

2010'

2011'

2012'

2013'

2014'

2015'

2016'

2017'

2018'

c/kWh( Mittlere(gezahlte(EEGGVergütungssätze(

Wasser' Gas' Biomasse' Geothermie'

Wind'onshore' Wind'offshore' Solarenergie' jährlicher'Mittelwert'

Quelle: Bundesnetzagentur

26

Wirtschaftliches Umfeld

€ (Geldfluss)

kWh (elektrische Energie)

Rollen im Markt

•  Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

•  Verbindungsnetzbetreiber (VNB)

•  Stromerzeuger (Elektrizitäts-

Versorgungs-Unternehmen)

•  Anlagenbetreiber

•  Verbraucher

•  Strombörse (Spotmarkt)


Erzeugung und Vermarktung

EEG Umlage

•  Grünstromprivileg (Abnahmeverpflichtung)

•  Vergütung über EEG Preise

•  Netzbetreiber an Anlagenbetreiber nach fester EEG Vergütung

•  Differenz zum Preis an der Strombörse durch EEG Umlage an Verbraucher

EEG Direktvermarktung

•  Anlagenbetreiber handelt an Strombörse (Börsenpreis)

•  Förderung durch Marktprämie (= EEG-Vergütung – mittl. mtl. Börsenpreis)

•  Direktvermarktung – EEG-Vergütung = Börsenpreis – mittl. mtl. Börsenpreis

•  Ausfallvergütung (Nachweis der Netzqualität bzw. Anlagenverfügbarkeit)


EEG!Reloaded!2014!


L!18!L!

!

Abbildung!7:! Qualitative!Darstellung!der!Bildung!der!Differenzkosten!aus!den!Kosten!für!Zahlungen!und!den!Erlösen!für!erneuerbaren!Strom!an!der!Börse!(Quelle:!Loreck!et!al.!2013,!S.!9)!

!

Der! Strompreis! bildet! sich! am! Markt! in! jeder! Stunde! (zum! Teil! inzwischen! sogar! in! jeder!Viertelstunde)!indem!der!Stromnachfrage!in!dieser!Stunde!die!nach!der!Höhe!ihrer!variablen!Kosten!geordneten! Kapazitäten! aller! am! Markt! verfügbaren! Kraftwerke! (die! so! ermittelte! Kostenkurve!bezeichnet!man! als!MeritLOrder)! gegenüber! gestellt!werden.!Die! variablen! Kosten,! des! letzten! zur!Deckung! der! Nachfrage! notwendigen! Kraftwerks! bestimmen! so! den! Marktpreis! des! Stroms! (vgl.!Abbildung!8).! Somit! kann! sich! in! jeder! Stunde!des! Jahres! ein! anderer! Preis! und!damit! ein! anderer!Erlös!für!die!vermarktete!Kilowattstunde!regernativ!erzeugten!Stroms!ergeben.!

Da! die! regenerativen! Energiequellen! Wind,! Sonne,! Wasserkraft! und! Geothermie! praktisch! keine!variablen! Kosten! haben! und! auch! die! Stromerzeugung! aus! anderen! EEGLAnlagen! nicht! vom!Übertragungsnetzbetreiber! gesteuert! und! mit! einer! fixen! EEGLVergütung! bezahlt! wird,! treten! die!unter! dem! EEG! von! den! Übertragungsnetzbetreibern! vermarkteten! regenerativ! erzeugten!Strommengen!am!Markt! ohne! variable!Kosten!auf.! Sie! kommen!also! ganz! links! in! der!MeritLOrder!(vgl.!Abbildung!9).!!

Je!höher!nun!die!Erzeugung!aus! regenerativen!Energiequellen!wird,!um! so!weniger! konventionelle!Kraftwerke!werden!zur!Deckung!einer!gegebenen!Stromnachfrage!benötigt!und!desto!niedriger!wird!der!Marktpreis,!weil!sich!die!MeritLOrder!Kurve! immer!weiter!nach!rechts!verschiebt! (MeritLOrderLEffekt).!

!

Öko-Institut EEG-Umlage 2014

9

Je niedriger der Großhandelsstrompreis an der Börse ist, desto höher sind die Diffe-renzkosten, die auf die Letztverbraucher umgelegt werden, denn die zu refinanzie-renden Vergütungen, die an die Anlagenbetreiber für eine bestimmte eingespeiste Strommenge bezahlt werden, sind ja festgelegt.7

Der Großhandelsstrompreis selbst hängt einerseits von den Brennstoff- und CO2-Kosten der konventionellen Kraftwerke ab (also Faktoren, die unabhängig vom Aus-bau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien sind), andererseits beeinflussen aber auch die erneuerbaren Energien selbst den Großhandelspreis: Je mehr erneu-erbare Energien eingespeist werden, desto weniger Strom aus konventionellen Kraftwerken wird benötigt. Bei gleicher Nachfrage kommt der Schnittpunkt mit der Angebotskurve der konventionellen Kraftwerke bei einem billigeren Kraftwerk zu Stande – der Großhandelsstrompreis sinkt.

Die EEG-Umlage für das kommende Jahr wird einmal jährlich (im Oktober) durch die ÜNBs neu berechnet. Hierfür erstellen die ÜNBs eine Prognose für die Entwicklung aller die Umlage beeinflussenden Parameter im nächsten Jahr.

Abbildung 3 Qualitative Darstellung der Bildung der Differenzkosten aus den Kos-ten für Zahlungen und den Erlösen für erneuerbaren Strom am Strom-markt

Quelle: Öko-Institut

7 Eine detaillierte Analyse der verschiedenen Einflussfaktoren für die EEG-Umlage und ihrer

Bedeutung bietet Öko-Institut (2012).

€

MWh

Nachfrage

Angebot aus konventionellen Kraftwerken

Strompreis

EE-Stromproduktion

Vergütungs-zahlungen

an EE-Anlagen-

betreiber und weitere

KostenEinnahmen

für EE-Strom am

Strommarkt

Differenz-kosten

werden umgelegt auf nichtprivilegierten Stromverbrauch

Quelle: Öko-Institut e.V.

EEG-Vergütung

28

Strombörse

Strompreis

•  Aus Angebot und Nachfrage

•  zunächst günstigste Erzeuger

•  dann zunehmend teure Erzeuger

•  berücksichtigt werden nur variable

Kosten (d.h. Primärenergiekosten)

•  Fixkosten (Investitionen in Anla-

gen) werden nicht berücksichtigt

Passendes Modell für erneuerbare Energien?


Energietechnik

ENDE Teil 2



% Anteil der Verbrauchs (el. Leistung) % Anteil des Verbrauchertyps im Netz


Leitszenario 2011 A (BMU*) für Deutschland

Entwicklung erneuerbarer Energien

16% EE

84% konv.

53% EE

47% konventionell


Energiemix

20


EEG!Reloaded!2014!


L!13!L!

!

Abbildung!1:! Schematische!Darstellung!des!fünfstufigen!EEGLWälzungsmechanismus!

(Bundesnetzagentur!2012a,!S.14)!

!

Abbildung!2:! Mittlere! an! Betreiber! gezahlte! EEGLVergütungssätze! (Berechnung! auf! der! Basis! der!

Angaben! der! Übertragungsnetzbetreiber! und! der! EEGLMittelfristprognosen! der!

Übertragungsnetzbetreiber!bis!2018,!nach!r2b!2013,!S.4f)!

!

Aufgrund!dieser! starken!Differenzierung! !und!der!Vielfältigkeit!einzelner!Vergütungssätze! ist!es!am!

sinnvollsten,! die! Entwicklung! der! durchschnittlichen! EEGLVergütung! für! die! verschiedenen!

regenerativen!Energiequellen!zu!betrachten.!

2 Effekte der AusglMechV

Die AusglMechV hat das System der Wälzung zwischen ÜNB, EVU und letztlich dem

Verbraucher grundlegend verändert. Die Glättung des fluktuierenden EEG-Stroms zu einem

Bandprodukt, welches physikalisch vom Stromlieferanten abzunehmen war, wurde durch

den direkten Verkauf des EEG-Stroms durch die ÜNB an der Strombörse ersetzt. EEG-

Anlagenbetreiber sowie VNB sind von den Regelungen der AusglMechV nicht betroffen.

2.1 Auswirkungen auf den fünfstufigen Wälzungsmechanismus

Da die Erneuerbaren Energien in aller Regel noch nicht wettbewerbsfähig sind, wird die

Stromproduktion aus diesen Quellen über das EEG finanziell gefördert. Um den aus Erneu-

erbaren Energien produzierten Strom zu den Stromverbrauchern zu bringen und gleichzeitig

die mit der Energieproduktion verbundenen Kosten zu decken, wurde ein fünfstufiges Umla-

gesystem etabliert, welches als Wälzungs- bzw. Ausgleichsmechanismus bezeichnet wird.

Dieser Mechanismus beschreibt den Weg des aus Erneuerbaren Energien produzierten

Stroms und seiner Vergütung wie in Abbildung 1 dargestellt vom Anlagenbetreiber bis zum

Stromverbraucher.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des fünfstufigen EEG-Wälzungsmechanismus

14

0!

10!

20!

30!

40!

50!

60!

2000'

2001'

2002'

2003'

2004'

2005'

2006'

2007'

2008'

2009'

2010'

2011'

2012'

2013'

2014'

2015'

2016'

2017'

2018'

c/kWh( Mittlere(gezahlte(EEGGVergütungssätze(

Wasser' Gas' Biomasse' Geothermie'

Wind'onshore' Wind'offshore' Solarenergie' jährlicher'Mittelwert'

Quelle: Bundesnetzagentur

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Wirtschaftliches Umfeld

€ (Geldfluss)

kWh (elektrische Energie)

Rollen im Markt

•  Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)

•  Verbindungsnetzbetreiber (VNB)

•  Stromerzeuger (Elektrizitäts-

Versorgungs-Unternehmen)

•  Anlagenbetreiber

•  Verbraucher

•  Strombörse (Spotmarkt)


Energietechnik Teil 3 – Angebot und Nachfrage Stephan Rupp



Inhalt

Angebot und Nachfrage - Regelungstechnik im Netz

•  Übersicht

•  Spannungsregelung

•  Leistungsregelung



Funktionsprinzip der Regelung

Legende: ÜN: Übertragungsnetz (380kV/220kV) VN: Verteilnetz (110kV, 20kV) ON: Ortsnetz (400V)

ÜN

VN

ON

Synchrongeneratoren

Wechselrichter

Lastfluss Leistungsregelung ∿

•  Leistungsregelung: nahe der Einspeisung (ÜN)

•  Spannungsregelung: bis nahe an den Verbraucher

ÜN

VN

ON

Spannungsregelung


Informations- und Regelungstechnik

Netzleitstelle

Stationsebene

Bayebene Primärgerät (Trafo)

Leitsystem *)

Stationsleitgerät

Schutz RTU **)

Feld

Feldleitgerät

Stationsbus

Feldbus

Fernwirken

I/O I/O

Feldgeräte auf Stationsebene

Feld-geräte

**) RTU: Remote Terminal Unit (abgesetzte Einheit)

*) SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition)

4


Inhalt


•  Übersicht





Regelung am Transformator

Buchholz-relais

Luftströmungswächter Ventilatoren

„Gas in Öl“-Sensor

Ölstandmessung

Wicklungs- und Ölthermometer

Elektronische Wicklungs-temperaturberechnung

Ölströmungsmessung im Zu-/Ablauf

Ölfeuchte

Digitale Öltemperatursensoren Temperatursensoren für OLTC-Monitoring

Motorantrieb, Regelung, Überwachung

Spannungsmessung mit Spitzenwertdetektion

Stufenschalter (Stellglied)

Laststrommessung mit Spitzenwertdetektion

Druckentlastung

Gestänge

Luftentfeuchter

Monitoringsystem Transformator

Elektronische Spannungsregler

Verbundisolatoren für Durchführungen

Quelle: Maschinenfabrik Reinhausen

6


Laststufenschalter

Funktionsprinzip

Stufenwähler (Tap Selector)

Lastumschalter (Diverter Switch) Animation



ED VACUTAP®

Spannung ist abhängig vom Lastzustand •  Spannungsabfall bei erhöhter Last (an der Impedanz des Netzes) •  Spannungsanstieg bei niedriger Last bzw. bei Einspeisung

Laststufenschalter

Regelgröße Netzspannung

Sollwert Netzspannung

Netzlast

Störgröße

Stelleinrichtung Regeltransformator

Regelstrecke

Spannungsregler

Regler

Überwachung

Messwandler

Messeinrichtung

UI

Spannungsregelung

Quelle: Maschinenfabrik Reinhausen 8


Inhalt


•  Übersicht





Leistungsregelung Angebot und Nachfrage

Leistungsregelung = Anpassung der erzeugten Leistung an die benötigte Leistung Ausgleich durch Regelung der Einspeiseleistung von konventionellen Kraftwerken. Probleme bei einem Ungleichgewicht:

•  Absinken oder Steigen der Netzfrequenz

•  Funktionsbeeinträchtigung elektrischer Geräte

•  Ausfall von Teilnetzen

•  Ausfall der kompletten Stromversorgung

Erzeugung Verbrauch

Erzeugung

Verbrauch

10


Leistungsregelung im Netz Funktionsprinzip: Verbund der Synchrongeneratoren

•  f/P-Kennlinie eines Generators •  → Lastzunahme bewirkt ein absinken der Frequenz •  Proportionalverhalten durch Statikaufschaltung des Generators


Leistungsregelung im Netz Parallelbetrieb zweier Generatoren

•  Generatoren arbeiten im Allgemeinen parallel in einem Netz •  Die Statik bestimmt die Zuordnung von Drehzahl und Wirkleistung

12


Leistungsregelung im Netz Kollektive Aufteilung bei Laständerungen

•  Die Last wird im Verhältnis zur Statik aufgeteilt, d.h. passend zum Leistungsvermögen der Generatoren => Primärregelung

Änderung der Netzfrequenz


Leistungsregelung im Netz Ausgleich der außerplanmäßigen Laständerung

•  Durch Verstellen des Drehzahlsollwerts erfolgt Anpassung an die Lastabweichung => Sekundärregelung (durch Generator 2)

•  Die Primärregelung wird abgelöst.

14


Inhalt


•  Übersicht





Quelle: Netzentwicklungsplan.de

•  Übertragungsnetzbetreiber –  Regelzonen –  Anpassung von Angebot

und Nachfrage an elektrischer Leistung: Leistungsregelung

•  Konzept

–  Planung: Netzfahrplan –  Planabweichungen

dynamisch ausregeln

Übertragungsnetz

16


Wirtschaftliches Umfeld Regelzonen in Deutschland

Aufteilung in sechs Regelzonen unter der der Führung der Übertragungsnetzbetreiber •  Innerhalb einer Regelzone muss

Gleichgewicht zwischen Ein- und Ausspeisungen herrschen!

ΣPEin - ΣP Aus = 0

Aufgaben der Übertragungsnetzbetreiber: •  Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch

anhand von Prognosen •  Vorhaltung von Regelleistung für den

Ausgleich von Prognoseabweichungen

PEin

P Aus

Quelle: Commons, Wikimedia, F. McLloyd


Wirtschaftliches Umfeld Regelleistung •  Übertragungsnetzbetreiber kaufen von Kraftwerksbetreibern (EVUs) im Vorfeld

Regelleistung ein, die sie bei Bedarf abrufen können. •  Die vorgehaltene Leistung wird unterteilt in:

•  Um Regelleistung bereitstellen zu dürfen, müssen die Kraftwerksbetreiber bestimmte Voraussetzungen erfüllen ! Präqualifikationsverfahren

Quelle: A. Kamper, Scientific Publishing

18


Leistungsregelung Beispiel

120s 200s

Quelle: Amprion


Wirtschaftliches Umfeld Lastprognose des Bilanzkreises (Plan)

ÜNB Bilanzkreis ΣPErz. - ΣP Verbr. = 0

0 24 h 6 12 18

P

20


Wirtschaftliches Umfeld Planabweichungen werden untereinander abgerechnet

Quelle: Energieversorgung.de


Einflüsse erneuerbarer Energien Technische Randbedingungen •  Wind und PV speisen nicht kontinuierlich ein

•  Regelung durch konventionelle Kraftwerke keine dauerhafte Lösung

•  Ausbau der Transportkapazität erforderlich (Nord-Süd)

•  Stellenweise Lastflussumkehr im Netz

•  Einsatz von Speichertechnologien zur Primärregelung

Regulatorische Anforderungen •  Teilnahme EE in der Regelenergie (z.B. im Verbund)

•  Neue Rollen für Verteilnetzbetreiber

22


Energietechnik

ENDE Teil 3


Energietechnik Teil 4 – Energieinformationstechnik Stephan Rupp



Inhalt

Energieinformationstechnik

•  Primärtechnik und Sekundärtechnik

•  Aufbau der Informationssysteme

•  Datenaustausch

•  Normatives Umfeld


Übersicht Primärtechnik und Sekundärtechnik

Einspeisung/Leitung

Transformatoren

MS-Schaltanlage

HS-Schaltanlage

M G

Stationsleitsystem

Schutztechnik

Primär-Technik Sekundär-Technik

Automatisierungstechnik Regelung Steuerung Monitoring

Sensoren Aktoren

M etc. T P F M U/I Pos. Oil f v t etc.

Schutz Schutz &

Steuerung

Kommunikation

Kommunikation


Betriebsmittel Informations- und

Kommunikationstechnik


Inhalt







Aufbau der Informationssysteme

Hierarchie Netzleitstelle

Station

Feld Feld Feld

Netzleitebene

zu anderen Schaltanlagen

Stationsleitebene

Stationsbus

Feldebene

Prozessbus

ProzessebeneQuelle: Maschinenfabrik Reinhausen


Beschreibung der Systeme Beispiel

•  einphasiges Ersatzschaltbild

•  Beschreibung der Anwendungs-Domäne

•  Terminologie: nach Standard (IEC 61850)

TCTR

TVTR

MMXU

YPTR SPTR

ATCC

YLTC

SLTC

(Current Transformer)

(Voltage Transformer)

(Power Transformer)

(Supervision of Power Transformers)

(Tap Changer)(Supervision of Tap

Changer)

(Automatic tap changer controller)

(Measurement)

GGIO

(Generic process I/O)

CCGR (Cooling group control)

SIML (Insulation medium supervision (liquid))

YEFN

(Earth fault neutralizer) ANCR

(Neutral current regulator)

ARCO (Reactive Power Control)

TTMP

(Temperature sensor)

STMP

(Temperature supervision)

SIMG (Insulation medium supervision (gas))

Process level Station level Quelle: Maschinenfabrik Reinhausen

6


Elektrische Schaltanlagen

…

Doppelring mit Doppelstern Parallel Redundancy Protocol (PRP)

Ringredundanz Protokolle: HSR, MRP

HSR: High-Availbility Seamless Redundancy MRP: Media Redundancy Protocol

Quelle: ABB


Schutz

Stationsleitgerät

Feldleitgerät/Regler

RTU

COM

RTU

RTU

RTU

LANCOM

COM

COM

COM

COM

LAN

Stationsleitgerät

COM

COMWAN

Stationsleitgerät

COMCOM

COM

COM

Netztopologien

Fernwirken (Wide Area Network, IP/Ethernet):

redundante Verbindungen •  Doppelstern •  Doppelring Lokales Netz (Local Area

Network, Ethernet): einfache und redundante

Verbindungen •  Baumstruktur •  Ringstruktur

RTU: Remote Terminal Unit, abgesetzte Einheit COM: Switch bzw. Router

8


Anbindung von Sensoren Zunehmend Feldbusschnittstellen

Traditionelle Methode:

•  Anbindung über I/O (Kupfer)

Intelligente Sensoren:

•  eigener Feldbus

•  ggf. autonome Energieversorgung

Messen / Steuern

RTU Feldbus

Sensor Sensor Sensor

Kupfer


Inhalt







Entwicklung der Automatisierungstechnik in Schaltanlagen

Quelle: ABB

Industrie 4.0


Automatisierungstechnik Von der Kupferleitung zum Feldbus

Schnittstellen auf der Kupferader: •  Strom, Spannung

•  Kompatibel zwischen den Herstellern von Geräten

Schnittstellen auf dem Feldbus •  Erfordern kompatible Protokolle

•  Erfordern kompatible Daten

•  Und sind somit ein Fall für die Standardisierung

12


Ebenen der Steuerung - Automatisierungstechnik Steuerungsebene •  SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition

•  Informations-Datenmodell: CIM, IEC61850 (als Kennzeichnungssystem für Informationen über primäre

und sekundäre Betriebsmittel und Systemzustände)

Feldebene •  Messen und Regeln

•  SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung)

•  IED (Intelligent Electronic Device = Steuerung)

•  Feldbusse, z.B. IEC61850 mit Datenmodell (zur Interoperabilität von Geräten)

•  Sensoren und Aktuatoren

Sensor, Aktuator

Messpunkt

Feldbus (z.B. IEC 61850)

Server

SPS, IED

SCADA

Klemme (bzw. Feldbus)

Datenbank


Verwendung von Datenmodellen Semantik und Meta-Information

•  Semantik: was bedeutet eine Nachrichten?

•  Meta-Information: wo finde ich etwas?

Kennzeichnungssystem (Semantisches Modell)

Geräte ohne Datenmodell (manuelle Anpassung)

Geräte mit Datenmodell (IEC61850)

XML XML

XML

Notation für IEC61850 Dateien (ICD), Konfigurationen, Messdaten, … ggf. signiert (Zertifikat) bzw. verschlüsselt

14


Werkzeuge und Methoden ...

UML Editor

XML

Datenmodell (Informationsmodell)

RDF

XML

Anwendungsprofil

Datenbank-schema

ICD (IEC61850 Datenmodell)

XML Nachrichten-

formate XML XML CIM Tool

Feldgeräte (SPS, IED)

IEC61850

CIM

SCADA

Anwendungs- server

XML Nachrichten-

formate XML XML

System mit proprietärem Datenmodell

XML Transformations-schema

Soft-

ware

Anwendung

Schema-Transformation

standardisiert

•  gängige Methoden aus der Informatik

•  UML: Unified Modelling Language (zur Definition von Datenmodellen sowie als Entwicklungswerkzeug)

•  CIM: Common Information Model (für primäre Betriebsmittel, d.h. Anlagen zur Energieversorgung)


Software und Systeme entwickeln

Informationsebene: abstrakte bzw. semantische Modelle •  Informationsmodell, z.B. in UML als Klassendiagramm beschrieben

•  Anwendungsprofil: z.B. im RDF-Format oder XML-Format zu verarbeiten

Logische Ebene: implementierbare Modelle •  Nachrichtenebene: Datenmodell, z.B. als ICD-Datei oder XML-Nachrichtendatei

•  Datenbankschema, z.B. relational in SQL oder objektorientiert implementierbar

Implementierung •  Verwendung spezieller Produkte, die die verwendeten Standards unterstützen,

z.B. SPS, SCADA-Systeme mit Entwicklungsumgebung, Datenbanken,

Entwicklungswerkzeuge

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Inhalt







Normatives Umfeld

Übersicht - Themen der Arbeitsgruppen des IEC TC 57:

•  IEC 60870-5: Fernwirkprotokoll (Telecontrol & Teleprotection)

•  IEC 61850: netzwerkbasierter Feldbus für Schaltanlagen mit

Datenmodell (Communications and Associated Data Models)

•  IEC 61970 Common Information Model: Datenmodelle für den

Austausch von Informationen über primäre Betriebsmittel (Energy Management Systems – Application Programming Interfaces)

•  IEC 61968: Schnittstellen zum Common Information Model (Application Integration at Electric Utilities – System Interfaces for Distribution Management)

TC: Technical Comittee


IEC 60870-5

Feldbus für Schaltanlagen

•  Fernwirkprotokoll (Telecontrol Equipment and Systems)

•  Lange etabliert als serieller Bus zur Kommunikation zwischen Steuergeräten

in Schaltanlagen und der Leittechnik.

•  Reines Feldbus-Protokoll (signalorientiert, ohne Datenmodell)

•  IEC60870-5-104: netzwerkbasierte Version (Ethernet, TCP/IP)

•  Weitere noch gängige Versionen:

–  IEC60870-5-101: Rahmenspezifikation für den seriellen Bus

–  IEC60870-5-102: Erweiterung für die Übertragung von Zählerständen

–  IEC60870-5-103: Erweiterungen für Schutzgeräte


IEC61850

...

•  ...

•  ...

•  ...

Quelle: IEC61850 Standard


IEC61850 Klassen

Quelle: IEC61850 Standard


IEC61850 und IEC61970 CIM

IEC61850

•  Einheitliche Darstellung der Sekundärtechnik (Schutz, Regler, Überwachung)

•  Schwerpunkt: Schaltanlagen (Feldebene)

•  Datenmodell als Dokument verfügbar (IEC Standard)

IEC61970 Common Information Model (CIM)

•  Einheitliche Darstellung der Primärtechnik (IEC 61970-301 definiert CIM)

•  Schwerpunkt: Leittechnik (Betrieb) und Pflege der Betriebmittel

•  Datenmodell direkt im UML-Format verfügbar (IEC Standard)


IEC 61970 Common Information Model

IED: Intelligent Elektronic Device, z.B. SPS

SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition

Quelle: CIM-Primer (EPRI)

IED

IED

IED Feldebene

Betrieb und Überwachung

Beispiel

•  Betrieb und Überwachung: IEC61970

Common Information Model

•  Methoden und Produkte der Informa-

tionsverarbeitung in Unternehmen (Enterprise Service Architecture)

•  Feldebene: IEC61850 als Protokoll

und Datenmodell für Feldgeräte

•  Methoden und Produkte der

Automatisierungstechnik


CAN in Automation und IEC61850

Elektrofahrzeuge:

•  CiA 454 Energy Management Network

•  Kennzeichnungssystem für System-

komponenten

Einspeisung EE:

•  IEC61850-7-420 Distributed Energy

Resources plant

•  Kennzeichnungssystem für System-

komponenten Quelle: IEC61850 Standard

Quelle: CAN in Automation Standard


Energietechnik

ENDE Teil 4


Entwicklung der Automatisierungstechnik in Schaltanlagen

Quelle: ABB

Industrie 4.0

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energietechnik teil 1 – technik der netzesrupp/ent/ent_t2ela3860_2_folien.… · energietechnik,...

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