Netzführung mit Intelligenz

Mit SASO entwickelt die TenneT TSO gemeinsam mit PSI die nächste Generation der Netzleittechnik im Bereich der Höchstspannungsnetze.

Die Übertragungsnetze der Höchstspannung (380 und 220 kV) sind gleichermaßen gefordert durch den stark steigenden Anteil Erneuerbarer Energien – aktuell vorwiegend von Offshore- Windenergie – , den Ausstieg aus der Kernenergie in Deutschland und den weiträumigen Stromtransport im Rahmen des europäischen Verbundnetzes und Stromhandels. Übertragungsnetzbetreiber wie das niederländische Unternehmen TenneT TSO, das in Deutschland das größte Übertragungsnetz (der früheren E.ON Netz) betreibt, kommen dabei zunehmend zentrale, netzstabilisierende Aufgaben unter Einbeziehung der großen Kraftwerke in deren Netzgebiet zu.

Neben der reinen, durch den Verbraucher nutzbaren Wirkleistungserzeugung besteht auch ein hoher Bedarf an Blindleistung zum Zwecke der Spannungshaltung. Dieser Bedarf muss lokal durch Kraftwerke und Kompensationseinrichtungen gedeckt werden. Dabei investiert die deutsche TenneT TSO GmbH nicht nur hohe Millionenbeträge in Kraftwerkstechnik, wie z. B. Phasenschieber und Blindleistungskompensationseinrichtungen, sondern mit SASO auch in eine intelligente Überwachung und Analyse des Übertragungsnetzes.

SASO steht für „Security Assessment and System Optimization“ und stellt eine modulare Ergänzung des TenneT-Netzleitsystems dar. Das Bedienpersonal in den Leitstellen erhält damit Werkzeuge für eine proaktive Netzführung, bei der kritische Situationen rechtzeitig erkannt, visualisiert und Lösungsvorschläge zur Entscheidung aufbereitet werden, um zeitnah korrektive und präventive Maßnahmen einzuleiten. Eine solche zusätzliche Unterstützung des Netzbetriebes wird erforderlich infolge der steigenden Komplexität sich schnell ändernder Netzsituationen.

Blindleistungsmanagement zunächst im Fokus

Visualisierungsbeispiel bei der Blindleistungskompensation in SASO. Hier werden die Spannungswinkel gezeigt.

Visualisierungsbeispiel bei der Blindleistungskompensation in SASO. Hier werden die Spannungswinkel gezeigt.

Das SASO-Projekt startete Anfang 2014. Bereits zu Beginn wurden drei Module geplant. Zunächst fokussierte sich das Projekt auf das Blindleistungsmanagement mit zwei Stufen (BLM1 und BLM2), die beide bereits abgeschlossen sind. Die dritte Phase startete im Oktober 2016 und beinhaltet die Online-Stabilitätsberechnung (OSR). Diese soll im Frühjahr 2018 in Betrieb genommen werden. Die ersten beiden Phasen stellen mit der Blindleistungskompensation eine Dienstleistung in den Vordergrund, die unter anderem aus konventionellen Kraftwerken erbracht werden muss. Kostenseitig hat dies mit unter einen sehr negativen Effekt, da diese, meist zu Zeiten geringen Verbrauchs, auch manchmal ausschließlich für die Blindleistungskompensation hochgefahren werden müssen.

Daher gilt es für die Übertragungsnetzbetreiber, die Bereitstellung von Blindleistung intelligent und ressourcenschonend zu steuern. Das Ziel: Zum Zwecke der Spannungshaltung sollen Kraftwerksanfahrten möglichst vermieden werden. Innerhalb der Stufe BLM1 von SASO geht es also darum, zu erkennen, an welcher Stelle des Netzes Spannungsprobleme auftauchen können, um alle zur Behebung des Problems dafür im Übertragungsnetz zur Verfügung stehenden, lokalen Blindleistungsquellen zu identifizieren. Auf der Erzeugungsseite sind diese Quellen beispielsweise aktive Synchrongeneratoren bei Großkraftwerken. Zur Netzseite gehören passive Kompensationseinrichtungen wie Spulen oder Kondensatoren. Zudem wird der optimalste Einsatz dieser Blindleistungsquellen ermittelt und visualisiert.

Die Stufe BLM 2 geht noch einen Schritt weiter, indem ein Prognosehorizont von 48 Stunden implementiert worden ist. Dem Schichtführer liegt damit zu jedem Zeitpunkt eine Hochrechnung darüber vor, wie sich das Übertragungsnetz künftig verhält. „Diese Prognose ist enorm wichtig für die Planung von Kraftwerkseinsätzen, da deren Anfahr- und Mindeststillstandszeiten einkalkuliert werden müssen“, sagt Robert Fuchs, Teamleiter Daten- und Applikationsmanagement TenneT. Berücksichtigt werden dabei sämtliche netz- und marktbezogenen Maßnahmen, die dem Übertragungsnetzbetreiber zur Verfügung stehen.

Gerade in Situationen in denen die Regenerative Einspeisung die konventionelle verdrängt und somit nur wenige Blindleistungsquellen zur Verfügung stehen, soll damit spannungsbedingtes Redispatching von Kraftwerken möglichst vermieden werden. „Das ist ein anspruchsvoller Teil des Projektes, bei dem weite Teile des Unternehmens mit ihrem jeweiligen Know-how involviert sind. Zudem ist der Rechenaufwand sehr hoch“, sagt Fuchs. Daher ist SASO als schnittstellenoptimiertes eigenständiges System konzipiert. Das ist wichtig, um zum einen alle nötigen Informationen aus den verschiedenen Systemen zu bündeln und daraus verifizierte Erkenntnisse zu gewinnen und zum anderen die Performance des Netzleitsystems nicht zu beeinflussen. Aus Sicht der IT ist SASO ein Modul des Leitsystems PSIcontrol, das bei der TenneT auch als Entwicklungsplattform für neue Werkzeuge und innovative Bedien- und Visualisierungskonzepte genutzt wird. Als Grundlage weiterführender Berechnungen werden die statischen und dynamischen Netzdaten vom Leitsystem zyklisch übernommen. Sobald die entwickelten Applikationen erfolgreich erprobt und abgenommen sind, können sie nahtlos in das Hauptsystem bei TenneT integriert werden.

Vorschläge für die Maßnahmenplanung

Grundsätzlich ermittelt SASO Vorschläge für Maßnahmen zur Einhaltung der Netzstabilität. Da diese Auswahl nicht einfach ist und oftmals sich widersprechende Ziele berücksichtigt werden müssen, hat die PSI AG in deren Optimierungssystem das Prinzip der sogenannten Fuzzy Logik implementiert. Dabei werden nicht exakt definierbare Einflüsse (Fuzzy (englisch) = unscharf, mehrwertig) mit in mathematische Berechnungen integriert. Im Gegensatz zu klassischen, linearen Optimierungsansätzen soll diese Methode, bei der mathematische Verfahren und empirisches Expertenwissen kombiniert werden, der Komplexität im Übertragungsnetz gerecht werden. PSI greift dabei auf Erfahrungen aus anderen Konzernteilen zurück, die die Fuzzy Logik bei Optimierungen von logistischen, verkehrstechnischen und anderen Energienetzen bereits nutzen („Qualicision“: „Multikriterielle Optimierung“).

Als Ergebnis entsteht bei der Analyse von kritischen Netzsituationen ein Ranking von verschiedenen Maßnahmen. Tritt beispielsweise ein Spannungsabfall an einem Umspannwerk auf, wird zunächst ermittelt, welche Komponenten betroffen sind. Darauf wird, mittels einer Sensitivitätsanalyse, berechnet, welche Betriebsmittel einen signifikanten Einfluss auf die Problembereinigung haben. „Für die Problemlösung kommen sehr viele verschiedene Kombinationen der so ermittelten Einzelmaßnahmen in Frage. Mitunter sind dies Tausende, die alle bewertet werden“, erklärt Robert Fuchs von TenneT. Dabei berücksichtigt der Fuzzy Controller die unterschiedliche Gewichtung der festgelegten Ziele für die Bewertung der Maßnahmen. So kann die Reaktionsgeschwindigkeit prioritärer bewertet werden, oder die Kostenminimierung mehr im Vordergrund stehen. Ein mögliches Hauptziel kann es auch sein, bestimmte Betriebsmittel bevorzugt zu nutzen oder Maßnahmen zu vermeiden. Insgesamt gibt es acht Einflussgrößen, die alle unterschiedlich mit einem Wert zwischen 0 und 1 gewichtet werden. Bei den Auswerteverfahren gehen auch die Erfahrungen der Schichtmitarbeiter ein. Noch kann TenneT das Potenzial für Optimierungen im Netzbetrieb nicht beziffern, da das System noch nicht lange genug operativ ist. „Die Erwartungen sind jedoch sehr hoch“, weiß Fuchs schon heute. Aktuell sorgt das installierte Blindleistungsmanagement bereits für Interesse in den nachgelagerten Spannungsebenen, vor allem in den 110-kV-Netzen. „Die hier gewonnen Erkenntnisse sind sehr gut für diese Spannungsebene adaptierbar“, sagt Fuchs.

Die Onlinestabilitätsrechnung

In der aktuellen dritten Phase von SASO, der Projektierung der Online-Stabilitätsberechnung (OSR), geht TenneT noch einen entscheidenden Schritt weiter. Die Idee hinter der OSR ist es, die Netzkapazität besser auszulasten, ohne das Risiko einer Versorgungsunterbrechung oder Schäden an Betriebsmitteln zu erhöhen. Dazu sollen die Stabilitätsgrenzwerte der Stromkreise in Echtzeit während des Betriebes bestimmt werden. Mit dieser Bestimmung der Grenzwerte anhand des dynamischen Netzverhaltens stellt OSR einen Paradigmenwechsel dar. Bisher werden die Stabilitätsgrenzwerte einmal im Jahr anhand von definierten, statischen Worst-Case-Szenarien berechnet und im Leitsystem hinterlegt. Diese Stabilitätsgrenzwerte gehen in die Ermittlung der Übertragungsfähigkeit des Netzes ein und können so die Stromtragfähigkeit einzelner Stromkreise begrenzen, selbst wenn die Worst-Case Annahmen aktuell nicht vorherrschen. Daher plant TenneT diese künftig anhand der aktuellen Netzsituation zu berechnen.

Auf dem Weg zum Autopiloten

Aktuell wird SASO zur Analyse und Entscheidungshilfe ohne eigene Steuerfunktion eingesetzt. In Zukunft kann SASO zu einem selbstlernenden System ausgebaut werden, das in kritischen Netzsituationen zu einer automatisierten Entscheidungsfindung gelangt – einer Art Autopilot in der Netzleittechnik.

PSI Stand 3-326

Kontakt: PSI AG, 63741 Aschaffenburg, Gerhard Buchweitz, +49 6021/366 359, www.psienergy.de

Bilder: PSI AG, TenneT TSO

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