Praktikum BENT 10: Lastfluss- und · PDF fileSimulationen mit Neplan Seite 4 3 Simulationen mit Neplan 3.1 Netzmodellierung Abbildung 1: Grafische Oberfläche des Netzberechnungsprogramms

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft

Die Anleitung ist von jedem Teilnehmer vor Versuchsbeginn gewissenhaft durchzuarbeiten.

Stand: 11.01.2017

Praktikum BENT 10

Lastfluss- und Kurzschlusssimulationen mit dem

Netzberechnungs-Programm Neplan

Inhaltsverzeichnis Seite II

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung .................................................................................................................. 1

2 Theoretische Grundlagen .......................................................................................... 2

2.1 Lastflussberechnung .................................................................................................... 2

2.2 Kurzschlussstromberechnung ..................................................................................... 3

3 Simulationen mit Neplan ......................................................................................... 4

3.1 Netzmodellierung ........................................................................................................ 4


3.3 Kurzschlussberechnung ............................................................................................... 6

4 Aufgaben .................................................................................................................. 7

4.1 Netzmodellierung ........................................................................................................ 7


4.3 Kurzschlussberechnung ............................................................................................... 8

4.4 Windkraftanlage .......................................................................................................... 8

5 Anhang: Zur Modellierung benötigte Daten ............................................................... 9

Einleitung Seite 1

1 Einleitung

Für die Planung und den Betrieb elektrischer Energieversorgungssysteme ist ein leistungsfähi-

ges Tool zur Simulation der Betriebszustände des elektrischen Netzes erforderlich. Mit diesem

Programm werden wichtige Größen wie Spannungsbeträge, Betriebsmittelauslastungen und

Kurzschlussströme berechnet und ausgewertet. Die Voraussetzung für die Nutzung eines

Netzberechnungsprogramms besteht in einer korrekten Hinterlegung des entsprechenden

elektrischen Netzes. Dabei muss das Netzberechnungsprogramm in der Lage sein, die real im

Netz vorhandenen Betriebsmittel durch geeignete Modelle abzubilden. Im Gegensatz zu Ent-

wicklungsprogrammen wie z.B. MATLAB bieten Netzberechnungsprogramme ein komplettes

Paket mit verschiedenen bereits hinterlegten Verfahren zur Netzberechnung. Darüber hinaus

sind Bibliotheken verfügbar, aus denen die verschiedenen Betriebsmittel wie z.B. Kabel, Trans-

formatoren und Generatoren ausgewählt und gegebenenfalls modifiziert werden können.

Im vorliegenden Versuch soll das Programm Neplan der Firma ABB als ein derartiges Simula-

tionsprogramm vorgestellt und für verschiedene Simulationen benutzt werden. Das Ziel des

Versuchs ist es, sich mit dem Umgang eines professionellen Programmpakets zur Netzberech-

nung vertraut zu machen und die theoretisch vorgestellten Verfahren zur Lastfluss- und Kurz-

schlussberechnung an einem Beispielnetz anzuwenden.

Theoretische Grundlagen Seite 2

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Lastflussberechnung

Die Lastflussberechnung dient der Bestimmung des Betriebszustands des elektrischen Ener-

gieversorgungssystems. Zunächst wird das Spannungsprofil des gesamten Netzes ermittelt.

Ausgehend von den komplexen Knotenspannungen können im Anschluss die Leistungsflüsse

über die einzelnen Elemente bestimmt werden.

Die Topologie des Netzes und die Admittanzen der einzelnen Betriebsmittel werden in der

Knotenadmittanzmatrix dargestellt. Bevor das Gleichungssystem aufgestellt werden kann,

muss eine Klassierung der Knoten vorgenommen werden. Prinzipiell gehören zu jedem Knoten

sechs Variablen: Die eingespeiste Wirk- und Blindleistung PGi bzw. QGi, die Wirk- und Blindlast

PLi bzw. QLi des Knotens sowie der Spannungsbetrag U und -winkel . Da für jeden Knoten nur

zwei Gleichungen vorhanden sind, dürfen auch nur zwei Variablen unbekannt bleiben. Für ei-

nen Lastknoten (P-Q-Knoten) sind nur der Spannungsbetrag Ui und der Spannungswinkel i

unbekannt, da angenommen wird, dass die vorhandene Last dieses Knotens bekannt ist und

keine Einspeiseleistung vorhanden ist. Für einen Einspeiseknoten (P-U-Knoten) wird von ei-

nem bekannten Spannungsbetrag und einer bestimmten Wirkleistungseinspeisung ausgegan-

gen, so dass die Blindleistungseinspeisung und der Spannungswinkel unbekannt sind. Zur Vor-

gabe einer Referenzspannung und Deckung der bisher nicht gedeckten Wirk- und Blindleis-

tung wird ein Referenzknoten benötigt. An diesem Knoten wird ein fester Spannungsbetrag

und -winkel vorgegeben. Bei bekannter Last werden für diesen Knoten die Wirk- und Blind-

leistungseinspeisungen ermittelt.

Zur iterativen Lösung der 2n nichtlinearen Gleichungen wird das Newton-Raphson-Verfahren

angewendet. Nach Lösung dieser Gleichungen ist der Betriebszustand des Netzes vollständig

bestimmt. Abschließend lassen sich die Leistungsflüsse über die einzelnen Betriebsmittel aus

dem Spannungsprofil und der Knotenadmittanzmatrix berechnen. Anhand der bestimmten

Ergebnisse lässt sich beurteilen, ob eine Verletzung der Spannungsbänder oder eine Überlas-

tung einzelner Betriebsmittel vorliegt.

Theoretische Grundlagen Seite 3

2.2 Kurzschlussstromberechnung

Ebenso wie die Lastflussberechnung zählt die Berechnung der Kurzschlussströme zu den fun-

damentalen Verfahren für den Netzbetrieb und die Netzplanung. Dabei spielt der dreipolige

Fehler eine besondere Rolle. Er führt im Allgemeinen zu dem größten zu erwartenden Fehler-

strom. Dieser größte Fehlerstrom ist zum einen für die Ausschaltleistung der Leistungsschalter

maßgeblich, zum anderen muss er zum Einstellen der Schutzeinrichtungen bekannt sein. Da

es sich bei einem Kurzschluss um einen dynamischen Vorgang handelt, kann der auftretende

Kurzschlussstrom in verschiedene Zeitbereiche unterteilt werden. Der Effektivwert des An-

fangskurzschlusswechselstroms (subtransienter Kurzschlussstrom) wird mit kI bezeichnet.

Dieser subtransiente Anteil klingt innerhalb von 3 bis 6 Sekunden ab und geht schließlich in

den transienten Kurzschlusswechselstrom kI über. Nach einigen Sekunden erreicht der Kurz-

schlussstrom dann ein stationäres Verhalten und wird als kI bezeichnet. Von großer Bedeu-

tung für die mechanische Belastung der Betriebsmittel ist der maximal auftretende Scheitel-

wert des Kurzschlussstroms ip. Dieser Wert errechnet sich über einen vom Verhältnis R/X des

Netzes abhängenden Faktor aus dem subtransienten Kurzschlussstrom kI .

Für symmetrische Fehler reicht es aus, die einphasige Darstellung des Netzes zu betrachten,

während unsymmetrische Fehler (z.B. einpoliger Erdschluss) mit Hilfe der symmetrischen

Komponenten behandelt werden müssen.

Grundsätzlich beruht das Verfahren zur Berechnung der Kurzschlussströme auf dem Satz von

Thévenin. Dieser besagt, dass die Spannungs- und Stromänderungen, die sich bei Einfügen

einer Impedanz zwischen zwei Knoten des Netzes ergeben, mit den Änderungen identisch

sind, die sich bei Einfügen einer in Reihe geschalteten Ersatzspannungsquelle ergeben, wenn

diese die Spannung aufweist, wie sie vor Einfügen der Impedanz vorhanden war. Qualitativ

ergibt sich der Anfangskurzschlussstrom also aus der Überlagerung des Betriebsstroms vor

Eintreten des Fehlers und dem nach dem Satz von Thévenin errechneten Anfangskurzschluss-

strom.

Simulationen mit Neplan Seite 4

3 Simulationen mit Neplan

3.1 Netzmodellierung

Abbildung 1: Grafische Oberfläche des Netzberechnungsprogramms Neplan

Das Programm Neplan© verfügt über eine grafische Oberfläche, wie sie in Abbildung 1 für ein

kleines Beispielnetz gezeigt ist. Die grafische Oberfläche besteht aus fünf Teilen. Im oberen

Bereich ist die Symbol- und Menüleiste dargestellt (1). Aus dieser Leiste können die verschie-

denen Netzberechnungen gestartet werden und unterschiedliche Einstellungen vorgenom-

men werden. Am rechten Rand des Fensters befindet sich ein Symbolfenster (2). Hier sind alle

Betriebsmittel enthalten, die zur Modellierung des elektrischen Netzes benutzt werden kön-

nen. Dieses Fenster ist in vier Kategorien gegliedert, wobei hauptsächlich eine Unterscheidung

nach der Knotenanzahl der Betriebsmittel vorgenommen wird. Darüber hinaus können auch

die Schutzgeräte und Schalter aus diesem Bereich ausgewählt werden. Die Auswahl eines Ele-

ments aus dem Symbolfenster erfolgt durch „Drag & Drop“ auf das eigentliche Arbeits- und

Zeichenfenster (3). Im linken Teil des Programmfensters befindet sich der sogenannte Varian-

ten-Manager (4). Dieser Teil gibt Aufschluss über die momentan geöffneten Projekte und Va-

rianten. Unterhalb des Arbeits- und Zeichenfensters wird eine Statuszeile eingeblendet, in

welcher der Programmablauf und eventuelle Fehlermeldungen aufgelistet werden (5).

1

2

3

4

5


Sobald ein Element aus dem Symbolfenster auf dem Arbeitsfenster platziert wurde, öffnet

sich ein Menü zum Einstellen der betriebsmittelabhängigen Parameter. Ein solches Fenster ist

in Abbildung 2 beispielhaft für ein 10-kV-Kabel dargestellt:

Abbildung 2: Fenster zum Einstellen der Betriebsmitteldaten eines Kabels

Die auf dem Arbeitsfenster platzierten Elemente müssen mit dem Befehl „Symbole verbinden“

elektrisch miteinander verbunden werden. Sammelschienen können mit dem Befehl „Sam-

melschiene einfügen“ und Leitungen zwischen Sammelschienen mit dem Befehl „Leitung ein-

fügen“ hinzugefügt werden (siehe Symbolleiste rechts oben). Nach Fertigstellung des Netzmo-

dells kann die gewünschte Berechnung aus der Menüleiste ausgewählt und gestartet werden.

Dabei lassen sich vorher über den Menüpunkt „Parameter“ sowohl die Berechnungsmethode

selbst z.B. Newton-Raphson als auch spezifische Einstellwerte dieser Methode auswählen.

Hinweise zur Programmbedienung:

Beim Anlegen eines neuen Projekts sollte als Zeichenfläche „A0“ gewählt werden.

Für eine übersichtliche Darstellung inkl. der Berechnungsergebnisse sollten alle Ele-

mente mit ausreichend Abstand auf der Zeichenfläche platziert werden.

Über das Kontextmenü (Rechtsklick auf ein Element) „In Tabelle anzeigen“ lassen

sich die Parameter aller Betriebsmittel eines Typs (z.B. Transformator) tabellarisch dar-

stellen und bearbeiten.



Die Lastflussberechnung kann entweder zeitaufgelöst oder zeitunabhängig ausgeführt wer-

den. Für eine zeitaufgelöste Lastflussberechnung müssen der Zeitraum und die jeweiligen

Lastprofile an den entsprechenden Knoten definiert werden. Wurde ein Lastknoten hinzuge-

fügt, so kann entweder die abgenommene Wirkleistung und der Leistungsfaktor cos oder

die Wirk- und Blindleistung angegeben werden. Vor der Lastflussberechnung können im Menü

„Parameter“ einige Einstellungen vorgenommen werden, unter anderem kann das Berech-

nungsverfahren ausgewählt werden und entschieden werden, ob z.B. eine Stufung der Trans-

formatoren berücksichtigt werden soll. Die Ausgabe der Ergebnisse erfolgt zum Teil direkt

durch Einblendung an den jeweiligen Knoten. So werden der prozentuale Spannungsbetrag

und der Phasenwinkel an allen Knoten dargestellt. Des Weiteren wird der Wirk- und Blindleis-

tungsfluss über die einzelnen Betriebsmittel sowie die abgenommene bzw. eingespeiste Wirk-

und Blindleistung für alle Last- und Einspeiseknoten angezeigt. Eine detaillierte Liste aller er-

mittelten Ergebnisse kann in Tabellenform über das Menü „Berechnung Lastfluss Para-

meter Ergebnisanzeige“ abgerufen werden.

3.3 Kurzschlussberechnung

Die Kurzschlussstromberechnung kann sowohl für symmetrische als auch für unsymmetrische

Fehler durchgeführt werden. Analog zur Lastflussberechnung können im Menü „Parameter“

verschiedene Einstellungen vorgenommen werden. Neben der Auswahl des Berechnungsver-

fahrens und der Fehlerknoten können die Fehlerart (einpolig, zweipolig etc.) und der Fehler-

widerstand vorgegeben werden. Die Zuweisung der Ergebnisse erfolgt ebenfalls analog zur

Lastflussberechnung. Am Fehlerknoten selbst werden der Anfangskurzschlussstrom kI , die

Kurzschlussleistung kS und der Stoßkurzschlussstrom pi einer Phase angezeigt. Für die an-

grenzenden Betriebsmittel werden die Teilkurzschlussströme und -leistungen angezeigt. Wie

weit vom Fehlerort entfernt die Anzeige der Ergebnisse erfolgen soll, muss im Menü „Berech-

nung Kurzschluss Parameter“ eingestellt werden.

Aufgaben Seite 7

4 Aufgaben

4.1 Netzmodellierung

Im Folgenden soll der in Abbildung 3 dargestellte Ausschnitt aus einem 10-kV-Mittelspan-

nungsnetz unter Neplan modelliert werden. Die Speisung dieses Netzes erfolgt über einen

40-MVA-Transformator aus einem überlagerten 110-kV-Netz. Zur Anpassung der Spannung

des Mittelspannungsnetzes ist der 110-/10-kV-Transformator mit einer Spannungsregelung

ausgestattet, deren Sollwert auf 103 % eingestellt ist. Das nicht nachgebildete Netz und die

enthaltenen Lasten sind in Form einer Ersatzlast ersZ zu modellieren. Als Lasten sind sowohl

Haushalte als auch Sondervertragskunden (SVK) angeschlossen. Die einzelnen Ortsnetze sol-

len vereinfacht als Last auf der Unterspannungsseite der Ortsnetztransformatoren (Ortsnetz-

stationen, ONS) modelliert werden. Die Daten des Netzes sind im Anhang in Kapitel 5 aufge-

führt.

Abbildung 3: Netzausschnitt eines 10-kV-Netzes

ONS 4

ONS 5

ONS 1

ONS 2

SVK 1

ONS 3

ONS 10

ONS 9

ONS 7

ONS 8

ONS 6

SVK 3

SVK 2

A

SS

N

M

L

K

J

I

H

GF

E

D

C

B

110 kV-Netz

Zers

110/10-kV-

Transformator

Aufgaben Seite 8


Für das in Kapitel 4.1 modellierte Netz soll eine Lastflussberechnung durchgeführt werden.

Die Ergebnisse sollen im Hinblick auf Betriebsmittelbelastungen und Spannungsbandverlet-

zungen überprüft werden. Für die Spannungsbeträge auf der Oberspannungsseite der Orts-

netztransformatoren muss dabei gelten:

NNN UUU 06,1985,0

4.3 Kurzschlussberechnung

Zur Kontrolle der Kurzschlussfestigkeit der Anlagen und Betriebsmittel ist eine Kurzschluss-

stromberechnung durchzuführen. Bei einer Auslegung der Anlagen in den Netzstationen im

10-kV-Netz für MVA250Sk beträgt der maximal zulässige Kurzschlussstrom kA4,14Ik .

Die Betriebsmittel der 110-/10-kV-Umspannanlage sind für MVASk 350 und kAI k 2,20

ausgelegt.

4.4 Windkraftanlage

Am Knoten A des Netzes soll eine Windkraftanlage mit einer Generatornennleistung von

PG = 2,5 MW angeschlossen werden. Es handelt sich hierbei um eine Anlage mit doppelt ge-

speister Asynchronmaschine. Für die Lastflussberechnung wird die Anlage in einem Arbeits-

punkt mit einer mechanischen Antriebsleistung von Pmech = -2 MW betrieben (da die Asyn-

chronmaschine als Motor modelliert ist, ist hier das negative Vorzeichen zu beachten). Der

Anschluss der Windkraftanlage an das Mittelspannungsnetz erfolgt über einen 10-/0,69-kV-

Transformator mit einer Nennleistung von 3 MVA.

a) Zunächst soll geprüft werden, ob durch den Anschluss der Windkraftanlage eine Über-

schreitung der zulässigen Kurzschlussströme verursacht wird.

b) Nach den Richtlinien für den Parallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen am Mittelspan-

nungsnetz darf die bei maximaler Einspeisung (Pmech,max = -2,631 MW) hervorgerufene

Spannungsanhebung am Verknüpfungspunkt nur maximal 2 % über dem Wert ohne Ein-

speisung liegen. Es ist daher zu kontrollieren, ob der in der Richtlinie vorgeschriebene Ma-

ximalwert in diesem Fall eingehalten wird. Für den Knoten muss für diese Überprüfung der

PC-Knotentyp eingestellt werden. Die Spannungsanhebung muss sowohl für induktive als

auch für kapazitive Blindleistungseinspeisung überprüft werden.

Anhang: Zur Modellierung benötigte Daten Seite 9

5 Anhang: Zur Modellierung benötigte Daten

110-kV-Netzeinspeisung:

maxkS = 1,5 GVA R1/X1max = 0,1

Ersatzlast:

PErs = 22,29 MW cos = 0,9

Transformatoren:

110/10 kV SR = 40 MVA; URr(1) = 0,4 %; Ukr(1) = 10 %, geregelt; Usoll = 103 %;

Stufemin = -13; Stufemax = 13; Stufer = 0; Stufeakt = 0; Delta U = 1,692 %

10/0,4 kV (ONS 1 - ONS 10) SR = 400 kVA; URr(1) = 1,15 %; Ukr(1) = 4 %

10/0,4 kV (SVK 1, SVK 3) SR = 250 kVA; URr(1) = 1,3 %; Ukr(1) = 4 %

Lasten:

ONS 1 P = 300 kW, cos = 0,9 ONS 2 P = 350 kW, cos = 0,9





SVK 1 P = 130 kW, cos = 0,9 SVK 2 P = 3 MW, cos = 0,9

SVK 3 P = 130 kW, cos = 0,9

WKA:

Ur = 0,69 kV PG = 2,5 MW Pmech = -2 MW Pmech,max = -2,631 MW

Ia/Ir = 12,3 cos (Sr,sr) = 0,85 Polpaarzahl = 3 Wirkungsgrad (Sr,sr) = 0,95

10-/0,69-kV-Transformator:

Sr = 3 MVA URr(1) = 1,06 % Ukr(1) = 6 %

Anhang: Zur Modellierung benötigte Daten Seite 10

Leitungen, Kabel:

Von Knoten

Nach Knoten

Länge [km]

R(1)

[/km]

X(1)

[/km]

C(1)

[F/km]

G(1)

[S/km] Ir,max [A]

SS A 1,5 0,16 0,116 0,37 0 287

A B 1,4 0,3 0,1 0,4 0 200

B C 1,2 0,2 0,1 0,03 0 316

C D 1,7 0,32 0,1 0,43 0 200

D E 1 0,32 0,1 0,43 0 200

E F 1,1 0,2 0,1 0,37 0 316

F G 0,4 0,2 0,1 0,37 0 316

G H 0,2 0,22 0,11 0,38 0 200

H I 0,2 0,22 0,11 0,38 0 200

I J 0,5 0,33 0,1 0,43 0 200

J K 0,3 0,32 0,1 0,43 0 200

K L 0,15 0,2 0,1 0,37 0 316

L M 2,8 0,36 0,26 0,19 0 200

M SS 0,69 0,32 0,1 0,43 0 200

SS I 3,2 0,12 0,1 0,44 0 416

I N 1,47 0,21 0,11 0,36 0 316

N A 1,58 0,21 0,11 0,37 0 316

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