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© Siemens AG 2011
net 2011Goslar, 28. März 2011
Theodor Connor Power Distribution Division,Energy Sector, Siemens AG
Smart Grids in klein –Was kann die Verteilnetztechnik leisten?
Energy Sector28. März 2011Bild 1 © Siemens AG 2011Th. Connor
Geschichte der Stromversorgung
WechselstromGleichstrom
Drehstrom
DrehstromGleichstrom
Gleichstrom
1900 2000
Leistung
BBC
VA
kVA
MVA
GVA
Energy Sector28. März 2011Bild 2 © Siemens AG 2011Th. Connor
Bedeutung der elektrischen Energieversorgung
Licht
Kraft
Heizung
Telefon
Kühlschrank
Radio
Industrie
Medizin
Fernsehen
Computer
KlimaanlageBahn
Waschmaschine
Telegraph
Staubsauger
Bügeleisen
Wirtschaft
Kultur
Gesellschaft
PolitikUmwelt
Energy Sector28. März 2011Bild 3 © Siemens AG 2011Th. Connor
Von der Versorgungsinsel zum Verbundnetz
Erzeugung VerbrauchLage der Ressourcen Steigende Lastdichte
=> Verbundbetrieb
=> Vermaschung
=> Übertragung
Verluste=> Höhere Spannung
Ausfälle
Reserven Lastausgleich
Energy Sector28. März 2011Bild 4 © Siemens AG 2011Th. Connor
Die Struktur des Verteilungsnetzes
Haushalt Industrie
Großkraftwerk
Wasserkraftwerk
0.4 kV
20 kV
110 kV
Schaltplan
Lageplan
Stadtplan
Energy Sector28. März 2011Bild 5 © Siemens AG 2011Th. Connor
Die Geräte im Verteilungsnetz
Öltank-, Trocken-Transformator
Öl-Papier, PVC-, VPE-Isolation von Kabeln
Expansin-, Öl Kessel-, Öldruck-, Vakuum-Leistungschalter
Luft-, Feststoff-, Gas-, hermetisch verschweißte Schaltanlagen
Elektromechanischer, analog elektronischer, digitaler Netzschutz
1960 20001900 1980
Energy Sector28. März 2011Bild 6 © Siemens AG 2011Th. Connor
Der Betrieb des Verteilungsnetzes
Traditionelles Netz
NetzleitstelleLeistungsschalter
Trennschalter
Energy Sector28. März 2011Bild 7 © Siemens AG 2011Th. Connor
Entwicklung der Kohlendioxidkonzentration
CO2 Konzentration
0
100
200
300
400
500
1000 1200 1400 1600 1800 2000
Industrielle Revolution
Energy Sector28. März 2011Bild 8 © Siemens AG 2011Th. Connor
Strom als Teil des Energiebedarfes
Erzeugung
Übertragung
VerteilungElektrizität
Verbrauch
Heizung
Kühlung
Energie Verkehr
Primärenergie Träger
Emissionen
Geographie
Politik
Handel
Soziale Aspekte
Energy Sector28. März 2011Bild 9 © Siemens AG 2011Th. Connor
Unternehmensziele
Unternehmenserfolg
Versorgungsqualität
Preiswerte Energie
Wettbewerb
Regulator
Umwelt
TechnischeMachbarkeit
Energy Sector28. März 2011Bild 10 © Siemens AG 2011Th. Connor
Betrieb eines Elektrizitätsnetzes
Dampf => P
Erregung => U, Q
Drehzahl => f
Übertragung
Verteilung
Verbraucher
Stochastische LastErzeugung
Fahrplan=> Vorhersagbare Last
Bisher keine Speicherung der Elektrizität in großen Mengen möglich !
Energy Sector28. März 2011Bild 11 © Siemens AG 2011Th. Connor
Die Herausforderungen
Dampf => P
Erregung => U, Q
Drehzahl => f
Kraftwerk
Übertragungsnetzbetreiber
Handel
Verteilungsnetzbetreiber
Kunde
Regulator
E-Car
Speicher
Handel
Regenerative
Verteilte ErzeugungSmart
Meter
Energy Sector28. März 2011Bild 12 © Siemens AG 2011Th. Connor
Verteilte Erzeugung
HaushaltBHKW
Solar
Batterie
Industrie KW
WindWasser
Biomasse
Brenn
stoff
zelle
110 kV
20 kV
0.4 kV
+ -
Haushalt Industrie
Großkraftwerk
Wasserkraftwerk
0.4 kV
20 kV
110 kV
Energy Sector28. März 2011Bild 13 © Siemens AG 2011Th. Connor
Einbindung verteilter Erzeuger
Spannungsband
Selektivschutz
Kurzschlussstrom
Spannungsqualität
Zustandsinformation
U
U
Energy Sector28. März 2011Bild 14 © Siemens AG 2011Th. Connor
Möglichkeiten zur verstärkten Integration
5. Leitungsverstärkung
4. Transformator Stufenschalter
3. Einspeisung induktiver Blindleistung
2. Batterie
Last
1. Unmittelbarer Verbrauch
P
P
P
P
Q
P
P
P 6. Vermaschte Netze
Energy Sector28. März 2011Bild 15 © Siemens AG 2011Th. Connor
Entwicklung der Last- und Fehlerströme
Last
Fehler
I max Last
I K max
I K min
TagNacht
Flexible Belastunginnerhalb der Gerätegrenzwerte
Flexible Netzkonfigurationz. B. InselbildungI max Last
I K min
Bisher
Zukünftig
Energy Sector28. März 2011Bild 16 © Siemens AG 2011Th. Connor
Automation des Betriebes
M1SxaS2
S1
M1 S2S1 Sxa Sxb
Sxb
M2
M2
Betrieb mit Erdschlusskompensation
Energy Sector28. März 2011Bild 17 © Siemens AG 2011Th. Connor
Automation des Betriebes
S1S2a S2b
S3
S4
S1 S2a S2b S3 S4
Betrieb mit niederohmiger Sternpunkterdung
Energy Sector28. März 2011Bild 18 © Siemens AG 2011Th. Connor
Micro Grid
Einbindung lokaler Erzeugung
Verschiebung des Ausbaus im Übertragungsnetz
Inselnetzbetrieb
LeistungsfrequenzregelungSpannungshaltung
Synchronisation
Energy Sector28. März 2011Bild 19 © Siemens AG 2011Th. Connor
Smart Meter
Optimierung der Kosten durch Tarif-, Anbieterwahl, Lastkontrolle
Bewusstsein über den Energieverbrauch
Wettbewerb
Optimale Netzauslastung
Laststeuerung
Vereinfachung der Abrechnung
Andere Dienste:Kommunikation
Wasser/Gas
Überwachung
Gesellschaft
Kunden
Öffentlichkeit
EVU
Handel
Energy Sector28. März 2011Bild 20 © Siemens AG 2011Th. Connor
Ziel:
Teilnahme am Handel
Alle Arten der Erzeugung
Schaltbare Lasten, Steuerbare Lasten
Speicher
Demand Side Management
Virtual Power Plant
PV
Batterie
Fuel cell
Co-Gen
Last
Industrie
Wind Park
Kontrollzentrum
Voraussetzungen:
Netz muss die Lastflüsse aufnehmen können, Maximale und minimale Fehlerströme, Spannungsband
Zuverlässige Kommunikation
Energy Sector28. März 2011Bild 21 © Siemens AG 2011Th. Connor
Kurzzeit Modelle:Dauer:1/100 – 1/10 SecZeitschritt : 1 ms
Langzeit Modelle:Dauer: Minuten – TageZeitschritte: 1s – ¼ h
BHKW
Brennstoffzelle
MVDC Kupplung
PV Anlage
Speicher
Windkraft
• Lastfluß, Lastverläufe
• Energiebilanz
• Spannungsqualität
• Verhalten bei Störungen
• Schutzsimulation
Simulation der aktiven Verteilungsnetze
Biomasse
Energy Sector28. März 2011Bild 22 © Siemens AG 2011Th. Connor
Das zukünftige Verteilungsnetz
Zukünftige Netze
Smart meter
Steuerbare Last
ErzeugungZustand
StellungAdaptiert
Temperatur
Netzleitstelle
Energy Sector28. März 2011Bild 23 © Siemens AG 2011Th. Connor
Kommunikationstechniken
Medium Übertragung AnwendungKupferkabel (Zweidraht) Analog, Wechselstromtelegrafie (WT)Kupferkabel (Zweidraht) 8 Mbit/s Telefon, Digital PCM…DSLKoaxialkabel 10 Mbit/s FernsehenLichtwellenleiter Tbit/sTrägerfrequenz (TFH) 300 kbit/s HochspannungsleitungenRichtfunk 100 Mbit/s ÜbertragungsnetzSchmalbandfunk 19 kbit/s Netzstationen, 400 MHzPower Line Carrier (PLC)
Rundsteuerung 0,1 bit/s Laternen, 150 - 800 HzSchmalband 28 kbit/s Netzimpedanzanpassung, 5-95 kHzBreitband 200 Mbit/s 30 MHz
ProviderGSM 60 kBit/s Handy, ab 1990GPRSUMTS 2 Mbit/s Handy, Mail
GSM Global System for Mobile Communication PCM Pulse Code ModulationGPRS General Packet Radio Service DSL Digital Subscriber LineUMTS Universal Mobile Telecommunications System
Energy Sector28. März 2011Bild 24 © Siemens AG 2011Th. Connor
HerstellerLager
Kommunikationspartner
Station
SCADA
Gas
Kunden-information
Erzeuger
Workforce
Händler
Nachbar
Kunden
DMS
Gebäudemgt
WasserHeizung
EMS
Abrechnung
Regulator
Netzplanung Einkauf
DMS - Distribution Management SystemEMS – Energy Management System
Energy Sector28. März 2011Bild 25 © Siemens AG 2011Th. Connor
Der Niederspannungsanschluss
Netzstation
TT-System
TN-C-System
TN-S-System
IT-System
Sicherung
Lasttrennschalter
Einspeisung von erneuerbarer Energie
Radial
E-Netz*
M-Netz**Vermascht
Sicherung
L1
L2
L3
N
PE
3-phase 1-phase
Auslegungskriterien:
• Max. Laststrom
• Spannungsfall
• Min. Fehlerstrom
* Ein-strangig gespeistes NS-Maschennetz
** Mehr-strangig gespeistes NS-Maschennetz
Energy Sector28. März 2011Bild 26 © Siemens AG 2011Th. Connor
Die Ebenen eines smarten Verteilungsnetzes
Physikalische Ebene
Kommunikation
Applikation
Power Line Carrier, Glasfaser, Funk
Meter Data Management, SCADA, Handel
Transformator, Kable, Schalter, Schutzrelais
Energy Sector28. März 2011Bild 27 © Siemens AG 2011Th. Connor
Tool box für effiziente Verteilungsnetze
Steuerung KommunikationZiele
Regeln
Öffentliche Akzeptanz
HGÜ
FACTS
Freileitung
Kabel
GILWasser
Wind
Solar
GuD
GIS
Transformator
Netzstation
Schutz
Überwachung
Wirtschaftlichkeit
Energy Sector28. März 2011Bild 28 © Siemens AG 2011Th. Connor
CO2 Ausstoß wird ständig dargestellt
Kabellose Sensoren und Smart Metering gekoppelt mit Last-
steuerung und marktgerechter Energieversorgungssoftware
Parkplätze mit Aufladestationen für E-Cars, Speicher zum
Ausgleich von Angebots- und Bedarfsspitzen
Große zentrale Kraftwerke werden weiterhin die Grundlastversorgung
sicherstellen
Große und sehr kleine Kraftwerke müssen parallel
gesteuert werden
Großspeicher helfen Angebotsfluktuationen
auszugleichen
Micro Generation (PV) als Teil von “intelligenten Gebäuden”
Eine Vision wird Wirklichkeit:Smart Grid Lösungen von Siemens
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