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Laborleiter: Prof. Dr.-Ing. M. KönemundVersuchsbetreuung: Dipl.-Ing. Gerald HillerVersuch-Nr. 3: Rechnergestützte Lastflussoptimierung Testat: Note:einer Netzkonfiguration(220-kV-Modellanlage, Raum 662)Versuchsdatum: Abgabedatum: Laborgruppen-Nr:Ausgearbeitet von:Mitarbeiter:Labor für Elektroenergiesysteme

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und Automatisierungstechnik1. EinführungUnter einem elektrischen Leitungsnetz versteht man allgemein die Gesamtheit allerLeitungen vom Stromerzeuger bis zum Verbraucher. Den elektrischen Versorgungsnetzenfällt die Aufgabe zu, die elektrische Energie so verlustarm wie möglich von den Stromerzeugernbis zu den Endverbrauchern weiterzuleiten. Bei einem vermaschten Netz wird dieStromversorgung der einzelnen Abnehmer durch die Verknüpfung der Versorgungsleitungenuntereinander und möglicherweise durch mehrere Einspeisungen in optimalerWeise gesichert.2. AufgabenstellungAnhand der 220-kV-Modellanlage soll eine Netzkonfiguration, bestehend aus zweiKraftwerkseinspeisungen, einem am Versuchstag vorgegebenen vermaschten Leitungsnetzsowie zwei Wirkleistungsabnahmen, aufgebaut werden. Mit Hilfe eines Rechenprogrammssollen der Lastfluss und die Netzverluste für unterschiedliche Lastverteilungen ermitteltwerden. Dabei werden die Wirkleistungsabgaben der beiden speisenden Kraftwerksblöckevariiert und eine rechnergestützte Lastflussmessung für mehrere Messschritte durchgeführt.Anschließend soll aus den so gewonnenen Messdaten der optimale Lastfluss und die anden Leitungen auftretende Verlustleistung P V rechnerisch und grafisch ermittelt werden.2.1 VersuchsdurchführungNachdem der Versuchsaufbau gesteckt und durch den Betreuer abgenommen wurde,schalten Sie die Versuchsanlage mit dem Hauptschalter ein. Achten Sie vor derInbetriebnahme des Kraftwerkblocks darauf, dass alle Trenner und Leistungsschalter aufder von Ihnen gewählten Übertragungsstrecke ausgeschaltet sind. Die Inbetriebnahme desKraftwerkblocks geschieht durch Zuschalten der Antriebsmaschine, der Erregung und desFeldes. Mit dem Regler "Sollwert Antriebsmaschine" wird die Drehzahl der Gleichstrommaschineauf 1500 min -1 gebracht. Anschließend wird mit dem Regler „Sollwert Erregermaschine“ein Erregerstrom von ca. 1,5 bis 2 Ampere eingestellt. Nun kann dasleerlaufende Leitungsnetz durch Betätigung der Trenner und der Leistungsschalterzugeschaltet werden. In gleicher Weise wird mit dem anderen Kraftwerksblock verfahren,jedoch ist vor dem Aufschalten der Spannung mit dem Leistungsschalter eineSynchronisation der Kraftwerksblöcke durchzuführen. Anschließend erfolgt die Zuschaltungder entsprechenden ohmschen Belastungen. Die Wirkleistungsabgaben der Kraftwerksblöckesollen so eingestellt werden, dass ausgehend von Block 1 = 160 MW (Volllast) undBlock 2 = 0 MW (Leerlauf), in 5 bis 6 Schritten eine Leistungsübergabe an Block 2 erfolgt.Mit Hilfe des Reglers „Erregung Hand“ kann der Blindleistungsbedarf für das elektrischeLeitungsnetz angepasst werden. Dabei ist auf konstante Spannung U 2 = 220 kV an denLastabnahmen zu achten. Mit Hilfe des Lastflussberechnungsprogramms sind für jedenBelastungsfall alle relevanten Leitungsdaten zu berechnen und aus den gewonnenenWerten der optimale Lastfluss zu bestimmen. In welchem Arbeitspunkt der Kraftwerke- 2 -

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und Automatisierungstechnikwerden die Verluste über den Leitungen optimal klein? Die Ergebnisse sind in geeigneterForm grafisch aufzubereiten. Zusätzlich sind alle relevanten Messwerte an den digitalenmultifunktionalen Leistungsmessgeräten A2000 am Anfang und Ende des Leitungsnetzesaufzunehmen und in die Auswertung mit einzubeziehen. Die Messergebnisse sind mit einerModellrechnung oder einer Simulation durch Neplan zu überprüfen.2.2 Programm zur LastflussberechnungDas Programm „Lastfluss“ wurde mit Hilfe des Visualisierungsprogramms Labview (Version7.1) geschrieben und befindet sich auf allen im Labor zur Verfügung stehenden Notebooks.Um Messungen an der Modellanlage und damit Lastflussberechnungen durchführen zukönnen, ist eine Verbindung des Rechners mit der anlageninternen Messkarte vom Typ„Labjack UE9“ über ein USB-Kabel notwendig. Dabei übernimmt das Programm dieSteuerung der Messkarte zur Erfassung der komplexen Größen jeder eingebauten Leitung,um daraus den resultierenden Lastfluss zu berechnen.Die Bedienoberfläche des Programms besteht aus 5 Registerblättern, die hier anschließendkurz erläutert werden.Registerblatt „Leitungsdaten“Das Registerblatt „Leitungsdaten“ wird bei Programmstart zuerst aufgerufen. Dabei werdendie zur Modellanlage gehörenden Leitungsdaten ausgegeben. Durch Ändern derLeitungsnummer in der Kopfzeile, werden die zugehörigen Leitungsdaten angezeigt, die imBedarfsfall an dieser Stelle editiert werden können. Dabei beziehen sich die angezeigtenWerte auf das einphasige Ersatzschaltbild der Leitung und können für weitereBerechnungen herangezogen werden.- 3 -

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und AutomatisierungstechnikAbbildung 1: Bedienoberfläche des Registerblattes „Leitungsdaten“Registerblatt „Kalibrierung des Systems“Mit dem zweiten Registerblatt besteht die Möglichkeit, das Messsystem in gewissenzeitlichen Abständen zu kalibrieren. Das Programm ermittelt daraus Korrekturfaktoren fürdie spätere Lastflussberechnung. Die Kalibrierung erfolgt in zwei Schritten, in der zunächstdie Frequenz und anschließend die Spannungs- und Stromeffektivwerte sowie derenPhasenverschiebungen ermittelt werden.Die einzelnen Kalibrierschritte sollen an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.Abbildung 2: Bedienoberfläche des Registerblattes „Kalibrierung des Systems“Registerblatt „Knoteneingabe“Mit Hilfe dieses Registerblattes wird das Netz eingegeben. Hierbei sind die Spannungsmesspunkteden Leitungsanfängen und –enden zuzuordnen. Über das Feld Leitungsnummerkann die entsprechende Leitung ausgewählt und anschließend mit frei wählbarenSpannungsmesspunkten verbunden werden. Sind die Eingaben für eine Leitung vollständig,müssen sie mit dem Button „Knotendaten speichern“ übernommen werden. Die Leitungszuordnungenwerden tabellarisch sowie grafisch angezeigt.- 4 -

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und AutomatisierungstechnikAbbildung 3: Bedienoberfläche des Registerblattes „Knoteneingabe“Registerblatt „Netzübersicht“Anhand der eingegebenen Zuordnungen der Spannungsmessknoten an den Leitungen wirdeine neue Netzdarstellung gezeichnet. Die Netzdarstellung erfolgt als Kreis, dessen Radiusin Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Knoten festgelegt wird.Neben den beiden Kraftwerken, der Einspeisung in das FH-Netz, den 5 verschiedenenfesten Wirklasten und dem Belastungssimulator existieren Auswahlfelder, mit denen dieentsprechenden Komponenten an das Netz angeschlossen werden können. Dies erfolgtrein grafisch und hat keine Auswirkungen auf die Lastflussberechnung. Die Zuordnungerfolgt über die Knotennummer, die innerhalb der Auswahlfelder angezeigt und angeklicktwerden können. Im Anschluss kann die so erzeugte Grafik zur Dokumentation im jpg-Format gespeichert werden.- 5 -

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und AutomatisierungstechnikAbbildung 4: Bedienoberfläche des Registerblattes „Netzübersicht“Registerblatt „Messwerte einlesen“Durch Betätigen des Buttons „Neue Messreihe eröffnen“ öffnet sich ein Fenster, mit dem einVerzeichnis und ein Dateiname ausgewählt werden kann. Nach Betätigen des Buttons„Messung starten“ werden hier anschließend die ermittelten Messwerte abgelegt. DieSpeicherung erfolgt als Textdatei, wobei diese in Excel importiert werden kann. AlsTrennzeichen ist der Tabulator eingestellt, so dass eine Sortierung in die entsprechendenZellen von Excel stattfindet.- 6 -

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und AutomatisierungstechnikAbbildung 5: Bedienoberfläche des Registerblattes „Messwerte einlesen“Alle unten aufgeführten Modelldaten der realen Leitungen sind im Programm bereitshinterlegt. Im Registerblatt „Leitungsdaten“ lassen sich die Daten aller 12 Leitungen aufdem Bildschirm anzeigen oder ggf. editieren.2.3 LeitungsdatenIn folgender Tabelle sind alle Leitungsdaten der Modellanlage bezogen auf ein 2-fach-Bündelleitung St/Al 2x 240/40 für 220 kV dargestellt:Leitungs-Nr.:LängekmR`Ohm/kmX`Ohm/kmCb`nF/kmXe`Ohm/kmRe`Ohm/km1 100 0,088 0,313 12,172 0,261 0,0712 50 0,112 0,336 11,928 0,252 0,0923 50 0,104 0,336 11,916 0,252 0,0844 100 0,090 0,313 12,110 0,260 0,0755 100 0,088 0,312 12,127 0,261 0,0716 50 0,110 0,334 11,948 0,250 0,0937 50 0,105 0,336 11,936 0,251 0,0868 100 0,088 0,313 12,157 0,261 0,0719 100 0,089 0,313 12,100 0,261 0,07310 50 0,114 0,336 11,936 0,251 0,087- 7 -

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und AutomatisierungstechnikLeitungs-Nr.:LängekmR`Ohm/kmX`Ohm/kmCb`nF/kmXe`Ohm/kmRe`Ohm/km11 50 0,105 0,336 11,958 0,252 0,08612 100 0,090 0,312 12,170 0,261 0,0733. Versuchsvor - bzw. nachbereitung (in schriftlicher Form)In einem elektrischen Energieversorgungsnetz bestehend aus Synchrongeneratoren,Leitungsnetz und Verbrauchern (Asynchronmotoren) ist die Wirkleistungsbilanz ausgeglichenund die Frequenz des Netzes beträgt 50 Hz. Den Generatoren wird von denantreibenden Turbinen an der Welle eine konstante Leistung zugeführt. Wie ist prinzipielldas Frequenzverhalten der Generatoren, wenn plötzlich weitere Verbraucher zugeschaltetwerden?Was geschieht mit der Frequenz, wenn aus dem Verbund der installierten Generatoren beikonstanter Belastung einer ausfällt?Berechnung einer RingleitungTeil1:Die unten im Bild dargestellte Ringleitung für U N = 30 kV soll als Drehstromfreileitung ausKupferseilen mit der Seiltemperatur ϑ = 40°C ausgeführt werden, wobei der Abstandzwischen den Leitern d = 1,5 m beträgt. Berechnen Sie den einheitlichen Leiterquerschnittder Leitung unter der Voraussetzung, dass die Spannungsabsenkung gegenüber derEinspeisung 3% nicht übersteigt. Es wird angenommen, dass alle Abnahmen den gleichencosϕ = 0,9 ind. aufweisen.Ermitteln Sie aus den in der Zeichnung gegebenen Werten den resultierenden Lastfluss unddie Richtung. (Normalfall, ungestörter Betrieb)An welcher Stelle tritt die größte Spannungsabsenkung auf? Wie hoch ist sie?Wie groß werden die Zweigströme, die aus den Einspeisungen I und II fließen?Wie muss der Leiterseilquerschnitt für diesen Betriebsfall dimensioniert werden?Zeichnen Sie die Leistungsverteilung über den einzelnen Leitungen sowie dasSpannungsprofil.- 8 -

Fachhochschule Braunschweig/WolfenbüttelFakultät ElektrotechnikInstitut für Elektrische Anlagen und AutomatisierungstechnikTeil2:Berechnen Sie den erforderlichen Leiterseilquerschnitt für den Fall, dass Versorgungssicherheitim Störfall gewährleistet sein soll (Hinweis: Es gibt 2 Varianten für diesenStörfall).Die zulässige Spannungsdifferenz darf für diesen Fall max.Wie groß wird der maximal fließende Strom?∆U maxU N= 5% betragen!Führen Sie zusätzlich eine Simulation des Netzes unter Neplan für den Normalfall und dengestörten Fall durch und vergleichen Sie die gewonnenen Ergebnisse mit denen IhrerRechnung.3 MW110 kV 30 kV2 km5 MWEinsp.I2 km3 kmEinsp.II1 km1,5 km2,5 km7 MW3 MW3 MW- 9 -