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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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Netzbetrieb mit

Netzbetrieb mit Freileitungs-Monitoring Network Operation with Overhead Line Monitoring Dipl.-Ing. Tilman Ringelband tilman.ringelband@iaew.rwth-aachen.de FORSCHUNGSPROJEKTE Durch die wachsende Einspeisung von Windenergie steigt die Belastung des elektrischen Übertragungsnetzes. Bisher wird darauf zum einen mit Erzeugungsmanagement für Windparks und zum anderen mit Netzausbau reagiert. Alternativ können jedoch Reserven des bestehenden Netzes genutzt werden. Durch Messung der Wetterbedingungen entlang einer Freileitung im Rahmen eines Freileitungs-Monitoring oder durch direkte Temperaturmessung der Leiterseile kann die zulässige Strombelastbarkeit der Leitung, statt wie bisher konstant festgelegt, dynamisch angepasst werden. In dieser Arbeit wird daher der Zusammenhang von maximaler Strombelastbarkeit und Wetterbedingungen analysiert und modelliert. Simulationen des Netzbetriebs mit Freileitungs-Monitoring sollen zeigen, inwiefern dieses die Übertragungskapazität und eventuell die Netzsicherheit erhöhen kann. Due to the growing feed-in of wind energy the system load of electrical transmission networks increases. Up to now transmission system operators rise to this challenge by generation management of wind farms or expanding their transmission networks. Alternatively, reserves of the existing transmission network can be exploited by dynamic thermal ratings utilising overhead line monitoring. Until now constantly determined values of the maximum ampacity of overhead lines have been used. However, the maximum ampacity of a line can be calculated dynamically by measuring the weather conditions along the overhead line. This research work will analyse and model the correlation between maximum ampacity and the weather conditions. Simulating the network operation quantifies the enhancement of transport capacity and the improvement of the secure power supply that can be achieved by overhead line monitoring. 1 Einleitung 1.1 Motivation Für die kommenden Jahre wird bedingt durch die wachsende Einspeisung von Windenergie und durch den zunehmenden grenzüberschreitenden Stromhandel eine stark ansteigende Belastung des elektrischen Übertragungsnetzes erwartet. Diese zunehmende Belastung wird nennenswerte Netzausbauten erfordern [1]. Da der Ausbau des Übertragungsnetzes, insbesondere bedingt durch lange Genehmigungsverfahren, nur begrenzt mit der schnell anwachsenden installierten Leistung von Windenergieanlagen Schritt halten kann, hat der Gesetzgeber den Übertragungsnetzbetreibern zugestanden, Strom aus erneuerbaren Energien nicht abzunehmen, wenn deren Netz bereits durch Strom aus anderen, früher angeschlossenen Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien ausgelastet ist [2]. Dieses als Erzeugungsmanagement bezeichnete Vorgehen stellt jedoch nur eine Übergangslösung dar, da andererseits unverzüglich das Netz ausgebaut werden muss, um neue Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien anzuschließen. Vor dem Hintergrund der hohen Kapitalkosten für den Ausbau des Übertragungsnetzes und des Kostendrucks durch die Regulierung der Netznutzungsentgelte besteht bei den Betreibern von Übertragungsnetzen ein Bedarf nach Maßnahmen, die eine kostengünstige Alternative bzw. Ergänzung zum Netzausbau darstellen. Ein geeigneter Ansatz für eine solche Maßnahme besteht in der Ausnutzung von Reserven des bestehenden Netzes. Bisher wird der thermische Grenzstrom von Freileitungen in der Regel unter konservativen Annahmen festgelegt [3]. Wenn die Freileitungen im Rahmen eines Freileitungs-Monitoring (FM) mit echtzeitfähigen Telemetrie-Systemen ausgestattet werden, ist es jedoch möglich, den thermischen Grenzstrom während des Netzbetriebes dynamisch zu berechen. Durch den damit potentiell höheren Grenzstrom kann die Übertragungskapazität bestehender Leitungen erhöht werden. Erfolgreiche Feldversuche im Ausland [4, 5] zeigen eine Erhöhung der Übertragungskapazität von 5 - 15% [6]. Vor diesem Hintergrund ist auch in Deutschland ein Feldversuch angelaufen [7]. Dennoch muss konstatiert werden, dass die dynamische Bemessung von Freileitungen auf Basis eines Monitoring bislang nur punktuell eingesetzt wird, obwohl Monitoring- und Datenübertragungssysteme wie auch Algorithmen zur dynamischen Bemessung von Leitungen kommerziell verfügbar sind [8]. Als Grund werden vor allem Schwierigkeiten bei der Integration in die Netzbetriebsführung angeführt [6, 7]. IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 91

FORSCHUNGSPROJEKTE 1.2 Ziel der Arbeit 3 Weiteres Vorgehen Wegen der genannten Schwierigkeiten bei der Implementierung des FM sollen geeignete Verfahren zur Integration verschiedener Konzepte desselben in die Netzbetriebsführung analysiert werden. Um die Möglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Konzepte und Verfahren beurteilen zu können, soll anschließend der Betrieb des Netzes unter Einsatz von FM simuliert werden. Auf dieser Basis soll insbesondere untersucht werden, inwieweit • die Drosselung von Windenergieanlagen im Rahmen des Erzeugungsmanagements vermieden werden kann, • Netzausbau und –verstärkungsmaßnahmen wirtschaftlich sinnvoll ersetzt oder ergänzt werden können und • die Netzsicherheit bei vermiedenem Netzausbau gewährleistet bleibt. 2 Analyse 2.1 Abgrenzung des Betrachtungsbereichs Wegen der stark wachsenden installierten Leistung von Onshore- und Offshore-Windparks in last- und strukturschwachen Gebieten und des damit verbundenen Transports einer hohen Leistung über weite Strecken ist die Anwendung des FM vor allem im Hoch- und Höchstspannungsnetz sinnvoll. Die Untersuchungen konzentrieren sich daher auf diese Spannungsebenen. Im Hoch- und besonders im Höchstspannungsnetz sind Freileitungen weit häufiger anzutreffen als Kabel. Da außerdem Kabel von Wetterbedingungen weitgehend unbeeinflusst sind, soll das prinzipiell durchführbare Monitoring von Kabeln in dieser Arbeit nicht betrachtet werden. 2.2 Konzepte zum Freileitungs-Monitoring Die verschiedenen Konzepte zum FM unterscheiden sich v. a. durch die telemetrisch erfassten physikalischen Größen. Die einfachsten Methoden basieren auf der Messung der Umgebungstemperatur [6]. Genauere Ergebnisse lassen sich durch die zusätzliche Berücksichtigung von Windgeschwindigkeit und Richtung erzielen. Auch der Leiterstrom stellt eine wichtige Einflussgröße dar, die in der Regel ohnehin gemessen wird. Ein grundsätzlich anderer Ansatz besteht darin, die Zugspannung des Leiterseils zu messen, um daraus dessen Durchhang zu berechnen. Auf dieser Basis ist ebenfalls eine dynamische Berechnung der Stromtragfähigkeit möglich [5]. In einem ersten Schritt werden die verschiedenen Konzepte des FM näher analysiert. Nach der Identifikation sinnvoller Konzepte werden diese modelliert und in Verfahren zur Simulation des Netzbetriebs integriert. Unter Verwendung einer zu erstellenden Wetterdatenbasis werden Untersuchungen zu einem möglichen Vorteil von FM hinsichtlich der Substitution von Netzausbaumaßnahmen, der Vermeidung von Erzeugungsmanagement und der Wahrung der Netzsicherheit durchgeführt. 4 Literatur [1] Energiewirtschaftliche Planung für die Netzintegration von Windenergie in Deutschland an Land und Offshore bis zum Jahre 2020 (dena-Netzstudie), S. 106 - 125 Deutsche Energie-Agentur, Berlin 2005 [2] Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG) vom 21.07.2004, §4 Bundesgesetzblatt Jahrgang 2004 Teil I Nr. 40 [3] DIN EN 50128:2001 Leiter für Freileitungen – Leiter aus konzentrisch verseilten runden Drähten, S.24 Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin 2001 [4] Engelhardt, J.S.; Basu, S.P. Design, Installation, and Field Experience with an Overhead Transmission Dynamic Line Rating System IEEE Transmission and Distribution Conference 1996. Proceedings, S. 366 - 370 IEEE 1996 [5] Dynamic Circuit Thermal Line Rating California Energy Commission Los Angeles 1999 [6] Adapa, R.; Douglass D. A. Dynamic Thermal Ratings: Monitors and Calculation Methods PES 2005 Conference and Exposition in Africa. Proceedings of the Inaugural IEEE, S. 163 - 167 Durban 2005 [7] Iken, J. Mehr Windstrom ins Netz Sonne Wind & Wärme 11, 2006, S. 108 - 110 [8] Distributed Temperature Monitoring of Energy Transmission Systems Lios Technology, Köln 2006 http://www.lios-tech.com/ 92 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

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