Studiengang Elektrotechnik LRE 

    

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1 LaborfürelektrischeNetze

1.1 EinleitungDas Modellnetz der HTA‐FR ist ein analoger Emulator eines elektrischen Netzes bestehend aus einem AC  und  einem  DC  Teil.  Das  Wechselstrommodellnetz  wiederspiegelt  einen  Teil  des Hochspannungsnetzes  des  Kantons  Freiburg  und  entspricht  in  hohem  Grade  den  verschiedenen Netzstrukturen eines reellen elektrischen Netzes. Das Netz ist mit Schutzapparaten, Kommunikations‐ und  Steueranlagen  versehen,  welche mit  der  neuen  Norm  ICE  61850  arbeiten.  Die  Topologie  des Gleichstromnetzes entspricht einem fiktiven Netz. Die Anlage ermöglicht den Leistungstransfer über Gleichstromleitungen und kann mit dem AC‐Modellnetz gekoppelt werden. Die Anlage wird benutzt für: 

Die Ausbildung auf Bachelor‐ und Masterstufe, Weiterbildungen (CAS)   Forschungsprojekte  

 

Abbildung 1 : AC‐Modellnetz mit Kontroll‐ und Schutzeinrichtungen 

 Abbildung 2 : Produktionsgruppe 

  

 Abbildung 3 : Leitungsmodell 

 

 

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1.2 AusrüstungAC‐Modellnetz

1.2.1 AC‐ModellnetzDas AC‐Modellnetz ist ein analoger Emulator eines elektrischen Netzes in Form eines 8 m langen Schaltschrankes mit einem Massstab von 1:100‘000 [VA] und enthält: 

Primärtechnik o 380 kV Einführung und Transformator mit Stufenschalter HS‐MS (380 kV : 60kV) o Maschennetz mit 5 Knoten ( Schaltstationen mit verschiedenen Sammelschienen) 

und zehn 60 kV Leitungen, 4 Produktionsgruppen und 2 Lastzentren ( Wirk‐ und Blindleistungen)  

o Zwei 3000 km lange HS‐Leitungen  o FACTS : 2 UPFC welche es ermöglichen den Lastfluss zu kontrollieren  o HVDC (via DC‐Modellnetz) 

Massstäbe 380 kV :  Spannung 1 : 950, Strom 1 : 105.3, Impedanzen 1 : 9  Massstäbe 60 kV :  Spannung 1 : 150, Strom 1 : 667, Impedanzen 1 : 4.44  Sekundärtechnik 

o Schutz und Überwachung der Anlage durch 17 Schutzrelais o Kommunikationsnetz für Schaltstationen o 2 Merging Units (MU), eine digitale MU mit NCIT (Alstom AGILE XMU 800) und eine 

analoge MU (Siemens S SIPROTEC 7SC805) o PMU synchronisiert mit GPS o Netzberechnungssoftware o Digital synchronous switching relay GE RPH3 

 

=~

G

TOUVA

PAYERNE

MONTBOVON

SCHIFFENEN

FRIBOURG

HAUTERIVE

CLEUSONDIXENCE

 

Abbildung 4: Schema AC‐Modellnetz 

 

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1.2.2 Schutz,KontrolleundÜberwachungdesAC‐ModellnetzDie  Steuerung  und  die  Überwachung  des  AC‐Modellnetzes  erfolgt  durch  Schutzrelais  und Feldsteuergeräte (IED) des Typ Siemens SIPROTEC 5, welche an ein Überwachungs‐ und Kontrollsystem angeschlossen sind. Die Schutzrelais sind stand der aktuellen Technik und bieten die Möglichkeit mit dem  Kommunikationsstandard  IEC  61850  zu  arbeiten.  Die  Anlage  wurde  so  konzipiert,  dass  ein Wechsel der Schutzrelais erfolgen kann (Details im Anhang).   

 Abbildung 5 : AC‐Modellnetz mit Schutzrelais der Unterstation Schiffenen 

  

 Abbildung 6 : Schutzrelais Siemens 

SIPROTEC 5  

18 Siemens SIPRTOTEC 5 im Betrieb o 7 Überstromschutzgeräte mit Feldsteuergerät (7SJ) o 2 Distanzschutzgeräte (7SA) o 2 Differentielle Leitungsschutzgeräte (7SD) o 2 Distanz‐ und differentielle Leitungsschutzgeräte (7SL) o 1 Motorschutzgerät (7SK) (Generator) o 1 Sammelschienenschutzgerät (7SS) o 1 Generatorschutzgerät (7UM)  o 1 Transformatorenschutzgerät (7UT) o 1 Feldsteuergerät mit IEC 61870‐104 Schnittstelle (6MD) 

Ein Steuergerät für kontrolliertes Schalten ("controlled switching") GE Grid Solution RPH3 mit analoger oder digitaler (IEC 61850‐9‐2 LE) Messwerterfassung 

Schutzrelais, nicht im AC‐Modellnetz integriert (Reserve und tests) o Siemens  

1 Distanzschutzgerät Siprotec 4 (7SA)   1 Transformatorenschutzgerät Siprotec 4 (7UM)   1 Distanzschutzgerät Siprotec 5 (7SA)   2 Überstromschutzgeräte mit Feldsteuergerät (7SJ) 

o ABB   1 Differentielle Leitungsschutzgeräte (RED 670)  1 Distanzschutzgerät (REL 650)  1 Transformatorenschutzgerät (RET 650)  2 PMU (RES670)  1 Lastabwurf Steuergerät (PML 630) 

 

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1 Schutz‐ und Steuergerät (REF 615) 

1.2.3 TelekommunikationDas AC‐Modellnetz ist mit modernen Telekommunikationssystem ausgerüstet welches in der Lage ist, die neuen Protokolle (IEC 61850), zu verarbeiten. 

Apparate o Optisches und konventionelles Netz o Industrielle Switchs  Siemens 

RUGGEDCOM 940G et  950G o Industrielle Switchs Cisco IE 2000U o Industrieller Router CGR 1120 o Redundante Kommunikation 

(teilweise) mit IEC 62339 (HSR+PRP) o Kommunikation innerhalb der 

Schaltstationen mit der Norm IEC 61850‐8‐1 (GOOSE+MMS) 

o Kommunikation zwischen den Schaltstationen und  der Netzleitstelle mit der Norm IEC 61870‐104 

o 2 Merging Units (Alstom AGILE XMU 800 et Siemens SIPROTEC 7SC805), Kommunikation mit  IEC 61850‐9‐2 (Sampled values)  

o IEEE 1588 / PTP Grandmaster Clock mit integriertem GPS‐Receiver OMICRON OTMC 100p 

o IEEE 1588 / PTP Time Converter OMICRON TICRO 100 

o 4 OMICRON ISIO 200 Binary input/output (I/0) terminal with IEC 61850 interface  

Engineering der Schaltstationen und dem Netz, Werkzeuge 

o DIGSI 5 o Stream X (Romande Energie) o SCIAM PAS o SICAM 230 

Arbeitsplatz  Überwachung mit SIEMENS SICAM 230  Wifi Netz für jede Schaltanlage 

 Abbildung 7 :Telekommunikationsschaltschrank 

 

 

 

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 Abbildung 8 : Telekommunikationsarchitektur 

1.2.4 Messtechnik PMU  Universelles Schutzprüfgerät und Inbetriebnahmewerkzeug OMICRON CMC 356  Hybrider Signalanalysator für Schutz‐ und Automatisierungssysteme OMICRON DANEO 400  Oszilloskope ROHDE & SCHWARZ RTO 2004  IED Scout  Siemens SIGRA 

  

   

 

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1.3 DC‐ModellnetzBeim DC‐ Modellnetz handelt es sich um einen analogen Netzemulator mit folgenden Kenndaten: 

Massstäbe : Spannung  1 :1000, Strom 1 :1000, Impedanzen 1 :1 

5 kVA pro Umrichter  6 Freileitungssegmente   16 Kabelleitungssegmente  Jedes Segmente modelliert eine Länge von 

100 km und kann als Monopol oder Dipol betrieben werden 

8 AC/DC‐Umrichter Siemens SINAMICS (Spannung AC 380‐ 480, Strom AC 27 A, Leistung 16 kW) 

Implementierte Kontrollstrategien : Spannungssteuerung, Leistungssteuerung und PU‐Steuerung 

SCADA mit integrierter Lastflussberechnung für die Steuerung der Anlage 

Eine Netzsteuerung basierend auf LabVIEW 

 Abbildung 9 : DC‐Modellnetz 

 

1

2 4

VSC1 VSC5

VSC2 VSC4

L15

L24

L12 L45

Montbovon Payerne

5

Charge (S21/S22)

440 W

Hauterive Plateforme 3

Hauterive (HT)L01

L231 L232

L241L242

L34

399 Vac407 Vac

416 Vac

423 Vac 421 Vac

412 Vdc

410 Vdc

423 Vdc

411 Vdc

3.7 A

1 A

1 A 3.7 A

1100 W 3200 W

800 W 1200 W

2.7/2.8 Ω

100 mH

 

Abbildung 10 : Beispieltopologie mit Verbindungen zum AC‐Modellnetz 

 

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1.4 PV‐Anlage3 Felder mit total 1.5 kWp 

Jedes Feld besteht aus: 

15 Module MSX 64 Solarex (polycristalin)  8.5 m2  240 VDC / 960 Wp  U0 = 319.5 V  Icc = 4.1 A 

 

1.5 Niederspannungs‐ModellnetzDas Niederspannungs ‐ Modellnetz ist ein Emulator, in Form von zwei Schaltschränken, mit folgenden Charakteristiken: 

Massstäbe : Spannung 1 : 1, Strom 1 :7, Impedanzen 7:1, Leistung  1 : 7 [VA] 

12 Leitungsmodelle mit verschiedenen Längen  

o 2 Leitungen an 100 m o 2 Leitungen an 50 m o 8 Leitungen an 10 m 

10 Kabelmodelle mit verschiedenen Längen 

o 1 Kabelleitungen an 100 m o 4 Kabelleitungen an 50 m o 5 Kabelleitungen an 20 m 

2 DC‐Quellen von 10.5 kW  2 AC/DC‐Umrichter von 8 kW, fähig mit IEC 

61850 zu kommunizieren   1 Transformator mit 100 kVA  10 Smartmeter Kamstrup 

  

Abbildung 11 : NS‐Modellnetz  

 

   

 

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2 Anhang

PUPITREA2

T121

Solaire EIA-FR

T123

>L45 (80MVA)<

>L242 (30MVA)<

LL1

PUPITREA1

PUPITREA3

B51

=~

G

TOUVA

PAYERNE

MONTBOVON

SCHIFFENEN

FRIBOURG

HAUTERIVE

CLEUSONDIXENCE

L01(250MVA)

1/3 P 2/3 P

L251 (50MVA)

L252 (50MVA)

L562 (30MVA)

L561 (30MVA)

LL2

L241 (30MVA)

L231 (40MVA)

L232 (40MVA)

S42(30MW - 30Mvar)

1/3 S 2/3 S

1/3 S 2/3 S

1/3 S 2/3 S

A51(150MVA)

A11(300MVA)

A31(100MVA)

T122

A61

B52

B6

B21

B22

B1

B7B3

B42

B41

PUPITREA2

PUPITREA3

S6

SJ

SK

SD

SJSD

SA

UT

SJ

SJ

MD

SJSASJSL

SL

SS

SJ

S21(19MW 12Mvar)

S22(19MW - 12Mvar)

(50MVA)

L34b

L34a''

L34c

L34a’

A52(100MVA)

S41(25MW)

RPH

XMU

MD

 

 

Kontakt: Patrick Favre‐Perrod, patrick.favre‐perrod@hefr.ch, +41 26 429 65 88