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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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DISSERTATIONEN Im

DISSERTATIONEN Im Strahlennetz sind keine Umschaltmöglichkeiten vorhanden, wodurch das Strahlennetz eine hohe Unterbrechungsdauer und somit eine niedrige Versorgungszuverlässigkeit aufweist. Das Strahlennetz weist üblicherweise die geringsten Investitionskosten aufgrund geringster Anzahl an Betriebsmitteln auf. Angesichts der niedrigen Versorgungszuverlässigkeit wird eine derartige Netzform in Industrieländern jedoch kaum angewendet. Mit einem Strahlennetz kann eine Untergrenze für die Kosten von 20(10)-kV-Netzen abgeleitet werden. Daher wird diese Bewertungsmethode in Ländern wie Schweden durch die Regulierungsbehörde für eine Effizienzanalyse der Verteilungsnetze eingesetzt. Aus diesem Grund wird auch in dieser Arbeit diese Netzform berücksichtigt. Im Gegensatz zum Strahlennetz verliert das Maschennetz im hohen Maß an Übersichtlichkeit. Daher wird das Maschennetz von den Netzbetreibern in der Grundsatzplanung für die 20(10)-kV-Netze nicht angestrebt und bleibt daher in dieser Arbeit außer Betrachtung. Beim Ring-/Strangnetz werden die 20(10)-kV-Stationen in der Regel ausgehend von den 110-kV-Stationen ringförmig verbunden. Zur Begrenzung der Ausfallfolgen eines Leitungs- oder 20(10)-kV-Stationsfehlers werden die Ringe im Normalbetrieb strahlenförmig betrieben. Vorliegende Untersuchungen zeigen, dass die Ring- und Strangnetzform sowohl eine angemessen hohe Versorgungszuverlässigkeit als auch eine gute Wirtschaftlichkeit aufweisen und daher von Netzbetreibern für die 20(10)-kV-Netze als Standardnetzform für die Grundsatzplanung präferiert werden. Ring- und Strangnetze bilden entsprechend den Schwerpunkt dieser Arbeit. Beim Ring-/Strangnetz mit Stützpunktstationen sind im Versorgungsgebiet verteilte Stützpunktstationen über 20(10)-kV-Transportleitungen mehrfach redundant an eine oder mehrere 110-kV-Stationen angeschlossen. Das Ring-/Strangnetz mit Stützpunktstationen ist grundsätzlich eine Kombination aus Ring-/Strangnetz und vermaschtem 20(10)-kV-Transportnetz. Daher wird das Ring-/Strangnetz mit Stützpunktstationen in dieser Arbeit nicht explizit betrachtet. Betriebsmittelwahl Bei Neubau- und Erneuerungsmaßnahmen werden aufgrund der Vorteile bei Einkauf, Lagerhaltung u. a. nur wenige Standardbetriebsmitteltypen eingesetzt [3]. 3 Modelle und Verfahren 3.1 Technisches Systemmodell 3.1.1 Entwickeltes heuristisches Verfahren Das entwickelte heuristische Verfahren für die Grundsatzplanung von 20(10)-kV-Netzen ist ein zweistufiges Optimierungsverfahren [6]. In der ersten Stufe wird durch das Eröffnungsverfahren eine zulässige Lösung generiert, die in der zweiten Stufe iterativ verbessert wird. Die Anzahl der Abgänge beeinflusst den Rechenaufwand erheblich. Daher wird während des Optimierungsprozesses ein spezieller Algorithmus angewandt, um deren Anzahl möglichst frühzeitig zu reduzieren. Wird das Abbruchkriterium erfüllt, bricht die Optimierung ab und gibt die bis dahin ermittelten kostengünstigsten und technisch zulässigen Lösungen aus. Bild 1 zeigt einen Überblick über den Ablauf des Verfahrens. Versorgungsaufgabe, Freiheitsgrade, Randbedingungen Optimierungsverfahren Generierung einer zulässigen Startlösung Iterative Lösungsverbesserung Verbesserung durch Gesteuerte Lokale Suche Verbesserung durch Large Neighborhood Search Optimierung der Anzahl der Abgänge Ergebnis: Kostengünstige, technisch zulässige Zielnetze Bild 1: Überblick über das entwickelte Verfahren Überprüfung der Randbedingungen Sowohl in dem Eröffnungs- als auch in dem Verbesserungsverfahren werden die Randbedingungen in jeder Iteration überprüft. Zunächst werden die unternehmensspezifischen Randbedingungen, z. B. die zulässige Abgangslänge und die maximale Anzahl der Stationen in einem Abgang, überprüft, was in der Regel nur geringen Rechenaufwand erfordert. Falls eine dieser Randbedingungen nicht erfüllt ist, bricht der Überprüfungsprozess ab. Dadurch kann viel Rechenzeit für die folgende aufwändige Überprüfung der technischen Randbedingungen eingespart werden. Die zu überprüfenden technischen Randbedingungen hängen teilweise von der Lage der Trennstelle ab. Zur Verringerung der Rechenzeit werden die technischen Randbedingungen, die von der Lage der Trennstelle abhängig sind und daher einen hohen Rechenaufwand erfordern, im letzten Schritt überprüft. 46 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

4 Exemplarische Untersuchungen 4.1 Beispielnetz Das betrachtete Versorgungsgebiet weist in einigen Gebieten ländliche, im überwiegenden Teil jedoch städtische Charakteristika auf. Die Gesamtfläche des Versorgungsgebietes beträgt ca. 100 km 2 . An das bestehende 10-kV-Netz, im Folgenden Ist-Netz genannt, sind 265 10-kV-Netzstationen und -Kunden, davon 32 Stützpunktstationen, angeschlossen. An das Ist-Netz sind keine Direkteinspeisungen angeschlossen. Aufgrund der überwiegend städtischen Prägung des Versorgungsgebietes werden ausschließlich Kabel eingesetzt. Die gesamte Leitungslänge im Ist-Netz beträgt ca. 220 km, die gleichzeitige Höchstlast ca. 45 MW. Das Ist-Netz wird über zwei 110-kV- Stationen mit jeweils zwei 31,5 MVA Transformatoren gespeist. Bild 2 zeigt das Ist-Netz. 1 km Fluss Brücke 110/10-kV-Umspannstation 10-kV-Stützpunktstation 10-kV-Station und -Kunde Bild 2: Bestehendes 10-kV-Netz Die annuitätischen Netzkosten des Ist-Netzes belaufen sich bei einem Zinssatz von 8%/a auf rund 3 Mio. EUR. Die Unterbrechungshäufigkeit liegt zwischen 0,05 1/a und 0,36 1/a bei einem Mittelwert von 0,18 1/a. Die Bandbreite der Erwartungswerte der Unterbrechungsdauer reicht von 25 Minuten bis zu 230 Minuten bei einem Mittelwert von 50 Minuten. 4.2 Ermittlung kostenoptimaler Netze Angesichts der relativ hohen Lastdichte im Versorgungsgebiet werden in der Zielnetzplanung ausschließlich Kabel vom Typ Al 185 mm 2 , der Standardkabeltyp bei vielen Netzbetreibern, eingesetzt. In den zu entwickelnden Zielnetzen soll auf aufwändige Stützpunktstationen verzichtet werden. Als Randbedingungen werden betrachtet: DISSERTATIONEN • Das (n-1)-Kriterium nach Umschaltung wird im offen betriebenen Ring-/Strangnetz automatisch erfüllt. Da im Fall einzelner Stichanschlüsse das (n-1)-Kriterium strukturell nicht erfüllt wird, wird in diesen Netzen der Einsatz von Notstromaggregaten im Störungsfall vorgesehen. • Eine Belastung von 120% für Leitungen ist im gestörten Betrieb zulässig. Für 110/10-kV-Transformatoren wird im Störungsfall eine Belastung von 110% erlaubt. • Der maximale zulässige Spannungsfall beträgt 5% im Normalbetrieb und 12% im gestörten Betrieb. Zunächst wird mit dem entwickelten Verfahren für die oben beschriebene Versorgungsaufgabe Zielnetz mit Ringnetzstruktur ohne Betrachtung bestehender Anlagen ermittelt. Bild 3 zeigt das Zielnetz. Bild 3: Zielnetz „Ring“ Das Zielnetz weist gegenüber dem Ist-Netz eine deutlich übersichtlichere Netzstruktur auf. Im Zielnetz ist die Leitungslänge um knapp 60 km kürzer als im Ist-Netz. Weiterhin werden 50 Leistungsschalter eingespart. In Bild 6 ist zu erkennen, dass das Ist-Netz deutlich höhere annuitätische Netzkosten gegenüber dem Zielnetz aufweist. Im Zielnetz liegen die Erwartungswerte der Unterbrechungshäufigkeit zwischen 0,13 1/a und 0,33 1/a bei einem Mittelwert über alle Stationen von 0,22 1/a. Aufgrund längerer Abgänge und einer höheren Anzahl von Stationen pro Abgang sind diese Werte höher als im Ist-Netz. Das Zielnetz weist aber weiterhin ein angemessenes, praxisübliches Zuverlässigkeitsniveau auf. Die Rechenzeit des Verfahrens zur Ermittlung des Zielnetzes beträgt auf einem üblichen Bürorechner ca. 10 Minuten (CPU 1,8 GHz). IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 47

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