Asset-Management in Verteilungsnetzen

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1 Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e.v. Asset-Management in Verteilungsnetzen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Armin Schnettler Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e.v. Mannheim Cigre Informationsveranstaltung Frankfurt, 9. November 2004

2 Gliederung Motivation für den Einsatz eines Asset-Managements in elektrischen Verteilnetzen Asset-Management Ablauf und Ziele Bedeutung der Komponenten-Zuverlässigkeit Aktuelles Forschungsvorhaben Erstellung einer neuartigen Schadensstatistik Zwischenstand der Auswertung Zusammenfassung und Ausblick

3 Motivation Rahmenbedingungen in in liberalisierten liberalisierten Energiemärkten Energiemärkten wachsender wachsender Kostendruck Kostendruck Altersstruktur Altersstruktur der der Komponenten: Komponenten: bisher bisher systematischer systematischer Ersatz Ersatz nach nach Jahren Jahren Betriebszeit Betriebszeit Versorgungsqualität Deutsches Verteilungsnetz km km Kabel Kabel km km Freileitung Freileitung kV/MS-Transformatoren Schaltanlagen Schaltanlagen mit mit Schaltfeldern Schaltfeldern Ortsnetzstationen Ortsnetzstationen und und Ortsnetztransformatoren Ortsnetztransformatoren Wiederbeschaffungswert etwa etwa Milliarden EUR EUR jährlicher Ersatz bisher 2,5% momentan 1% Herausragende Herausragende Bedeutung Bedeutung für für Versorgungszuverlässigkeit Versorgungszuverlässigkeit Kosten Kosten der der Energieversorgung Energieversorgung

4 Beispiel für Alterstruktur von Komponenten im Verteilungsnetz (1998) Anteil 30 % bis bis bis bis 40 über 40 Jahre Struktur geprägt durch: Netzausbau ab 1960 Grundsätzliches Auswechseln nach 40 Jahren Gleichmäßige Altersstruktur über 40 Jahre Angenommene Lebensdauer der Komponenten Quelle: Windmöller, R.: Die wirtschaftliche Bedeutung der Versorgungsqualität, Elektrizitätswirtschaft 97 (1998), H.25, S.14-22

5 Erwartungshaltung der Politik BMWA: Keine Reduktion der Versorgungssicherheit und Versorgungszuverlässigkeit erwünscht RegTP: Früher: Preis = Kosten + Gewinn Heute: Gewinn = Preis Kosten Regulierungsvorgaben kommen schneller, als von vielen erwartet Benchmarking und Anreizsysteme derzeit nicht vorgesehen Zielgrößen: optimale Versorgungszuverlässigkeit Kosten = Preis Gewinn!!

6 Einflussfaktoren auf die Zuverlässigkeit Kurzfristige Auswirkungen Verminderte Instandhaltung Mittelfristige Auswirkungen Höheres Anlagenalter Langfristige Auswirkungen Höhere Anlagenauslastung Personalabbau, Know-how-Verlust Anlagenverfügbarkeit Vereinfachte Netzstrukturen Systemzuverlässigkeit

7 Komponenten-Zuverlässigkeit Gesucht: Modellierung der Ausfallrate von Komponenten Grundlegende qualitative Zusammenhänge sind bekannt Alterungsmodelle Reversible Alterung Irreversible Alterung Badewannenkurve Unterschiedliche Ausfallursachen Externe Ursachen, z. B. atmosphärische Einwirkungen Interne Ursachen, z. B. Minderung der elektrischen bzw. mechanischen Eigenschaften Einfluss der Betriebsbedingungen Normalbetrieb Betrieb unter Erdschlussbedingungen

8 Komponenten-Ausfallrate Gesucht: Modellierung der Ausfallrate von Komponenten in Abhängigkeit vom Komponententyp vom Betriebsalter von der Betriebshistorie von Instandhaltungsmaßnahmen λ [1/a] 0,3 Daten in der Regel nicht verfügbar Ohne Instandhaltung Modelle in der Regel nicht verfügbar 0,2 0,1 Mit Instandhaltung t [a] Quelle: Stürmer, J.: Instandhaltungs- und Erneeuerungsstrategien in Verteilungsnetzen. Dissertation, Universität Dortmund, 2002

9 Beispielnetz - Hochspannung 110-kV-Freileitungsnetz 140 Knoten, Last 1300 MVA Stromkreislänge 1100 km

10 Beispielnetz - Mittelspannung 20-kV-Freileitungsnetz 20 Ortsnetzstationen, Last 8,5 MVA Stromkreislänge 21 km

11 Kombination der Einflussfaktoren (1/2) Auswirkungen im MS-Netz anhand Nichtverfügbarkeit Höheres Anlagenalter, verminderte Instandhaltung, höhere Anlagenauslastung, Personalabbau Nichtverfügbarkeit in min/a Grundvariante Kombination A01 A02 A03 A04 A05 A06 A07 A08 A09 A10

12 Kombination der Einflussfaktoren (2/2) Auswirkungen im HS-Netz anhand Nichtverfügbarkeit Höheres Anlagenalter, verminderte Instandhaltung, höhere Anlagenauslastung, Personalabbau 300 Grundvariante Kombination Nichtverfügbarkeit in min/a A B C D E F G H I J

13 Asset-Management in Energieversorgungsnetzen Ziele des Asset-Managements Minimierung der Gesamtkosten unter Gewährleistung einer angemessenen Versorgungsqualität Optimale Strategien für Instandhaltung, Reinvestition und Entstörung Wesentliche Kostenbestandteile Kapitalkosten Instandhaltungskosten Modellierung der Kostenbestandteile Deterministische Kosten Kapital- und sonstige Fixkosten Präventive Instandhaltung Reinvestitionen Stochastische Kosten Entstörung Reparatur / Ersatz Entschädigungen / Pönalen

14 Asset-Management Schematischer Ablauf Prognose Kenndaten Komponentenzuverlässigkeit Netz- und Komponentendaten z.b. Komponentenalter Strategien Instandhaltung Reinvestition Entstörung Zuverlässigkeitsber. Risikoanalyse Berechnung Stochastische Kosten Entstörung Reparatur / Ersatz Pönalen/ Erstattungen Deterministische Kosten Instandhaltung Reinvestition Sonstige Fixkosten Auswertung und Optimierung

15 Forschungsvorhaben Modellierung der Komponenten-Zuverlässigkeit ist von zentraler Bedeutung Projektteilnehmer: 12 Netzbetreiber, 2 Dienstleistungsunternehmen und 5 Forschungseinrichtungen Erstellung einer Schadenstatistik als Grundlage für die Modellierung Bestimmung der Fehlerwahrscheinlichkeiten der Komponenten Parametrierung der Modelle Verifikation eines umfassenden, risiko-orientierten Asset- Management-Verfahrens

16 Struktur des Forschungsvorhabens Arbeitskreis Projektsteuerung Projektgruppe Projektkoordination Teilprojekt 1 Komponentenverhalten Teilprojekt 2 Datenbanken und Auswertung Projektgruppe Grundsätze und Verfahren Projektgruppe Schadensstatistik Projektgruppe Datenbank Projektgruppe Bewertungsprogramme

17 Erstellung einer neuartigen Schadensstatistik Große Anzahl an Betriebsmitteln in Mittelspannungsnetzen Individuelle Zustandsüberwachung jeder einzelnen Komponente nicht möglich Zustandsbestimmung jeder einzelnen Komponente sehr zeit- und kostenaufwändig Anwendung statistischer Verfahren erforderlich Datenbank als Basis für neuartige Schadensstatistik Erfassung / Auswertung der betrieblichen Schäden von insgesamt 12 Netzbetreibern, mit und ohne Störung! Einrichtung einer zentralen Datenbank Dateneingabe via Internet Entwicklung eines speziellen Erfassungsschemas zur Dateneingabe Unterscheidung nach den Teilsystemen MS-Schaltanlage, Netzstation, Kabelanlage und Freileitung

18 Datenumfang Dateneingabe durch 12 Netzbetreiber Auswertung der Schäden der letzten 2 bis 10 Jahre Gemeldete Grundgesamtheiten und erwartete Schadenszahlen Einheit 110kV/MS Transformatoren Ortsnetztransformatoren Schaltanlagen Netzstationen Freileitungen Kabel Mengengerüst Stück km Auswertezeitraum Jahre Erwartete Schadenszahlen Stück Bisherige Schadenszahlen Stück

19 Datenerfassung und -auswertung Aus Zusammenarbeit mit beteiligten Netzbetreibern Teilsysteme MS-Schaltanlagen MS-Schaltanlagen (Einspeisetransformatoren) (Einspeisetransformatoren) Netzstationen Netzstationen (Ortsnetztransformatoren) (Ortsnetztransformatoren) Kabelanlagen Kabelanlagen Freileitungen Freileitungen Daten Beschreibung Beschreibung des des Teilsystems Teilsystems Klassifizierung Klassifizierung des des Netzes Netzes Betriebsbedingungen Schadenbeschreibung (u.a. (u.a. S.-ursache, S.-ursache, -auswirkung, -auswirkung, -anlass) -anlass) Schadenort Schadenort Kosten Kosten und und Folgekosten Folgekosten Instandhaltungsstrategie Störungsbeschreibung (u.a. (u.a. Letzte Letzte Maßnahme, Maßnahme, Dauer Dauer der der Nichtverfügbarkeit) Nichtverfügbarkeit) Auswertung alters- alters-und und typabhängige typabhängige Zuv.-Kenndaten Zuv.-Kenndaten (Verfügbarkeit (Verfügbarkeit der der Mengengerüste) Mengengerüste) Kosten Kosten Detaillierung Detaillierung abhängig abhängig von von eingehenden eingehenden Daten Daten Sinnvolle Sinnvolle Kombination Kombination der der Kriterien Kriterien

20 Eingabemaske Schadensprotokoll Netzstation

21 Modellierung des Fehlergeschehens Schadenstatistik als Grundlage für die Modellierung Ermittlung von zeitabhängigen und typspezifischen Zuverlässigkeitskenndaten Gewinnung fundierter Angaben über die durch Komponentenschäden verursachten Kosten Fehlerwahrscheinlichkeiten der Komponenten Einfluss von Beanspruchung, Instandhaltung und Reinvestition Abhängigkeit von Typ und Alter Parametrierung der Modelle Auswerte- und Bewertungsverfahren Eingangsgrößen für die Berechnung der Versorgungszuverlässigkeit Berechnung der Kosten für Komponentenschäden einschließlich eventueller Folgekosten und deren statistischer Streuungen Risikoanalyse zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit in festen Betrachtungszeiträumen

22 Zwischenstand der Auswertung (( Die Diagramme können leider nicht schriftlich zur Verfügung gestellt werden ))

23 Zusammenfassung und Ausblick Minimierung der Kosten einzig beeinflussbare Größe Erwartungshaltung der Politik: keine Reduktion der Zuverlässigkeit Großer Einfluss der Betriebsmittelbewirtschaftung auf Kosten und Versorgungszuverlässigkeit Fehlerwahrscheinlichkeit der Komponenten Unzureichende Datenbasis in Verteilnetzen Bisher unzureichende Modellierungsmöglichkeiten Breit angelegtes Forschungsvorhaben Bestimmung der Komponenten-Fehlerwahrscheinlichkeit Parametrierung der Modelle Ableitung der Kostenmodelle aus der Schadensstatistik Integration der neuen Erkenntnisse in den Ablauf des Asset- Managements