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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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DISSERTATIONEN 1

DISSERTATIONEN 1 Einleitung Die Netzbetreiber sind Monopolunternehmen aufgrund des natürlichen Monopols von elektrischen Netzen. Um dennoch eine wettbewerbsähnliche Situation zu erreichen, wurde 2005 in Deutschland die Bundesnetzagentur (BNetzA) etabliert [1]. Der BNetzA obliegt die Überwachung der Angemessenheit der Netznutzungsentgelte. Dabei ist zu erwarten, dass sich mit der Umsetzung des aktuell diskutierten Konzepts einer Anreizregulierung der Kostendruck auf die Netzbetreiber deutlich verstärken wird. Die Netzbetreiber sehen sich somit der Notwendigkeit ausgesetzt, ihre Kosten zu reduzieren. Hierzu stehen ihnen einerseits kurzfristige, d. h. betrieblich, und anderseits mittel- bis langfristige Maßnahmen zur Verfügung. Kurzfristige Maßnahmen, wie die Reduzierung des Aufwands für Netzbetrieb und Instandhaltung, ermöglichen schnelle Kostenabsenkungen. Langfristig bergen sie jedoch das Risiko einer Verkürzung der Nutzungsdauer und Verringerung der Zuverlässigkeit der Betriebsmittel und damit eines Absinkens der gebotenen Versorgungsqualität. Nur mittel- bis langfristig wirkende Maßnahmen, wie z. B. die Überprüfung der Effizienz der bestehenden Netzstrukturen und ggf. ihre Anpassung sowie die Überarbeitung der Planungsgrundsätze, können weitere Einsparpotenziale erschließen. Die Umsetzung erfordert jedoch Verbesserungen der Methoden zur Netzplanung. Deren hohe Systemkomplexität macht zu ihrer optimalen Durchführung den Einsatz rechnerbasierter Optimierungsverfahren notwendig. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei als erster notwendiger Schritt Verfahren, die langfristig kostengünstige Netzstrukturen, so genannte Zielnetze, ermitteln. Während die Zielnetzplanung von Hochspannungs-(HS)- Netzen seit langem Gegenstand der wissenschaftlichen Forschung ist [3], betrachten bisher nur wenige Arbeiten die optimale Auslegung von Mittelspannungs-(MS)- Netzen. Vor dem Hintergrund der Anreizregulierung und sich damit ergebender neuer Anforderungen an MS- Netze erscheint eine Zielnetzplanung auch für diese Spannungsebene notwendig. Dies ist unter anderem durch folgende Aspekte begründet: • MS-Netze verursachen einen großen Anteil der gesamten Kosten der elektrischen Versorgungsnetze und sind daher entscheidend für deren Wirtschaftlichkeit. • MS-Netze haben einen dominierenden Einfluss auf die Versorgungszuverlässigkeit der Endkunden. So werden etwa 80% der Nichtverfügbarkeit eines Niederspannungskunden durch Fehler oder Ausfälle in MS-Netzen verursacht [2]. Um ein deutliches Absinken der Versorgungszuverlässigkeit nach Einführung der Anreizregulierung zu verhindern, wird das Konzept der Anreizregulierung auch eine Qualitätsregulierung beinhalten [1]. Diese Qualitätsregulierung wird insbesondere das MS-Netz betreffen. • Die politisch motivierte Förderung regenerativer Energiequellen führt zu einem starken Zuwachs von dezentralen Erzeugungsanlagen (DEA), die auch an MS-Netze angeschlossen werden. Damit sind die Planungsunsicherheiten in dieser Spannungsebene bereits in der Vergangenheit stark angestiegen. Ein weiterer Anstieg ist zu erwarten. Bei der Integration von DEA in bestehende MS-Netze müssen unterschiedliche technische Effekte beachtet werden. • MS-Netze wurden in der Vergangenheit in der Regel bedarfsgetrieben und schrittweise, d. h. ohne langfristige Zielorientierung, geplant. Daher zeigen diese Netze häufig eine für die aktuelle Versorgungsaufgabe überdimensionierte und komplizierte Netzstruktur. Angesichts der stabilen Lastentwicklung und des hohen durchschnittlichen Betriebsmittelalters in den bestehenden MS-Netzen erscheint deshalb heute eine grundlegende, auch langfristig auf Optimalität ausgerichtete Überarbeitung der Netzstrukturen sinnvoll und durchführbar. • In der MS-Ebene kommt eine Vielzahl von Netzformen zum Einsatz. Diese treten auch innerhalb eines Unternehmens häufig nebeneinander auf. Für eine nur manuell durchgeführte und ohne Zielorientierung betriebene Netzplanung ist deshalb die Entscheidung über die langfristig optimale Netzform quasi unmöglich. Viele bestehende rechnergestützte Verfahren zur Planung von MS-Netzen konzentrieren sich auf die Planungsstufe der Ausbauplanung [4], betrachten aber nicht die für eine langfristige Optimalität unbedingt notwendige Zielorientierung, die nur eine Grundsatzplanung liefern kann. Vor diesem Hintergrund erscheint die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung langfristig kostenoptimaler Netzstrukturen von MS-Netzen, entsprechend der Vorgehensweise einer Grundsatzplanung, für die optimale Durchführung der anstehenden Planungsaufgaben sinnvoll und notwendig. Ein solches Verfahren kann über den Anwendungsbereich der Netzplanung hinaus auch im regulatorischen Kontext eingesetzt werden, wo mit Hilfe der Referenznetzanalyse die Effizienz bestehender Netze durch Vergleich mit 44 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

echnerbasiert ermittelten optimalen Netzen ermittelt werden soll [1]. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung eines Verfahrens zur Ermittlung langfristig kostenoptimaler MS-Netze unter Berücksichtigung aller planungsrelevanten, insbesondere technischen Randbedingungen und aller praxisüblichen Freiheitsgrade. Insbesondere ist die Berücksichtigung der Integration von DEA vorzusehen. 2 Analyse der Grundsatzplanung von 20(10)-kV-Netzen 2.1 Systemabgrenzung Die MS-Ebene ist in einzelne, zur Kurzschlussstrombegrenzung galvanisch getrennte Netzbereiche unterteilt, die in der Regel mit der Nennspannung 10 kV oder 20 kV betrieben werden. Die Lage und Dimensionierung der 110-kV-Stationen sind eng mit den 20(10)-kV- Netzen verbunden und beeinflussen grundsätzlich deren Struktur. In einigen Versorgungsgebieten besteht eine explizite Wechselwirkung zwischen den 110-kV- und den 20(10)-kV-Netzen durch Reservestellung für 110-kV-Netze über 20(10)-kV-Transportleitungen. In ländlichen Gebieten ist eine solche Reservestellung aufgrund des großen 110-kV-Stationsabstands nicht von Vorteil [3]. In städtischen Gebieten kann prinzipiell eine gemeinsame Planung des 110-kV-Netzes und der 20(10)-kV-Netze unter Berücksichtigung der 20(10)-kV- Transportleitungen Vorteile, jedoch bei gleichzeitigem Verlust der Flexibilität für die weitere Netzentwicklung, bringen. Eine derartige gemeinsame Planung ist wegen der erweiterten Problemgröße in der Praxis unüblich. In dieser Arbeit liegt der Fokus daher auf der Planung der 20(10)-kV-Netze. Das überlagerte 110-kV-Netz wird als feste Vorgabe betrachtet. Dementsprechend bleiben die 0,4-kV-Netze bei der Planung der 20(10)-kV-Netze unberücksichtigt. 2.2 Bewertungskriterien 2.2.1 Wirtschaftliche Bewertung Für die ökonomische Bewertung sind alle durch die Planungsentscheidung für 20(10)-kV-Netze verursachten Ausgaben zu berücksichtigen. Diese umfassen Investitionskosten und jährliche Betriebskosten. 2.2.2 Technische Bewertung Netze werden als (n-1)-redundant angesehen, wenn sie für jede beliebige, technisch mögliche und betrieblich sinnvolle Ausgangssituation den Ausfall eines beliebi- DISSERTATIONEN gen Betriebsmittels ohne unzulässige Einschränkungen ihrer Funktionsfähigkeit aufrechterhalten [5]. Das heißt, Ausfälle führen nicht zu einer Verletzung der technischen Anforderungen, wobei in der 20(10)-kV-Netzplanung üblicherweise die maximale Belastbarkeit der Betriebsmittel, die erforderliche Spannungsqualität und die Kurzschlussstromgrenzen festgelegt sind. In der 20(10)-kV-Ebene wird das (n-1)-Kriterium auch dann als erfüllt angesehen, wenn zwar nach einem Betriebsmittelausfall eine Versorgungsunterbrechung auftritt, diese jedoch durch Umschaltungen oder Einsatz von Notstromaggregaten nach kurzer Zeit behoben werden kann [5]. 2.2.3 Spezifische Anforderungen Zusätzlich zu den zuvor erläuterten, von elektrischen Kenngrößen abhängigen technischen Kriterien werden einige weitere Kriterien vorgestellt. Diese sind bei Netzbetreibern häufig angewandte Entscheidungsregeln, um Netzbetriebsführung und Störungsbeseitigung zu vereinfachen. Sie sind insofern planungsrelevant und auch im zu entwickelnden Verfahren zu berücksichtigen. Sie umfassen: • Maximale Abgangslänge und maximale Anzahl der Stationen in einem Abgang • und maximale Stationsanzahl im Stichanschluss und deren Gesamtlast. 2.3 Freiheitsgrade der Grundsatzplanung von 20(10)-kV-Netzen Spannungsebene 10 kV und 20 kV werden als Standardspannungsebenen für MS-Verteilungsnetze angesehen. Historisch bedingt existieren noch einige MS-Netze mit Spannungen von 6 kV und 15 kV. Eine langfristige Umstellung dieser Netze auf 10 kV oder 20 kV wird von den Netzbetreibern jedoch zumeist angestrebt. In dem zu entwickelnden Grundsatzplanungsverfahren kann die Spannungsebene daher als durch den Netzplaner vorgegeben angesehen werden. Netzformen der 20(10)-kV-Netze Neben der Spannungsebene ist die Wahl der Netzstruktur von großer Bedeutung, da sie sowohl die Netzkosten als auch die Versorgungsqualität beeinflusst. Aus historischen Gründen finden sich in der Praxis in 20(10)kV-Netzen unterschiedliche Netzformen, z. B. das Strahlennetz, das Maschennetz, das Ring-/Strangnetz evtl. mit Stichanschlüssen und das Netz mit Stützpunktstationen wieder. IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 45

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