Generierung von Benchmark-Modellnetzen in der Hochspannungsebene auf Basis öffentlich verfügbarer Daten

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1 SimBench Generierung von Benchmark-Modellnetzen in der Hochspannungsebene auf Basis öffentlich verfügbarer Daten Einleitung Methodische Vorgehensweise Generierung des Modellnetzes Erste Ergebnisse Annika Klettke, IAEW, RWTH Aachen Wien 1

2 Einleitung Hintergrund und Motivation Verbundprojekt der Uni Kassel, Fraunhofer IWES, TU Dortmund, RWTH Aachen gefördert durch das BMWi Simulationsdatenbasis zum einheitlichen Vergleich von innovativen Lösungen im Bereich der Netzanalyse, Netzplanung und -betriebsführung Stark veränderte Netznutzung durch steigenden Anteil an dezentraler Erzeugung im Verteilnetz Notwendigkeit neuer Verfahren und Methoden zur Simulation des Netzbetriebs und zur Bestimmung von Netzausbau- und optimierungsmaßnahmen Heute: Keine nachvollziehbare und transparente Validierung dieser Verfahren aufgrund Fehlender Vergleichbarkeit bei Verwendung vertraulicher Netzdaten Verwendung öffentlich verfügbarer Daten mit Modellierungsungenauigkeiten Verwendung bestehender Modellnetze ohne Bezug auf aktuelle Entwicklungen Ziel IAEW Entwicklung von Benchmark-Modellnetzen auf Basis öffentlicher Daten für die Hochspannungsebene unter Berücksichtigung heutiger und zukünftiger Anforderungen 2

3 Einleitung Charakteristika Eigenschaften des Hochspannungsnetzes Galvanische Trennung einzelner Netze Hoher Vermaschungsgrad und inhomogene Netzstruktur Einsatz von Betriebsmitteln regional abhängig und historisch bedingt Städtisch vorwiegend Verkabelung Ländlich vorwiegend Freileitungen Berechnung der gesamten Hochspannungsebene erfordert für viele Anwendungen sehr hohen Rechenaufwand Quelle: E.ON Netze Gesamtziel Verfahren zur Generierung von Modellnetzen zur adäquaten Abbildung der Hochspannungsnetzebene als Benchmark für innovative Netzberechnungsmethoden Herausforderung: geeignete Annahmen, einerseits für möglichst realitätsnahe Abbildung der Netze, andererseits zur Reduktion der Komplexität, um Rechenbarkeit zu gewährleisten 3

4 Methodische Vorgehensweise Übersicht Datenbasis und Analyse Clustering & Kategorisierung Versorgungsaufgabe Topologie Städtisch, ländlich, gemischt Eigenschaften Zielgröße Verfahren Anzahl Cluster Literaturrecherche Datenanalyse Modellnetze HöS Netzgenerierung je Kategorie Netzstruktur Betriebsmitteltypen Versorgungsaufgabe Auf Basis Spezifikation je Kategorie Gemäß Anforderungen aus AWF Doppelsammelschienen Kopplung MS/NS und HöS Einbindung von Zeitreihen MS/NS Export Unterschiedliche Dateiformate.csv,.xml sql-datenbank über Connector 4

5 Methodische Vorgehensweise Anforderungen an das Hochspannungsnetzmodell Adressierte Anwendungsfälle Netzverlustoptimierung Ausfallsimulation Topologieoptimierung Spannungsstabilitätsbewertung Simulation der Spannungs- Blindleistungsoptimierung Simulation der Netzwiederherstellung Modelle für HöS/HS-Schnittstelle Komponentenmodelle Erzeuger Einspeisung, Wirk- und Blindleistungsgrenzen, Leistungsgradienten Lasten Transformatoren Betriebsmittelgrenzen Zeitreihen HVDC Knotenscharf Stündlich Schaltanlagen (SS, LS, Trenner) Konfiguration, Spannungsband, Schaltzustände 5

6 Hochspannungsebene Rohdaten Generierung des Netzmodells Knoten-Zweig-Modell Download der Rohdaten über OpenStreetMap-Server Filterung der Daten über Spannungsebene und Netzgebiet mit optimistischem Ansatz Überführung in zusammenhängendes Netz Polygon Station Rohdaten aus OpenStreetMap 1. Elemente ohne Angabe über die Spannungsebene werden auf Schnittpunkte mit Elementen der Hochspannungsebene geprüft 2. Anschluss offener Leitungsenden zu Knoten einer Station 3. Zusammenfassung nah aneinander liegender Station 4. Erstellung neuer Station für offene Leitungsenden ohne umliegende Station 5. Leistungsflussbasierte Dimensionierung Knoten Station 6

7 Hochspannungsebene Generierung des Netzmodells Versorgungsaufgabe Installierte Kapazitäten der EE-Anlagen Installierte Anlagen aus dem EEG-Anlagenregister Angabe des Postleitzahlgebiets Verteilung EE-Anlagen Wind PV Konventioneller Kraftwerkspark Anlagenregister der BNetzA Verteilung der Last Jahreshöchstlast von 79 GW Verteilung gemäß Einwohnerdichte je Postleitzahlgebiet *Installierte Leistung pro PLZ-Fläche Zuordnung zu den Hochspannungsnetzknoten über sogenannte Voronoi-Gebiete Clustering und Auswahl typisierte HS-Netze auf Basis der Versorgungsaufgabe 7

8 Erste Ergebnisse Modellnetz - Vorwiegend städtisch Untersuchungsrahmen Netzausschnitt mit Umspannstationen zur HöS-Ebene und Verzweigungen Kategorie: vorwiegend städtisch Untersuchungen zur Validierung 1. Lastflussberechnung für Normalbetrieb 2. Ausfallsimulation zur Dimensionierung für (n-1)-situationen Untersuchungsergebnisse Durchführung der Untersuchung für mehrere Iteration bei sukzessiver Hinzunahme von parallelen Leitungen notwendig Leitungsauslastung von bis zu 300 % der Strombelastbarkeit in erster Iteration Hohe Leitungsauslastung rückzuführen auf teilweise fehlende Angabe zur Stromkreisanzahl Eignung des Netzmodells für die Anwendungsfälle Grundlastfluss und Ausfallsimulation 8

9 Hochspannungsebene Zusammenfassung und Ausblick Hintergrund und Motivation Notwendigkeit neuer Verfahren und Methoden zur Simulation des Netzbetriebs und zur Bestimmung von Netzausbau- und optimierungsmaßnahmen Berechnungen für gesamtdeutsches Hochspannungsnetz rechenaufwändig und nicht zielführend Methodische Vorgehensweise Generierung des Knoten-Zweig-Modells auf Basis von Geodaten aus OpenStreetMap Bestimmung der Versorgungsaufgabe sowie die Wahl des Netzausschnittes mithilfe veröffentlichter Netzstrukturdaten und dem Anlagenregister Erste Ergebnisse und Ausblick Validierung des Netzmodells mithilfe von Lastflussberechnung und Ausfallsimulation Dimensionierungsbedarf hinsichtlich der Redundanz und der Auslastung der Betriebsmittel Validierung mit weiteren Anwendungsfällen im Projektverlauf angedacht 9

10 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (IAEW) Schinkelstr. 6 D Aachen, Germany M.Sc. Annika Klettke Fon: ak@iaew.rwth-aachen.de M.Sc. Tobias van Leeuwen Fon: / tl@iaew.rwth-aachen.de Annika Klettke annika.klettke@iaew.rwth-aachen.de