Anforderung an die Betriebsführung von Stromnetzen mit hohem Anteil EE

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1 Anforderung an die Betriebsführung von Stromnetzen mit hohem Anteil EE Welche Probleme haben wir heute und was erwarten wir für die Zukunft? (HanseWerk AG / Uwe Maschmann / )

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Netze und EEG Einspeisung in Schleswig-Holstein 3. Systemsystemsicherheit/Betriebsmittelschutz HS/HöS 4. Spannungsprobleme/Betriebsmittelschutz MS/NS 5. Probleme beim täglichen Betrieb der Netze 6. Lösungen und Funktionen heute 7. Blick in die Zukunft 8. Ausblick 2

3 1. Einleitung 3

4 1. Einleitung Welche Herausforderungen bestanden bei der Betriebsführung von ländlichen Verteilnetzen mit hohem EEG-Wind-Anteil in den letzten 10 Jahren, welche Probleme haben wir in der Gegenwart und wohin geht die Reise in den nächsten Jahren? Welche Technologien und Lösungen für Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit sind für die verschiedenen Netzebenen und Versorgungsaufgaben geeignet, werden heute bereits benutzt und/oder müssen zukünftig noch integriert werden? Welche Schritte werden unternommen, um die Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit im Stromnetz zu erhöhen? Was wird als dezentrale Intelligenz genutzt und welche zentralen Funktionsbausteine gibt es? Was wäre an Veränderungen im Umfeld (regulatorisch, gesetzlich, ) wünschenswert. 4

5 2. Netze und EEG Einspeisung in Schleswig-Holstein 2002/2003 erste Überlastungen der 110 kv Netze in Schleswig-Holstein 2002/2003 Studie, wie viel EEG Leistung verträgt das 110 kv Netz, wird von der UNI Dortmund durchgeführt. (Ergebnis = 1430 MW) 2003 Jede neu angeschlossene EEG Anlagen, die über diesen ermittelten Wert hinausgeht, muss sich dem Erzeugungsmanagement (ERZMAN) unterwerfen. Es gibt bereits die ersten ERZMAN Einsätze Es folgen die ersten Betriebsmittelüberlastungen von HS/MS und MS Betriebsmitteln. Auch hier kommt es zu ersten Abregelungen. Mittlerweile haben wir Probleme in allen Netzebenen Wir haben in den letzten Jahren immer nur reagiert und nicht vorausschauend agiert. 5

6 2. Netze und EEG Einspeisung in Schleswig-Holstein 110 kv Netz Schleswig-Holstein Netz AG Summe : 6708 MW 60 kv, 30 kv Verteilnetze 20 kv, 10 kv 230/400 V Wind Onshore PV Freifläche/Dach BHKW Sonstige Stand : MW 1320 MW 425 MW 144 MW 6

7 2. Netze und EEG Einspeisung in Schleswig-Holstein MW installierte Leistung aus WEA in Deutschland (2004) MW installierte Leistung in der E.ON Regelzone (2004) ~6.000 MW installierte Leistung aus WEA in Norddeutschland (2004) Quelle : Windreport 2005 / 7

8 2. Netze und EEG Einspeisung in Schleswig-Holstein EEG Einspeisungen können sehr stark und sehr schnell schwanken (Sturm / Bewölkung / Sonnenfinsternis). Quelle : Windreport 2005 / 8

9 3. Systemsystemsicherheit/Betriebsmittelschutz HS/HöS Betriebsmittelengpass Netzkuppler Flensburg Systemsicherheit 110 kv Systeme Systemsicherheit 110 kv Systeme Systemsicherheit 110 kv Systeme 9

10 4 Spannungsprobleme/Betriebsmittelschutz MS/NS Die Mittelspannungsbetriebsmittel Leistungstransformator, Kabel oder Freileitung sind bei EEG Volleinspeisung überlastet. Überlastungen von Betriebsmittel können sowohl die Versorgungssicherheit gefährden als auch die Lebensdauer der Betriebsmittel verringern. Sie müssen daher verhindert werden. WEA + PV überlasten in Netzen mit viel Einspeisung und wenig Versorgung bei hoher Gleichzeitigkeit aller drei Faktoren den Transformator und in einigen Fällen auch die Mittelspannungsleitungen. 10

11 4 Spannungsprobleme/Betriebsmittelschutz MS/NS Durch die steigende Anzahl von PV Einspeisungen und kleinen BHKW sind die Verteilnetze und Ortsnetze sowie die Verteilnetztransformatoren dazwischen hoch belastet. Hier ist neben der thermischen Überlastung der Betriebsmittel seit 2008/2009 auch die Spannungshöhe ein Problem. PV überlasten die durch WEA ohnehin stark belasteten Netzen mit viel Einspeisung und wenig Versorgung bei Volllast. Probleme bei gleichzeitig von Wind und Sonne (80-90 %) PV und kleine BHKW überlasten in letzter Zeit auch zunehmend die Ortsnetze. Problematisch ist hier die Kleinteiligkeit.

12 4 Spannungsprobleme/Betriebsmittelschutz MS/NS So sieht ein Netz in SINCAL mit vielen Einspeiser bis auf die NS- Ebene gerechnet aus. - Alle Netzebenen sind voll - Hohe Dauerlast durch viel BHKW - In der NS Ebene viele kleine Anlagen, die nach EEG nicht mal geregelt werden dürfen. So sieht das gleiche Netz nach Neubau eines Umspannwerkes in der Gegend aus.

13 5 Probleme beim täglichen Betrieb der Netze Da wir EEG Anlagen in der Regel nur n-0 sicher anschließen, können große Einspeiser im Mittelspannungsnetz nur im Normalschaltzustand ihre hohen Einspeiseleistung entsorgen. Bei Schaltmaßnahmen im Netz würde die Entsorgung durch Engpassbetriebsmittel begrenzt werden. Wird die Leistung zum rechten UW geführt, dann gibt es dort Kabelabschnitte mit zu geringem Querschnitt, die bei hoher Einspeiseleistung überlastet werden würden. 13 Großer Windpark mit 2 MW speist in linkes Umspannwerk. Die Betriebsmittel können von ihrer Auslastung her die Leistung auch bei Volleinspeisung ohne Probleme aufnehmen.

14 5 Probleme beim täglichen Betrieb der Netze Bei Schaltungen im Netz werden die Einspeiser angeschrieben, ihre Leistung abzusenken, damit in dem nicht normale Schaltzustand keine Betriebsmittel überlastet werden. Das kann bei einigen Schaltungen z.b. Abschaltung von 110 kv Stromkreisen bedeuten, dass mehrere 100 Schreiben an die Einspeiser geschickt werden. Die Betriebsmittel, die besonders in der Mittelspannung überlastet werden könnten, sind nicht immer geschützt und/oder überwacht, so dass eine Schädigung möglicherweise nicht bemerkt wird. Ggf. wird zu viel und manchmal zu lange abgesenkt, weil in den Schreiben nur feste Zeitfenster vorgegeben werden können. 14

15 Inhalt 1. Einleitung 2. Netze und EEG Einspeisung in Schleswig-Holstein 3. Systemsystemsicherheit/Betriebsmittelschutz HS/HöS 4. Spannungsprobleme/Betriebsmittelschutz MS/NS 5. Probleme beim täglichen Betrieb der Netze 6. Lösungen und Funktionen heute 7. Blick in die Zukunft 8. Ausblick 15

16 6. Lösungen und Funktionen heute 3 26% >5% 1 83% 4 18% 2 65% Sensitivitätsbetrachtung im HS - Netz / HöS - Netz 16

17 6. Lösungen und Funktionen heute Bei Überlastung im HS Netz oder auf Anforderung durch TenneT bei Überforderung im HöS Netz wird ermittelt, welche Trafos welchen Einfluss auf den Engpass haben. Danach werden entsprechende Abregelbefehle ausgelöst. Trafo mit höchstem Einfluss 0%, die nächsten dann 60%.. Im nächsten Schritt wird topologisch ermittelt, welche Einspeiser > 100 kw an diesen Trafos hängen. An diese Einspeiser werden dann die geforderten Sollwerte 0%, 60%, ausgelöst. Bei allen Einspeisern > 100 kw haben wir Rückmeldungen. Diese werden für alle Sollwerte entsprechend überwacht und bei Bedarf wiederholt. 17

18 6. Lösungen und Funktionen heute Freileitungsmonitoring 18

19 6. Lösungen und Funktionen heute In einem (n-1) sicheren Netz werden Übertragungsreserven für den Fehlerfall reserviert. Die Leitungen werden im Regelbetrieb teilausgelastet (z.b. 50%). G G G 50% 50% Trafo zur HöS Mit ALM werden diese Reserven freigegeben. Die Stromkreise können nahezu mit 100% belastet werden. Die Transportkapazität im Netz kann so - in Abhängigkeit vom Vermaschungsgrad um ca. 25 bis max. 50% gesteigert werden. G G G 100% 100% Trafo zur HöS Sollte ein Netzfehler auftreten, werden die Einspeiseleistungen unverzüglich (< 200 ms) auf ein für das Netz verträgliches Maß reduziert. Kaskadenausfälle werden durch das ALM vermieden. G G G 100% Kurzschluß Trafo zur HöS ALM (Auslastungsmonitoring) / ECA 19 Schutzauslösung ECA Auslösung

20 6 Lösungen und Funktionen heute 39 41,5 42,5 42, ,5 41,95 42,53 Δt = ns 42,45 41,95 S [%] 41 39,5 100% 90% Meldung 3min Überschreitung 105% steht an Meldung 15min Überschreitu ng 100% steht an 3 min 15 min t [min] 20 Die Mittelwertbildung erfolgt zeitdiskret alle n Sekunden 3 min. Auslösung: 3 min Mittelwert > 105% 15 min. Auslösung: 15 min Mittelwert > 100% Freigabe erfolgt bei Unterschreitung Freigabeschwelle Freigabeschwelle abhängig von der installierten Leistung S inst < 1,1*S rt à Freigabeschwelle = 90% S inst < 1,15*S rt à Freigabeschwelle = 85% S inst < 1,2*S rt à Freigabeschwelle = 80% Netzsicherheitsmanagement HS/MS Transformatoren

21 6 Lösungen und Funktionen heute Regeleingriff Freigabe Regeleingriff Freigabe Wirkleistung / Scheinleistung (aktuell / 3 / 15) ca. 1 1,5 Stunden Öltemperatur 21 Netzsicherheitsmanagement HS/MS Transformatoren

22 6 Lösungen und Funktionen heute Wir arbeiten mit einem dynamischen Belastungsgrad. Ein Kleinfernwirkgerät bildet aus dem Strom der Leitung den Tageslastspiegel der Leitung und leitet davon ab, wie hoch die Leitung aktuell belastet werden könnte, ohne dass eine Schädigung erfolgt oder wir in Schutzbereiche mit Auslösung der Leitung kommen. Alle 15 Minuten bildet das Kleinfernwirkgerät einen Strommittelwert und ermittelt dann mit diesem den neuen Tageslastspiegel als gleitenden 24 Stunden Mittelwert. Netzsicherheitsmanagement MS Kabel 22

23 6 Lösungen und Funktionen heute In diesem Beispiel würde der gleitende 24-Stunden-Mittelwert (entspricht dem Tageslastspiegel) 0,52 betragen. Netzsicherheitsmanagement MS Kabel 23

24 6 Lösungen und Funktionen heute Wir fahren die MSP-Kabel bei hoher Einspeisung mit dieser Funktion so, dass wir uns im dynamischen Belastungsgrad zwischen 0,7 und 1,0 bewegen. Sonst würden wir in die Auslösebereiche der Schutzrelais kommen. Wenn der 24-h-Mittelwert auf diesem Kabel 1,0 beträgt, lassen wir nur einen Strom von 373 Ampere zu. Darüber liegende Leistung wird abgeregelt. Wenn der 24-h-Mittelwert auf diesem Kabel 0,7 beträgt, lassen wir sogar einen Strom von 461 Ampere zu. Darüber liegende Leistung wird abgeregelt. Netzsicherheitsmanagement MS Kabel 24

25 6 Lösungen und Funktionen heute 110 kv Netz Schleswig-Holstein Netz AG 110 kv Netzanschluss für ein EEG Umspannwerk Vorgaben für Wirkleistung und CosPhi EPM Master Schaltanlage 20 kv NAP/NVP NAP/NVP NAP/NVP NAP/NVP EPM Slave und Messumformer pro Abgang Betreiber eigene Kabel mit teilweise mehreren Kilometern Länge EPM Slave pro NAP Vorgaben müssen auf NAP/NVP geregelt werden

26 Inhalt 1. Einleitung 2. Netze und EEG Einspeisung in Schleswig-Holstein 3. Systemsystemsicherheit und Betriebsmittelschutz HS / HöS 4. Betriebsmittelschutz MS 5. Spannungsprobleme und Betriebsmittelschutz NS 6. Lösungen und Funktionen heute 7. Entwicklungen zukünftig 8. Ausblick 26

27 7 Blick in die Zukunft Wie deutlich zu erkennen ist, haben wir in den letzten Jahren schon sehr viel getan, um die dezentral eingespeiste Leistung nur ansatzweise aufzunehmen. Leider reichen diese Anstrengungen noch nicht. Anbei ein Beispiel um zu verdeutlichen, womit wir aktuell kämpfen. Im Mai 2015 haben wir 2000 Einsätze gehabt, wobei ein Einsatz mehrere EEG Anlagen bezogen auf den NAP Punkt umfassen kann und von 15 Minuten bis hin zu mehreren Tagen dauern kann Abregelungen aufgrund von Anforderungen durch TenneT Abregelungen aufgrund von Überlastungen in der 110 kv Abregelungen aufgrund von Problemen an MS Betriebsmitteln Händisch ausgelöste EEG Abregelungen bei geplanten Schaltungen Betriebliche Abregelungen aufgrund geplanter EnWG Maßnahmen. Wir haben also noch Handlungsbedarf, Verbesserungen einzubringen. 27

28 7 Blick in die Zukunft Verbessertes Betriebsmittelmonitoring 110 kv : Leiterseiltemperaturmessung, nicht nur Windmessung HS/MS Trafo : Öltemperatur und Kerntemperaturmessung MS Kabel : Kabeltemperaturmessung Damit können wir die Betriebsmittel noch weiter auslasten aber auch rechtzeitig erkennen, wann sie geschädigt werden könnten. 28

29 7 Blick in die Zukunft Deutlich mehr und bessere Messwerte aus der MS 29 Diese benötigen wir unter anderem, um auch in der MS analog zur HS eine Netzsicherheitsrechnung im Leitsystem implementieren zu können. Damit wäre dann Folgendes möglich. Erkennung von Überlastung von Betriebsmitteln in der MS bei Schaltungen im Netz Keine prophylaktische Abschaltung, sondern bedarfsgerechte Abregelung Spannungserhöhungen in den Ortsnetzstationen sind rechtzeitig erkennbar und es kann zeitnah gegengesteuert werden. Weitbereichsregelungen sind möglich Sensitivitätsbetrachtung auch in einer MS-Netzinsel. Dann können wir im ersten Schritt nur die Einspeiser abregeln, die auch den größten Einfluss auf den Engpass haben.

30 7 Blick in die Zukunft Sensitivitätsbetrachtung in einer MS Netzinsel ist ebenfalls möglich 30

31 7 Blick in die Zukunft Aggregiert Informationen aus der Niederspannung In der Niederspannung sind wir heute blind und reagieren nur bei Störungen und/oder Beschwerden Spannungserhöhungen sind rechtzeitig erkennbar und es kann zeitnah gegengesteuert werden. Mögliche Betriebsmittelschädigungen wären ggf. erkennbar. EisMan auch in der Niederspannung für kleine Einspeiser Weitbereichregelungen sind möglich (Hier fehlen uns aber noch die Erfahrungen) 31

32 7 Blick in die Zukunft Verbesserung der betrieblichen Abläufe Wir signalisieren heute schon betriebliche Abschaltungen / Abregelungen über Sollwerte beim Einspeiser. Hier wären variable Abregelung, wenn es tatsächlich zu Überlastungen kommt, und keine festen Vorgaben mehr denkbar. Deutlich mehr automatisch Abläufe und weniger manuelle Eingriffe. Der Schutz unser HS/MS Trafos ist bereits vollautomatisiert. Hier sind nur manuelle Eingriffe notwendig, wenn Alarme des Leitsystems kommen. Auch Richtung HS/HöS sind automatische Abläufe denkbar. 32

33 7 Blick in die Zukunft Stabile Infrastruktur Mindestens die großen Einspeiser müssen schnell erreichbar sein. Wählverbindungen, Rundsteuerung, SmartMeter, sind dauerhaft keine zielführenden Lösungen. Mobilfunkverbindungen sind bei großen Einspeisern keine Lösung, da sie zu instabil sind. Wir haben hier im letzten Jahr schlechte Erfahrungen mit vorrübergehender Mobilfunkanbindung von Umspannwerken gemacht. 33

34 7 Blick in die Zukunft Umfeld und Rahmen Ist eine zwanghafte Gleichbehandlung immer und in jedem Fall zwingend notwendig und volkswirtschaftlich zielführend? Oder kann man davon auch in begründeten Fällen abweichen? Sind die 0/30/60/100 % noch zeitgemäß? Kann man vielleicht über 10% Stufen nachdenken. Muss man das Netz wirklich so auslegen, dass wir die komplette Leistung abführen können. Oder darf man vielleicht auch einen Teil der Leistung abregeln ohne das Netz verstärken zu müssen? (MS Kabelmonitoring) 34

35 8 Ausblick Leistung 5 MW Rotordurchmesser 126 m Höhe 120 m Wind (max.) 10,5 m/s Gewichte Blatt ~ 18 t Gondel (inkl. Rotor) ~ 425 SAE Veranstaltung Köln t Turm (120 m) 750 t 35

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