Innovationen im Übertragungsnetz:

Die Systemführung der Zukunft

Life Needs Power Hannover Messe, 26. April 2018

Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Übersicht

Einleitung – Die Treiber des Umbaus

– Energiepolitischer Rückenwind

Innovationen für den Netzbetrieb der Zukunft – Motivation und Zielstellung

– Ansatz und Konzept

– Systemführung in Echtzeit

– Forschungs- und Entwicklungsbedarf

– Aspekte zur Umsetzung

Zusammenfassung

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Was treibt die Netzentwicklung in Deutschland und Europa?

Integration

erneuerbarer

Energien

Integration

erneuerbarer

Energien

Versorgungs-

sicherheit

Integration

erneuerbarer

Energien

Europäischer

Strommarkt

kommerziell

physikalisch

Integration

erneuerbarer

Energien

Spannung

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Die energiepolitische Sicht der Bundesregierung

„Wir werden:

… Anstrengungen zum Ausbau und zur Modernisierung der Energienetze

unternehmen. Zu diesem Zweck werden wir einen ambitionierten

Maßnahmenplan zur Optimierung der Bestandsnetze und zum

schnelleren Ausbau der Stromnetze erarbeiten. Es geht darum, mit

neuen Technologien und einer stärkeren Digitalisierung aber auch

mit einer besseren Zusammenarbeit der Netzbetreiber die

vorhandenen Netze höher auszulasten …“ Quelle: Koalitionsvertrag der Bundesregierung, 12. März 2018

„Bevor ihr euch streitet, klärt die Begriffe.“

Konfuzius, chinesischer Philosoph

551 - 479 v. Chr.

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Netzführung weitergedacht: Motivation und Konzept

Die zunehmende Komplexität der elektrischen Energieversorgung stellt

neue und erweiterte Anforderungen an den Systembetrieb.

Mangelnde gesellschaftliche Akzeptanz und langwierige

Genehmigungsverfahren erschweren einen bedarfsgerechten

Netzausbau:

Versorgungssicherheit ↓ Redispatch-Kosten ↑

Entwicklung langfristiger technologischer Lösungen auf der Basis neuer

Planungs- und Betriebsgrundsätze.

Bedarf an Expertensystemen und erweiterten Systemautomatiken.

Ziel: multivariate Optimierung und Netzführung in Echtzeit.

Langfristig: Optionen und Alternativen zum großräumigen Netzausbau.

Systemübergreifende Planung und ereignisorientierte

Systemführung: Übergang vom präventiven zum

kurativen (n-1)-Kriterium

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Definition des (n-1)-Kriteriums

Der Grundsatz der (n-1)-Sicherheit in der Netzplanung besagt, dass in einem Netz

bei prognostizierten maximalen Übertragungs- und Versorgungsaufgaben die

Netzsicherheit auch dann gewährleistet bleibt, wenn ein Netzbetriebsmittel ausfällt

oder abgeschaltet wird. Für diesen Fall darf es nicht zu Versorgungsunterbrechungen

oder einer Ausweitung der Störung kommen. Außerdem muss die Spannung

innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben und die verbleibenden Betriebsmittel

dürfen nicht überlastet werden. Diese allgemein anerkannte Regel der Technik gilt

grundsätzlich für alle Netzebenen.

Auszuschließende Auswirkungen

Versorgungsunterbrechungen

Folgeauslösung weiterer Schutzgeräte

Stabilitätsverlust von Erzeugungsanlagen

Notwendige Änderung ggf. Unterbrechung einer Übertragung

Dauerhafte Grenzwertverletzungen (Betriebsspannung,

Spannungsbänder, Kurzschlussleistung, Strombelastung)

Netzbetriebsmittel für (n-1)-Ausfall

Freileitungs- bzw. Kabelstromkreis

Netztransformator

Erzeugungseinheit

Quelle: Glossar netzausbau.de, modifiziert

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Präventives und kuratives (n-1)-Kriterium

Präventiv

Die Netze werden für den

ungestörten Betrieb (n-1)-sicher

geplant - d.h. redundant

ausgelegt.

Die Redundanz für einen Ausfall

wird in den Betriebsmitteln

vorgehalten.

Kurativ

Das (n-1)-Prinzip wird „kurativ“, d.h.

nach dem Eintritt einer Störung durch

betriebliche Eingriffe gewahrt.

Im ungestörten Betrieb besteht keine

oder nur eingeschränkte Redundanz.

Einfacher und bewährter Einsatz

in Planung und Betrieb

Teilauslastung der Assets im

ungestörten Betrieb

Deterministischer Ansatz ohne

Berücksichtigung der

Eintrittswahrscheinlichkeit von

(n-1)-Ausfällen

Hohe Komplexität und Notwendigkeit

zusätzlicher betrieblicher Freiheitsgrade

(Flexibilitätsoptionen, Automatisierung)

Maximale Auslastung der Assets im

ungestörten Betrieb

Erhöhung der Übertragungskapazität im

ungestörten Betrieb, langfristig

Reduzierung des Netzausbaubedarfs

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Auslastung der Betriebsmittel im stationären Betrieb

I/In Präventives n-1 Kuratives n-1

100%

60%

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

100 % Leistung

Beispiel zur Wirkungsweise einer kurativen

Systemautomatik

1 2 3 4 5

1

2

3 4

5 P

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Beispiel: Informationsverarbeitung im Automobil

Eingabe

Sensoren

Verarbeitung (inkl. Mensch)

Steuerungs- und Regelungsgeräte

„Bordcomputer“

Ausgabe

Aktoren

Klima- und Lüftungsanlage

Sitzpositionsmotoren

Scheibenwischermotor

Scheinwerferregulierung

Parkassistent

Kraftstoffpumpe

Einspritzanlage

Geschwindigkeitsregelung

Fahrerinformationssystem

…

Temperatursensoren

Sitzbelegungserkennung

Regensensor

Lichtsensoren

Lenkradwinkel

Abstandsmessung

Gaspedalpositionsgeber

Motordrehzahlgeber

Beschleunigungssensor

Lambdasonde

…

Bildquelle: Audi AG

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Digitalisierung in der Netzsystemführung der Zukunft

• Strom

• Spannung

• Wirk- und Blindleistung

• Leitertemperatur

• Leiterseildurchhang

• Betriebsmittelauslastungen

• Ladezustand von Speichern

• Frequenz

• PMU/WAMS

• …

Expertensysteme zur

Netzsystemführung in Echtzeit

• Rechnergestützte

Optimierungsalgorithmen unter

Einbeziehung betriebsmittel-

spezifischer Randparameter

• Selektive Gegenprüfung durch

Personal

• Koordinierte, vollautomatisierte

Betriebsführung hybrider

Systemstrukturen

• Schalthandlungen

• Transformatorstufensteller

• Kraftwerksregelung

(konventionell und regenerativ)

• Lastflusssteuerung und

Kompensation (HGÜ, FACTS,

PST)

• Schutzanregung

• Regelleistungseinsatz

• Speicherregelung

• Power-to-X Prozesse

• Marktkapazitäten

• … Bildquellen: Trench, swissgrid, ABB

Eingabe

Sensoren

Verarbeitung (inkl. Mensch)

Steuerungs- und Regelungsgeräte

Ausgabe

Aktoren

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Regeleingriffe und Zeitbereiche im Übertragungsnetz

Schutz

1/10 s 1 s 10 s

1 min

10 min

1h

10 h

Zeit

Spannungsregelung

Turbinenregelung

Leistungs-/ Frequenzregelung

Leistungs-

schalter

FACTS

HGÜ

PST /

Stufenschalter

Gas-/Pump-

speicherkraftwerke

Thermische

Kraftwerke

100 s

1000 s

10000 s

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

PT

FR

DE PL

CZ

SK

AT

BE

NL

IT

CH HU

RO

BG

RS BA

HR

AL

GR

MK

GB

DK

LU

ME

SL

ES

MT

UA

Beispiel Netzregelung: Phasenschieber-Transformatoren in Kontinentaleuropa

PST in Betrieb (23)

PST geplant (10)

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Interaktionen und Regelung von hybriden Netzstrukturen

AC Power System

HVDC Classic

Reactive Power

Compensation

FACTS devices

Local Generator

VSC HVDC

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Energieinformationsnetz: Struktur und Aggregation

• Bereitstellung

von Einzel-

daten und

Flexibilitäten

• Knotenzuweisung von

Einzeldaten über

Netztopologie

• Aufteilung nach

Energiearten

• knotensensitive Aggregation von

Einzeldaten über Netztopologie

• Aufteilung nach Energiearten

• Ermittlung von Flexibilitäten

• Netzdaten

Kunde

Unterlagerte VNB

VNB am ÜNB-Netz

ÜNB • Einzeldaten

• ESM/NSM

• Lastabwurf

• ESM/NSM

• Lastabwurf

• vorausschauende

Netzzustandsbewertung

• optimierter Einsatz von

Flexibilitäten

• ESM/NSM

• Lastabwurf

• vorausschauende

Netzzustands-

bewertung

• Systemsicherheit

Pro

ze

sse

D

ate

nve

rarb

eitu

ng

Vorteile: • Prozesseffizienz

• Datenqualität und -verfügbarkeit • Datensensibilität

• Datensicherheit

Quelle: „Leitplanken für die Ausgestaltung des Energieinformationsnetzes in einer dezentralen Energiewelt“

Impulspapier der Verteilnetzbetreiber, Nov. 2016

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Untersuchungsbedarf und Aspekte zur Umsetzung

Einfluss auf den NEP Strom: technisch, wirtschaftlich,

ökologisch, organisatorisch Zielnetz 2030 definieren

Auswirkungen auf die Versorgungsqualität

Abschätzung und Gegenüberstellung von Investitions- und

Betriebskosten

Interoperabilität: HDÜ/HGÜ/Verteilnetze unter

Berücksichtigung der systemischen Integration von

Sektorenkopplungen

Aufbau eines bedarfsgerechten Energieinformationsnetzes

Organisation und Koordination: Europäische Netzentwicklung

und koordinierter Systembetrieb innerhalb ENTSO-E

Regulatorische Rahmenbedingungen

Interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Zusammenfassung

Konzeptansatz: Erweiterte Analysewerkzeuge und

Expertensysteme in der Netzsystemführung, Betriebliche

Freiheitsgrade durch „intelligenten“ Netzausbau.

Technische Aspekte: Einführung neuer Planungs- und

Betriebsgrundsätze, Entwicklung langfristiger technologischer

Lösungen (Zeithorizont 2030+) hinsichtlich Automatisierung und

Digitalisierung, ganzheitliche Systembetrachtungen.

Organisatorische Voraussetzungen: Regulatorische

Rahmenbedingungen, Koordination der Systemführung zwischen

ÜNB/VNB und innerhalb der ENTSO-E.

Forschung: Zukünftiges Innovationsfeld mit hohem

wissenschaftlichem Anspruch, umfangreicher Forschungs- und

Entwicklungsbedarf.

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

„Wenn über das Grundsätzliche keine

Einigkeit besteht, ist es sinnlos, miteinander

Pläne zu machen.“

Konfuzius, chinesischer Philosoph

551 - 479 v. Chr.

Zu guter Letzt …

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Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Lehrstuhl für Elektrische Energiesysteme

Cauerstr. 4 | Haus 1

91058 Erlangen

Tel: +49 9131 85 67540

Fax: +49 9131 85 67555

E-Mail: info@ees.fau.de

Web: http://ees.eei.fau.de

Kontakt

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Innovationen im Übertragungsnetz: Die Systemführung der Zukunft

Aktuelle Studien zum Thema

TenneT TSO GmbH, consentec: Netzstresstest, 2016.

Dena, BET: Höhere Auslastung des Stromnetzes - Maßnahmen zur

höheren Auslastung des Bestandsnetzes durch heute verfügbare

Technologien, 2017

Agora Energiewende, Energynautics: Toolbox für die Stromnetze.

Für die künftige Integration von Erneuerbaren Energien und für das

Engpassmanagement, 2018.