Versorgungszuverlässigkeit als Standortvorteil Bewertung und Sicherung im Smart Grid

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1 Versorgungszuverlässigkeit als Standortvorteil Bewertung und Sicherung im Smart Grid Dr.-Ing. Hendrik Vennegeerts, FGH e.v. / FGH GmbH Dr.-Ing. Daniel Schacht, FGH GmbH Life needs Power, Hannover, 24. April 2017

2 Agenda Versorgungszuverlässigkeit in Deutschland heute Veränderung in Betrieb und Planung von Verteilnetzen durch Smart-Grid-Anwendungen neues Zuverlässigkeitsberechnungsverfahren exemplarische Ergebnisse Einfluss der IKT für Smart-Grid-Anwendungen Sensitivität der IKT-Zuverlässigkeit FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

3 Versorgungszuverlässigkeit in Deutschland heute Nichtverfügbarkeit infolge stochastischer Störungen (alle Ereignisse, T U >3 min) (Quelle: CEER: 6th CEER Benchmarking Report on the Quality of Electricity and Gas Supply, 2016) FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

4 Versorgungszuverlässigkeit in Deutschland heute Nichtverfügbarkeit infolge stochastischer Störungen (alle Ereignisse, T U >3 min) (Quelle: CEER: 6th CEER Benchmarking Report on the Quality of Electricity and Gas Supply, 2016) hohes Versorgungszuverlässigkeitsniveau in Deutschland Industrie bestätigt Bedeutung für Standort Deutschland (z.b. VIK-Umfragen) FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

5 Veränderungen in Betrieb und Planung von Verteilnetzen Steigende Anforderungen an Verteilnetze Aktuell aufgrund dezentraler Erzeugungsanlagen (DEA) In Zukunft Steigerung der Verbrauchsleistung erwartet (z.b. Wärmepumpen, E-Mobility) Deutlicher Netzausbau aktuell und in Zukunft notwendig Alternative Maßnahmen basierend auf Informations- und Kommunikationstechnik (Smart Grids) in Umsetzung und Bestandteil weitergehender Untersuchungen Ziel von Smart Grids: Effiziente Ausnutzung bestehender Infrastruktur Planung des elektrischen Netzes (Primärsystem) näher an technischen Grenzen Technisch zulässiger Netzbetrieb abhängig von aktiven Regelungen, Steuerungen und Messungen sowie Informations- und Kommunikationssystem (IKT-System) Rückwirkung auf Kunden und Versorgungszuverlässigkeit möglich Umspannwerk Entwicklung eines Verfahrens für die Bewertung der Zuverlässigkeit in Smart Grids FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

6 Betrachtungsbereich Teilaspekte des Smart Grid Verteilnetze (Primärsystem-Betriebsmittel, PSB) Integration von Smart Grid Anwendungen (SGA) Monitoring Systeme Automatische Trennstellenverschiebung Demand Side Management (DSM) Erzeugungsmanagement (EZM) Regelbarer Transformator mit Regelung auf entfernte Messgrößen Fernbedientes Schalten Informations- und Kommunikationstechnik (IKT-System) Detaillierte Simulation der Betriebszustände, da nur zeitweise SGA-Bedarf je nach aktueller Netznutzung Detaillierte Abbildung von IKT-System notwendig Primärsystem Kommunikationsanforderungen IKT-System Messungen Sekundärtechnik SGA Überwachung Steuerbefehle Steuerung/Regelung Kommunikationsverbindungen FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

7 IKT-System Nachbildung Netztopologie & Betriebsmittel Modellierung IKT-System Netzebene Stationsebene Leitstelle Stationssteuereinheit (Leitstelle) Nachbildung Lichtwellenleiternetz Kommunikationsverbindung (KV) Feldebene Feldsteuereinheit Erzeugungsmanagement Modem / Router / Gateway Mainboard / Stromversorgung Kommunikationsverbindung IKT-System-Betriebsmittel Zuverlässigkeit IKT-System bestimmt von Topologie, Redundanz & Betriebsmitteln Realisierung IKT-System über unterschiedliche Übertragungsmedien möglich (LWL: Lichtwellenleiter, MF: Mobilfunk, ) Unterschiede im Zuverlässigkeitsniveau zwischen IKT-Systemen wahrscheinlich Explizite Nachbildung des IKT-Systems als Knoten-Zweig-Modell Zweige: Kommunikationsleitungen entsprechend Übertragungsmedium Knoten: Datenverarbeitungsobjekte mit Anbindung zum Primär System FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power 2017 Steuerverbindung Datenverarbeitungsobjekt (DVO) 7

8 Neues Verfahren zur probabilistischen Zuverlässigkeitsberechnung Primär System Topologie Primär System Nutzung Primär System Betriebsmittel Primär System: Bestimmung des Schutzbereichs Eingangsdaten Ausfall-/ Reparaturraten Definition möglicher Fehler Fehlereffektanalyse Simulation des Wiedersorgungsprozess Smart Grid Anwendungen Analytische Zustandsbewertung IKT- System Topologie IKT-System Betriebsmittel IKT-System: Bestimmung des Effektbereichs Berechnung der Zuverlässigkeitskennwerte Erweiterung der probabilistischen Zuverlässigkeitsberechnung Betrachungszeitpunkte Betrachungszeitpunkte Abhängigkeit zwischen Betrachungszeitpunkten FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power 2017 Definition zusätzlicher IKT spezifischer Ausfallmodelle Berücksichtigung von Spannungsgrenzen und SGA Erweiterung Fehlereffektanalyse Zeitabhängigkeit der Fehlereintrittswahrscheinlichkeit Anpassung der analytischen Zustandsbewertung Stark volatile Primär-System Nutzung innerhalb üblicher Ausdauern Kombination der Ergebnisse aus Fehlereffektanalyse und Zustandsbewertung in alternativer Berechnungsmethodik zur Ermittlung der Zuverlässigkeitskenngrößen 8

9 Sz1 Sz2 Sz1 Sz2 Nichtverfügbarkeit Exemplarisches Ergebnis: Einfluss Netzausbau oder EZM in MS-Netz Zuverlässigkeit im Smart Grid bei hoher IKT-Zuverlässigkeit Defizitursache Überlastung PSB Leitung im IKT-System Leitung im Primärsystem 12 min/a 8 6 Verbraucher Erzeuger Erzeuger Verbraucher Simulation: exemplarisches Verteilnetz mit parallelem IKT-System (LWL-basiert, sehr hohe Komponentenzuverlässigkeit) Integration zusätzlicher Erzeuger über Einsatz von EZM (Szenario 1) alternativ Netzausbau (ca. 50 Maßnahmen notwendig, parallel zu bestehender Infrastruktur ) (Szenario 2) für Verbraucher ist Versorgungszuverlässigkeit in Szenario 1 höher, da Anzahl Primär-System Betriebsmittel (PSB) Anzahl Unterbrechungen für Erzeuger ist Anschlussverfügbarkeit in Szenario 2 höher aufgrund des Einflusses von IKT-System Betriebsmitteln () in Szenario 1 Einfluss von SGA und IKT-System auf Zuverlässigkeit im Smart Grid - komplex - nicht vernachlässigbar FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

10 IKT-Komponentenzuverlässigkeit Mobilfunksignal LWL Signalkabel (CU) IED-Kommunikationseinheit PLC / RTU 0,00 0,05 1/a 0,15 1/(a*km) abgeleitet z.b. aus CHIP-Netztests abgeleitet aus veröffentlichten US-Daten Zielvorgaben in Herstellung bis hin zu realer Störungsstatistik hohe Bandbreiten Analyse der Quellen zeigt: vieles aus industrieller Anwendung oder (Gebäude-)Netzwerktechnik wenn aus (flächen-)netztechnischer Anwendung, wenig aus D oder Europa FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

11 Exemplarisches Ergebnis: Einfluss IKT-Zuverlässigkeit Untersuchtes Mittelspannungsnetz LWL Mobilfunk LWL Erzeugungsanlage Last DVO Kabel Freileitung Mobilfunkzelle Zuordnung zu MF-Zelle LWL zwischen MF-Zellen und Anbindung Umspannwerk FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

12 Anschluss-Nichtverfügbarkeit der EZA Exemplarisches Ergebnis: Einfluss IKT-Zuverlässigkeit 40 min/a LWL Mobilfunk Defizit aufgrund von Netzengpass nach -Ausfall -Ausfall Netzengpass nach PSB-Ausfall PSB-Ausfall R R R: Referenz (Zuverlässigkeit RTU hoch gemäß ermittelter Bandbreite) (noch) höhere RTU-Zuverlässigkeit (ca. Faktor 2 ggü. R) reduzierte RTU-Zuverlässigkeit (Faktor 2 ggü. R) höhere Nichtverfügbarkeit bei Mobilfunk infolge überwiegend ringförmiger Auslegung des LWL-Netzes IKT-Komponentenzuverlässigkeit sowie IKT-Netzgestaltung mit hohem Einfluss auf resultierender Zuverlässigkeit Sammlung der Erfahrungen (und Daten) zur IKT-Zuverlässigkeit sinnvoll FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power

13 Kontakt Dr.-Ing. Hendrik Vennegeerts Abteilungsleiter Systemtechnik/Weiterbildung Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft (FGH) e.v. Geschäftsführer FGH GmbH Roermonder Straße Aachen Tel: Internet: FGH Vennegeerts Versorgungszuverlässigkeit in Smart Grids Life needs Power