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 11

Netzplanung mit DIgSILENT PowerFactory

Inhaltsverzeichnis Seite II

Inhaltsverzeichnis

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

2 Grundlagen der Netzplanung ..................................................................................... 2

2.1 Notwendigkeit der Netzplanung ................................................................................. 2

2.2 Technische Planungskriterien ...................................................................................... 3

2.2.1 Lastfluss ................................................................................................................ 3

2.2.2 Kurzschlussleistung .............................................................................................. 3

2.3 Überprüfung einer Planungsvariante .......................................................................... 4

3 Netzberechnungsprogramm DIgSILENT PowerFactory ................................................ 5

3.1 Die Programmoberfläche ............................................................................................ 5

4 Aufgabe .................................................................................................................... 8

4.1 Aktuelle Situation ........................................................................................................ 8

4.2 Variante „1:1-Ersatz“ ................................................................................................. 10

4.3 Variante „Wegfall 30 kV“ ........................................................................................... 11

4.4 Variante „kombinierte 110-/30-kV-Lösung“ ............................................................. 13

Einleitung Seite 1

1 Einleitung

Bei der Planung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes muss der Netzbetreiber unter-

schiedliche Kriterien berücksichtigen. Auf Grund des aufwändigen Planungsprozesses und der

hohen Investitionskosten ist nach einer langfristig wirtschaftlichen und technischen optimalen

Lösung zu suchen. Neben den technischen Eigenschaften der Betriebsmittel müssen insbeson-

dere bei Erneuerungsmaßnahmen bestehende Strukturen bei der Planung berücksichtigt wer-

den. Um die geforderte Zuverlässigkeit nicht zu gefährden, ist eine Dimensionierung mit aus-

reichenden Sicherheitsreserven notwendig. Durch diese drei Eigenschaften (Wirtschaftlich-

keit, netztechnischer Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit) ergibt sich ein Spannungsdreieck

nach Abbildung 1, aus dem eine geeignete Lösung gefunden werden muss:

Abbildung 1: Spannungsdreieck

Mit Hilfe des Netzberechnungsprogrammes DIgSILENT PowerFactory werden in diesem Prak-

tikumsversuch Varianten einer Netzplanung auf ihre technischen Eigenschaften hin unter-

sucht.

Wirtschaftlichkeit

Netztechnische

LeistungsfähigkeitZuverlässigkeit

Grundlagen der Netzplanung Seite 2

2 Grundlagen der Netzplanung

2.1 Notwendigkeit der Netzplanung

Die Neuplanung eines Netzbereiches findet statt, wenn externe Einflüsse eine Veränderung

der Netztopologie oder die Altersstruktur dies erforderlich machen. Dazu können sowohl Kun-

denwünsche nach einer höheren Kurzschluss-, Wirk- oder Blindleistung oder einer höheren

Versorgungssicherheit zählen als auch Ausweisungen von Gewerbe- und Neubaugebieten.

Ebenso sind Instandhaltungsmaßnahmen anderer Versorgungsstrukturen Anlass zur Anpas-

sung des elektrischen Netzes.

Ein optimales Konzept für die Neuplanung kann nur erreicht werden, wenn eine Gesamtbe-

trachtung aller Teilziele erfolgt, die häufig widersprüchlich sind. Minimale Errichtungs- und

Betriebskosten und die gewünschte Verträglichkeit mit der Umwelt stehen im Gegensatz zur

Versorgungszuverlässigkeit und einer optimalen technischen Funktion. Typischerweise wer-

den die Netze anhand ihrer Aufgabe in die Klassen Transport- oder Verteilnetze aufgeteilt. Der

Ablauf des Planungsprozesses ist in Abbildung 2 dargestellt:

Abbildung 2: Ablauf des Planungsprozesses

Planungsaufgabe

Fortlaufende Überprüfung

der Planungsziele u. -

voraussetzungen

„Rollierende“ Planung

Betrieb

Projektierung und Bau

Entscheidung der

Unternehmensleitung

Iterative Optimierung der

Varianten

Sensitivitätsanalyse durch

ParametervariationVergleichende Bewertung

u. Reihung der Varianten

Modellbildung und

Betriebssimulation zur

Überprüfung der

Randbedingungen

Erstellung von

Planungsvarianten

Problemanalyse

Randbedingungen

Grundlagen der Netzplanung Seite 3

2.2 Technische Planungskriterien

Aus technischer Sicht wird ein minimal notwendiges Netz angestrebt, in dem Netzengpässe

und gleichzeitig redundante Netzverbindungen vermieden werden. Einheitliche Netzstruktu-

ren und Standards sollten Anwendung finden, um den Betriebsaufwand zu reduzieren. Zur

technischen Überprüfung der entwickelten Netzplanungen werden Lastfluss- und Kurzschluss-

berechnungen durchgeführt.

2.2.1 Lastfluss

Bei der Lastflussberechnung kann die Strombelastung der einzelnen Netzzweige und der zu

erwartende Wirk- und Blindleistungsfluss ermittelt werden. Zusätzlich stehen die Spannungen

an den Netzknoten zur Verfügung. Die Ergebnisse der Lastflussberechnung werden verwen-

det, um thermische Überlastungen bei Kabeln und Freileitungen oder unzulässige Spannungs-

bereiche an Netzknoten zu finden.

In Verteilnetzen wird in der 10-kV- und 30-kV-Ebene (n-1)-Sicherheit gefordert, d.h. bei Ausfall

eines beliebigen Betriebsmittels darf es keine Einschränkungen in der Versorgung geben. Die

entstandenen Varianten für einen zu überplanenden Netzbereich werden daher mit Hilfe der

Lastflussrechnung auf das (n-1)-Kriterium geprüft. Hierzu werden einzelne Betriebsmittel au-

ßer Betrieb genommen und die Erfüllung der Versorgung durch die verbliebenen Betriebsmit-

tel betrachtet.

In den Umspannanlagen muss die installierte Transformatorleistung (n-1)-sicher den Leis-

tungsbedarf decken. Es muss also auf die Höhe der gesicherten Transformatorleistung geach-

tet werden. Bei der Planung von elektrischen Netzen werden Schwankungen der Spannung

zugelassen, wenn diese in folgendem Intervall liegen:

0,95 ≤ 𝑈N ≤ 1,05

2.2.2 Kurzschlussleistung

Neben den zu erwartenden Belastungen der Betriebsmittel im Normalbetrieb ist für die Aus-

legung der Betriebsmittel die im Falle eines Kurzschlusses auftretende Kurzschlussleistung

wichtig. Anhand der Simulation dreipoliger Kurzschlüsse kann die notwendige thermische

Kurzschlussfestigkeit und mechanische Bemessung festgelegt werden. Das Ein- und Ausschalt-

vermögen von Leistungs- und Lastschaltern wird anhand der Kurzschlussleistung bemessen.

Die Kurzschlussleistung darf nicht zu groß werden, damit die Schalter bei einem Kurzschluss

noch sicher abschalten können. Auf der anderen Seite muss eine minimale Kurzschlussleistung

aus Gründen der Netzstabilität und Spannungshaltung eingehalten werden. Der minimal auf-

Grundlagen der Netzplanung Seite 4

tretende Kurzschlussstrom muss von den Schutzgeräten im Netz noch als Fehlerstrom detek-

tiert werden können. Eine Übersicht über die minimalen Kurzschlussleistungen in den einzel-

nen Spannungsebenen im Verteilnetz gibt Tabelle 1:

Spannungsebene Minimale Kurzschlussleistung

110 kV 1000 MVA

30 kV 80 MVA

10 kV 20 MVA

1 kV 0,6 MVA

Tabelle 1: Minimale Kurzschlussleistungen

2.3 Überprüfung einer Planungsvariante

Die Netzvarianten werden auf mögliche Überlastungen im Normalbetrieb und im Fehlerfall

überprüft, mit dem Ziel, Netzengpässe zu erkennen. Bei vergleichbaren Lösungsvarianten wer-

den zur Entscheidungsfindung zukünftige Entwicklungen zusätzlich betrachtet, wie beispiels-

weise ein erneuter Lastanstieg, die mögliche Ausweisung eines neuen Gewerbegebiets oder

der Wegfall von Schwerindustrie.1

1 Quelle: Jendernalik, Lars: Skript zur Vorlesung „Betrieb und Aufbau von Netzen“, Stand Wintersemester 2009

Netzberechnungsprogramm DIgSILENT PowerFactory Seite 5

3 Netzberechnungsprogramm DIgSILENT PowerFactory

Mit dem Netzberechnungsprogramm DIgSILENT PowerFactory können statische und dynami-

sche Berechnungen in Modellen elektrischer Netze durchgeführt werden. Der Praktikumsver-

such beschränkt sich hierbei nur auf statische Lastfluss- und Kurzschlussberechnungen.

3.1 Die Programmoberfläche

Nach dem Anmelden bei DIgSILENT PowerFactory sieht das sich öffnende Fenster wie in Ab-

bildung 3 aus. Es gibt vier wesentliche Bereiche. Bereich A zeigt das aktivierte Netzmodell an.

Bereich B stellt einige wichtige Funktionen dar, die direkt angewählt werden können, ohne in

der Menüleiste suchen zu müssen. Die Betriebsmittel, die verwendet werden sollen, können

in C ausgewählt werden. In der Textausgabe D werden Fehlermeldungen oder Ergebnisse an-

gezeigt. Schaltfläche 1 öffnet den Datenmanager, der in Abbildung 4 abgebildet ist. Die Schalt-

flächen bei 2 starten Berechnungen wie Kurzschluss (roter Blitz) oder Lastfluss (schwarzer

Pfeil). Über die Schaltflächen bei 3 lassen sich Ausfallrechnungen (n-1) durchführen.

Abbildung 3: Programmoberfläche

A

B

C

D

3 2 1

Netzberechnungsprogramm DIgSILENT PowerFactory Seite 6

Abbildung 4: Datenmanager

Im Datenmanager können u.a. die Projekte des angemeldeten Benutzers (in der Abbildung:

„student“) eingesehen werden. Das aktivierte Projekt („BENT 11“) ist fett gedruckt. Eine Netz-

variante oder ein Berechnungsfall kann in dem Menü, das sich bei Rechtsklick auf die Variante

öffnet, aktiviert werden. So können für einen Netzbereich mehrere Ausbauvarianten in einem

Projekt gespeichert werden. In der Bibliothek sind die im Projekt verwendeten Betriebsmittel

abgelegt.

Wenn ein neues Betriebsmittel dem Netzplan hinzugefügt wird, muss sein Typ definiert wer-

den. Mit einem Doppelklick auf das Betriebsmittel öffnet sich ein Eigenschaftenfenster, das in

Abbildung 5 für einen 2-Wicklungstransformator dargestellt ist. Bei „Typ“ kann über „Pro-

jekttyp auswählen…“ aus der Projektbibliothek der gewünschte Typ ausgesucht werden. Vor-

sicht: öffnet das Eigenschaftenfenster des gewählten Typs und verändert das Betriebsmit-

tel direkt in der Bibliothek, so dass alle anderen Betriebsmittel des gleichen Typs mit verändert

werden!

Beim Anschluss von Betriebsmitteln an Schaltanlagen öffnet sich in einer neuen Seite des

Netzplans eine detaillierte Übersicht über die Schaltanlage mit Darstellung der einzelnen Leis-

tungs- und Trennschalter. Aus dem Rechtsklickmenü der Schaltanlage kann die detaillierte An-

sicht ebenfalls geöffnet werden.

Netzberechnungsprogramm DIgSILENT PowerFactory Seite 7

Abbildung 5: Eigenschaftenfenster für 2-Wicklungstransformator

Aufgabe Seite 8

4 Aufgabe

Im Landkreis Wittgenstein (NRW) haben zwei Umspannanlagen (UA) des Verteilnetzes das

Ende ihrer technischen Lebensdauer erreicht. Dieser Umstand wurde als Anlass genommen,

eine Bedarfsanalyse innerhalb des Netzbereichs durchzuführen und die veralteten UAs zu er-

neuern und, zusammen mit Anpassungen im Netz, so anzupassen, dass sie dem voraussichtli-

chen Bedarf der kommenden 20-40 Jahre genügen.

4.1 Aktuelle Situation

Der Netzbereich der Gemeinden Bad Berleburg, Berghausen, Erndtebrück, Feudingen und

Laasphe wird durch die Umspannanlage Arpe aus dem 380-kV-Netz über ein 110-kV-Doppel-

system gespeist. Von Berghausen aus werden die anderen Gemeinden über 110-kV- und

30-kV-Leitungen (blau und pink) versorgt. Eine Besonderheit besteht darin, dass ein System

der 110-kV-Freileitung von Berghausen nach Erndtebrück/Laasphe nur mit 30 kV betrieben

wird. Die aktuelle Versorgungssituation zeigt Abbildung 6.

Die 30-kV-Schaltanlagen der UA Berghausen und UA Erndtebrück haben das Ende ihrer tech-

nischen Lebensdauer erreicht und müssen überarbeitet werden. In den anderen UA besteht

kein unmittelbarer Handlungsbedarf.

Bei der Überplanung des Netzbereiches sind mehrere Varianten entstanden, die bereits wirt-

schaftlich und grob technisch ausgewertet wurden. Die technischen Vor- und Nachteile mög-

licher Varianten sollen in den folgenden Aufgabenteilen überprüft werden. Für eine genauere

wirtschaftliche Betrachtung sei auf die Vorlesung „Betrieb und Aufbau von Netzen“ hingewie-

sen.

Aufgabe Seite 9

Abbildung 6: Aktuelle Netzsituation

Aufgabe Seite 10

4.2 Variante „1:1-Ersatz“

Die einfachste Variante besteht darin, die Betriebsmittel, die das Ende ihrer technischen Le-

bensdauer erreicht haben, 1:1 zu ersetzen (Abbildung 6). Bei dieser Variante werden Tenden-

zen in der Energieversorgung (z.B. Lastzuwächse) nicht berücksichtigt.

Daher sind bei dem vorhandenen Netz folgende Aspekte zu untersuchen:

a) Zunächst ist festzustellen, bei welchen Betriebsmitteln im Normalfall (Betriebsfall

„Standard“) am ehesten mit einer Überlastung zu rechnen ist. Wie hoch ist die gesi-

cherte Leistung in jeder Umspannanlage und Spannungsebene bei Berücksichtigung

des (n-1)-Kriteriums? Hierzu sind eine Lastflussrechnung durchzuführen und die Aus-

lastungen redundanter Betriebsmittel (z.B. Transformatoren) zu betrachten.

b) Gibt es Überlastungen der Betriebsmittel im (n-1)-Fall? Welche Betriebsmittel sind am

ehesten gefährdet? Hierzu sind eine Ausfallrechnung durchzuführen und die Betriebs-

mittel aus Überlastung (> 100%) hin zu untersuchen.

c) Wird die minimale Kurzschlussleistung nicht unterschritten? Hierzu ist eine Kurz-

schlussrechnung durchzuführen und zu prüfen, ob Kurzschlussleistungen die minima-

len Werte (siehe Tabelle 1) unterschreiten.

In Zukunft ist damit zu rechnen, dass die Last durch Ansiedlung eines neuen Gewerbegebietes

in Laasphe um 2-3 MVA ansteigen wird.

d) Zunächst muss der Betriebsfall von „Standard“ auf „Lastzuwachs“ geändert werden.

Die Last in Laasphe steigt damit von 18,5 MVA auf 21 MVA. Müssen bei einem Lastan-

stieg in Laasphe noch weitere Betriebsmittel ausgetauscht werden, wenn in der UA ein

Trafo ausfällt?

Aufgabe Seite 11

4.3 Variante „Wegfall 30 kV“

Die Variante, in dem Netzbereich die Zahl der Spannungsebenen auf zwei zu reduzieren und

damit die 30-kV-Ebene zurückzubauen (siehe Abbildung 7), wurde aus technischen Gründen

gestrichen. Eine erste Abschätzung hat ergeben, dass in der 10-kV-Ebene das Spannungsinter-

vall nicht eingehalten werden kann. Dieses Ergebnis soll durch die nachfolgenden Berechnun-

gen bestätigt werden.

a) Zunächst muss die Variante „keine 30 kV“ aktiviert werden. Darin ist das Netz so um-

zubauen, dass die 30-kV-Ebene komplett wegfällt:

Die UA Feudingen soll dabei nur noch mit 10 kV mit den bereits liegenden 30-kV-

Kabeln aus den UA Erndtebrück und Laasphe versorgt werden.

Die Freileitungen von Berghausen nach Erndtebrück und Bad Laasphe werden

komplett auf 110 kV umgestellt, das 30-kV-Parallelkabel zwischen Berghausen und

Mast 27 entfällt komplett. Mast 27 wird durch zwei Sammelschienen repräsentiert,

an die je eine Leitung des Doppelleitungssystems angeschlossen wird.

Die 30-/10-kV-Transformatoren entfallen bzw. werden durch 110-/10-kV-Transfor-

matoren mit einer Scheinleistung von 31,5 MVA ersetzt.

Wenn die Nennspannung bestehender Sammelschienen umgestellt wird (z.B. von

30 auf 110 kV), dann muss der Dialog „Nennspannung für alle internen Knoten

übernehmen“ mit „ja“ bestätigt werden.

Es gilt die grobe Abschätzung mit den einhergehenden technischen Schwierigkeiten zu

überprüfen und die Aussagen ggf. durch genaue Berechnungen zu bestätigen.

b) Werden bei der Lastflussberechnung alle notwendigen Grenzen eingehalten, wenn das

(n-1)-Kriterium untersucht wird (z.B. bei Ausfall einer Leitung)?

c) Reicht die minimale Kurzschlussleistung aus?

Aufgabe Seite 12

Abbildung 7: Netzmodell für Variante „Wegfall 30 kV“

Aufgabe Seite 13

4.4 Variante „kombinierte 110-/30-kV-Lösung“

Bei der kombinierten 110-/30-kV-Lösung wird ein Teil der bereits als 110-kV-Trasse ausgeleg-

ten Freileitung von Berghausen nach Erndtebrück mit 110 kV betrieben. Außerdem werden

die 30-kV-Schaltanlagen in den UA Berghausen und Erndtebrück den Ansprüchen angepasst

und neugebaut. Diese Variante wurde von der Planungsabteilung als flexibelste Erweiterungs-

möglichkeit gesehen, die langfristig zu einer kompletten 110-kV-Lösung umgebaut werden

kann und über ausreichende Leistungsreserven bei geringen Kosten verfügt.

a) Zur Überprüfung müssen die Netzänderungen nach Abbildung 8 in die Variante

„110/30 kV“ des Netzmodells eingepflegt werden. Die neuen 110/10-kV-Transforma-

toren in Berghausen und Erndtebrück haben eine Scheinleistung von je 31,5 MVA.

b) Die Lastflussergebnisse müssen auf Überlastungen und Verletzung der Spannungs-

grenzen untersucht werden.

c) Was muss getan werden, um bei einem Lastanstieg von 6-10 MVA in Erndtebrück dort

eine ausreichend gesicherte Leistung zu erhalten? Dabei soll der Aufwand möglichst

gering sein.

Aufgabe Seite 14

Abbildung 8: Netzmodell für Variante „kombinierte 110-/30-kV-Lösung“