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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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DISSERTATIONEN

DISSERTATIONEN Strategische Ausbauplanung für elektrische Netze unter Unsicherheit Strategic Expansion Planning for Electrical Networks Considering Uncertainties Dr.-Ing. Tobias Paulun tobias.paulun@iaew.rwth-aachen.de Im regulierten Elektrizitätsmarkt sind die Betreiber elektrischer Netze gezwungen, Effizienzsteigerungspotenziale zu identifizieren und zu nutzen, um hinreichende Erlöse erwirtschaften zu können. Aufgrund der hohen Kosten der in elektrischen Netzen eingesetzten Betriebsmittel liegt dabei der Fokus auf einer Verbesserung des Netzplanungsprozesses und einer bedarfsgerechten Anpassung der Netzstruktur. Hierfür ist der Einsatz rechnergestützter Optimierungsverfahren sinnvoll. Die in den letzten Jahren entwickelten Optimierungswerkzeuge sind zwar zur Ermittlung langfristig kostenoptimaler Netzstrukturen geeignet, berechnen jedoch nicht die optimale zeitliche Entwicklung bestehender Netze unter unsicheren Randbedingungen. Ziel dieser Arbeit war es daher, ein entsprechendes Optimierungsverfahren zu entwickeln, das unter Beachtung langfristig kostenoptimaler Netzstrukturen und existierender Unsicherheiten optimale Entwicklungspfade für bestehende Netze ermittelt. Due to the impending incentive regulation in the liberalized European electricity market, network operators are facing new challenges. In order to earn adequate revenues in the future, potentials for increasing the efficiency and reducing network costs need to be utilized. The increasing pressure on network operators can be met with an improved planning process. For this purpose and as a result of the more and more uncertain boundary conditions of network planning in liberalized electricity markets, using computer-based network optimization algorithms is inevitable. On the one hand, in recent years, numerous methods for long-term planning of electrical networks have been developed and successfully applied. On the other hand, the majority of existing optimization methods for network expansion planning describes the planning process without taking long-term cost-efficient network structures into account. However, especially in regulated electricity markets, existing networks should be developed towards long-term cost-efficient network structures in order to objectify planning decisions. Existing methods that meet these requirements are not capable of optimizing planning problems of practical size, due to the use of exact optimization algorithms. In this thesis, a computer-based optimization method for calculating the optimal future development for existing networks with respect to long-term costefficient network structures has been developed. Because an extensive demand for renewal is expected especially in 110 kV networks for the next years and due to the fact that efficient restructuring of this voltage level can only be done by taking medium voltage networks into account as well, this thesis is focusing on 110 kV and medium voltage networks. One of the key results of analyzing the planning process is that the optimal future development of existing networks depends on the future development of uncertain boundary conditions. The relevant uncertainties can be classified in technical, economical and political uncertainties with different impact on the optimal network development. Some of these uncertainties initiate the realization of expansion steps and have therefore direct influence on network development. Thus, calculating discrete points in time for the realization of expansion steps without regard to uncertainties as done so far during network planning does not meet practical requirements. The optimization method developed in this thesis is based on Ant Colony Optimization. For existing networks, it calculates optimal expansion strategies that allow a flexible future development of those networks depending on the development of uncertain boundary conditions. A short computing time even for planning problems of practical size is obtained by combining several heuristic optimization approaches. Exemplary studies show the functionality and capability of the developed method. In sensitivity analyses the influence of boundary conditions on the optimal expansion strategy and total network costs is analyzed. The results prove that uncertain boundary conditions lead to increasing total costs for the network operator. Combined with existing methods for long-term planning of electrical networks this newly developed method allows solving practical planning problems completely and in an objective manner for the first time. 36 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

1 Motivation Durch die bevorstehende Anreizregulierung sind die Betreiber elektrischer Netze gezwungen, Effizienzsteigerungspotenziale zu identifizieren und zu nutzen, um auch zukünftig hinreichende Erlöse erwirtschaften zu können. Bereits in der Vergangenheit hat der Liberalisierungsprozess in der Elektrizitätswirtschaft dazu geführt, dass Netzbetreiber verstärkt mittels betriebswirtschaftlicher Methoden bewertet und miteinander verglichen werden. Diese Entwicklung wird sich durch das von der Bundesnetzagentur vorgeschlagene Regulierungskonzept weiter verstärken. Eine sachgerechte Reduzierung der Netzkosten, die nicht durch den Verzicht auf notwendige Investitionen zu einer Verschlechterung der Versorgungsqualität und –zuverlässigkeit führt, kann vor allem durch eine Verbesserung des Netzplanungsprozesses und eine bedarfsgerechte Anpassung der Netzstruktur erzielt werden. Gleichzeitig werden durch das erfolgte Unbundling von Stromerzeugung und –übertragung sowie durch politische Faktoren wie die Förderung dezentraler Erzeugungsanlagen die Randbedingungen der Planung elektrischer Netze zunehmend unsicherer. Der Einsatz rechnergestützter Optimierungsverfahren in der Netzplanung ist daher unverzichtbar, um so mehr, da nur mit Hilfe derartiger Verfahren eine Objektivierung von Planungsentscheidungen erreicht werden kann, die besonders im regulierten Strommarkt wichtig ist. In den letzten Jahren wurden zahlreiche rechnerbasierte Optimierungswerkzeuge zur Grundsatzplanung elektrischer Netze entwickelt. In diesem Planungsschritt werden üblicherweise unter weitgehender Vernachlässigung des existierenden Anlagenbestandes kostenoptimale Netzstrukturen, sog. Zielnetze, ermittelt. Der Vergleich dieser Netzstrukturen mit den existierenden Netzen gibt Aufschluss über die momentane Effizienz der bestehenden Netze und wird auch als Referenznetzanalyse bezeichnet. Offen bleibt dabei die Frage, ob und in welchen Zeiträumen die langfristig kostenoptimalen Netzstrukturen überhaupt erreicht werden können [1]. Derartige Fragestellungen müssen in einer der Grundsatzplanung nachgelagerten Ausbauplanung analysiert werden. Anders als in der Grundsatzplanung, in der die langfristig durchschnittlichen Kosten unterschiedlicher Netzentwürfe betrachtet werden, ist das Ziel der Ausbauplanung die Minimierung der Gesamtkosten innerhalb eines gegebenen Zeitraums. Für diesen Planungsschritt, in dem die optimale zeitliche Entwicklung bestehender Netze ermittelt wird, existieren jedoch nur wenige Verfahren, welche die Ergebnisse der vorangegangenen Grundsatzplanung als Zielvor- DISSERTATIONEN gabe für die Netzentwicklung berücksichtigen können. Existierende Verfahren, die diesen Anforderungen genügen, sind dagegen aufgrund hoher Rechenzeiten nicht zur Optimierung praxisüblicher Planungsaufgaben geeignet [2]. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung eines rechnergestützten Optimierungsverfahren, das die optimale zeitliche Entwicklung bestehender Netze in Richtung der zuvor bestimmten langfristig kostenoptimalen Zielnetze ermittelt. Dabei müssen die existierenden Planungsunsicherheiten besonders beachtet und derart modelliert werden, dass auch die Berücksichtigung einer praxisüblich großen Zahl relevanter Unsicherheiten nicht zu unzulässig hohen Rechenzeiten führt. 2 Analyse Zu Beginn der Ausbauplanung werden die Ergebnisse der vorangegangenen Grundsatzplanung analysiert. Aus den Ergebnissen dieser Analyse werden anschließend Randbedingungen abgeleitet, die den in der Ausbauplanung zu durchsuchenden Lösungsraum sinnvoll einschränken. Hierfür wird das bestehende Netz, das als Basisnetz bezeichnet wird, mit den in der Grundsatzplanung ermittelten langfristig kostenoptimalen Netzstrukturen verglichen. Durch die Unterschiede zwischen diesen Netzstrukturen sind Planungsprojekte definiert, die durchgeführt werden können, um das bestehende Netz in Richtung der langfristig optimalen Zielnetze zu entwickeln (vgl. Bild 1). Basisnetz Zielnetz Planungsprojekte Abbau Zubau Bild 1: Mögliche Planungsprojekte Aufgabe der Ausbauplanung ist es anschließend, die optimale Kombination von Planungsprojekten, die innerhalb eines gegebenen Zeitraums durchgeführt werden sollten, zu finden und diese Projekte optimal zeitlich zu reihen. Kombinationen von Planungsprojekten, die nicht gemeinsam in einem Zielnetz enthalten sind, sind nicht zulässig, da nach Durchführung dieser Projekte keines der Zielnetze mehr erreicht werden kann. Jeder Netzzustand, der bei Befolgen der Ausbaustrategie erreicht werden kann, muss alle technischen IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 37

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