Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen Herausforderungen, Lösungskonzepte, Empfehlungen Dr. Heinrich Hoppe-Oehl Dr. Heiko Englert Prof. Dr. Peter Birkner München, 15.04.2016
Schutz- und Automatisierungstechnik in aktiven Verteilnetzen Übersicht Hintergrund und Motivation Ziele und Methodik der Studie Herausforderungen und Lösungen für Schutz-, Automatisierungs- und Leittechnik Wesentliche Ergebnisse und Empfehlungen Zusammenfassung und Fazit 2
Von der Einbahnstraße zum Gegenverkehr Die Energiewende stellt die elektrischen Verteilnetze vor große Herausforderungen. Verteilnetz Quelle: BMWi-Verteilernetzstudie (2014), eigene Ergänzungen 3
Für die Schutz- und Automatisierungstechnik im Verteilnetz ergeben sich neue und zusätzliche Anforderungen. Gesetzliche und und regulatorische Vorgaben Techn., betriebl. betriebliche und u. organisatorische Schnittstellen zum zum Übertragungsnetz Marktaspekte Unternehmensgeschäftliche Aspekte Standardisierung und technische Regelsetzung Technologische Entwicklungen Schutz- und Automatisierungstechnik Unternehmensorganisatorische Aspekte Technische u. Technische und betriebliche betriebliche Aspekte Aspekte Zuverlässige, sichere und schnelle Erkennung von Fehlerzuständen im Netz Überwachung und Steuerung der Netzinfrastruktur Bildquelle: BMWi-Verteilernetzstudie (2014) 4
Für die Schutz- und Automatisierung in den Verteilnetzen ist eine Konkretisierung des Handlungsbedarfs und der Lösungen erforderlich. VDE-Studie Aktive Energienetze im Kontext der Energiewende VDE-Positionspapier Kommunikationsnetz für das Smart Grid VDE-Positionspapier Energieinformationsnetze und -systeme - Teil A BMWi Moderne Verteilernetze für Deutschland (Verteilernetzstudie) Ausgangsituation Übergreifende Studien und Untersuchungen zu Herausforderungen in Verteilnetzen sind vorhanden Punktuell werden Lösungsansätze aufgezeigt Bedarf Systematische und umfängliche Betrachtung der Handlungsfelder für Schutz, Automatisierungs- und Netzleittechnik Systematische Beschreibung und Bewertung von Lösungskonzepten 5
Die Studie ist das Ergebnis der Gemeinschaftsarbeit von Experten aus ETG und ITG in enger Abstimmung mit dem FNN-Expertennetzwerk Netzschutz. Ca. 30 aktive Mitarbeiter aus Energieversorgung und Industrie (Task Force) Leitung: Dr. Heinrich Hoppe-Oehl (Westnetz GmbH), Dr. Heiko Englert (Siemens AG) Mentor aus ETG-Vorstand: Prof. Dr. Peter Birkner Workshops mit Netzbetreibervertretern auf Technik- und Managementebene Zeitrahmen: 18 Monate Arbeitsergebnis: Bericht in Form technischer Empfehlungen 6
Ziel der Studie war, die Handlungsfelder und den Handlungsbedarf detailliert darzustellen und konkrete Lösungen aufzuzeigen. Detailliertes Aufzeigen der Handlungsfelder und des Handlungsbedarfs Systematische Erfassung und Darstellung von Lösungskonzepten Erstellung eines Anforderungskatalogs für Lösungskonzepte und hierfür notwendige Komponenten Empfehlungen für die technische und betriebliche Umsetzung in Netzbetrieb/ Netzführung in unterschiedlichen Spannungsebenen Empfehlungen für Netzbetreiber, Hersteller, Dienstleister, Verbände, Forschung und Standardisierungsorganisationen sowie Politik und Regulierungsbehörden 7
Die Studie fokussiert auf Technik und Netzbetrieb und spricht unterschiedliche Zielgruppen an. Fokus auf Technik und Netzbetrieb Berücksichtigung der grundsätzlichen Wechselwirkungen mit organisatorischen, gesetzlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen (insbesondere auch Anforderungen hinsichtlich Informationssicherheit) Basis für die Erarbeitung und Weiterentwicklung von Planungs- und Betriebsgrundsätzen Zeithorizont umfasst einen kurz- bis mittelfristigen Zeitraum, so dass die dargestellten Konzepte einen aus derzeitiger Sicht umsetzbaren Charakter besitzen Zielgruppen: Netzbetreiber, Hersteller, Dienstleister, Verbände, Forschung und Standardisierungsorganisationen sowie Politik und Regulierungsbehörden 8
Die 3-stufige Dokumentenstruktur der Studie erlaubt eine zielgruppenorientierte Vertiefung in fachspezifische Details. Inhalte Zielgruppen Management Summary Zusammenfassung Wesentliche Ergebnisse und Empfehlungen Hinweise zur Verwendung Unternehmensführung Politik, Fachpresse Hauptdokument Ausgangssituation Methodik Ergebnisse Empfehlungen Technisches Management Module Schutztechnik Automatisierungstechnik Netzleittechnik Komponenten und IKT Leitsätze zur Umsetzung Fachexperten, Planer, Berater, Produktmanager Standardisierungsexperten Sachverständige 9
Die Studie folgt der Systematik, welche Lösungskonzepte eignen sich, um bestimmte Handlungsfelder bzw. technische Herausforderungen zu adressieren. Systematik Handlungsfeld Handlungsfeld adressiert Komponente Technische Lösungskonzept Komponente Technische Lösungskonzepte Komponente Herausforderung Herausforderung Lösungskonzepte Komponente verwendet Anwendungskriterien Beschreibungsmethodik Realisierungsgrad A: Eingeführt und angewendet B: In Pilotanwendungen geprüft C: Zukünftig für Pilotanwendungen vorgesehen D: Derzeit keine Pilotanwendung in Sicht Kommunikation 10
Durch Netzausbau und die Integration dezentraler Erzeugungsanlagen ergeben sich neue Herausforderungen für die Schutztechnik. Herausforderungen an die Schutztechnik Zweiseitig gespeiste Fehlerströme in Ring-/Stichnetzen Geringere Unterschiede zwischen Last- und Kurzschlussstrom Zwischeneinspeisungen Ungewollte Inselnetzbildung Optimierung der automatischen Wiedereinschaltung Zunehmende Verkabelung und Auswirkung auf Sternpunktbehandlung Wechselwirkung zwischen Schutzgeräten und Reglern leistungselektronischer Betriebsmittel Höhere Auslastung der Betriebsmittel 11
Bei zweiseitig gespeisten Fehlerströmen ist eine Richtungsinformation erforderlich. Handlungsfelder und Lösungskonzepte Beispiel 12
Die Integration dezentraler Erzeugungsanlagen in Netz und Markt stellt die Verteilnetzautomatisierung vor neue Herausforderungen. Herausforderungen an die Automatisierung Auswirkungen der Lösungskonzepte oder Technologien auf den Netzbetrieb und den Netzservice, z.b. hinsichtlich Aufwand, Personalqualifikation und Organisation Regulatorische Rahmenbedingungen Auswirkungen des IT-Sicherheitsgesetzes Auswirkungen des Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende auf die Automatisierungstechnik zur Sicherstellung der Netzstabilität im Verteilnetz Zusammenspiel von Netzen und Marktkomponenten an der Schnittstelle zur Kundenanlage 13
Dezentrale Einspeisung führt zu lokalen Spannungserhöhungen. Für die Spannungshaltung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Handlungsfelder und Lösungskonzepte Beispiel 14
Energiewende, neue Gesetze und Marktmechanismen stellen neue Herausforderungen für die Netzleittechnik dar. Herausforderungen an die Netzleittechnik Dezentrale Erzeugung sowie deren Volatilität Steigende Netzbelastungen Komplexere Wechselwirkungen im System Neue Anforderungen der Informationssicherheit (IT-Sicherheitsgesetz und IT- Sicherheitskatalog) Datenaustausch zwischen den verschiedenen Netzbetreibern im Rahmen der Kaskade 15
Die zunehmende Einspeisung im Verteilnetz erfordert neue bzw. erweiterte Funktionalitäten im Netzleitsystem. Handlungsfelder und Lösungskonzepte Beispiel Frequenzhaltung 16
Das zentrale Ergebnis der Studie ist: Aktive Verteilnetze benötigen mehr dezentrale Automatisierung zudem Netzleittechnik mit neuen übergreifenden Funktionen. Markt nicht weniger lokale Schutztechnik mehr übergreifende Schutzfunktionen. Unternehmen Netzleittechnik Betrieb Schutz- und Automatisierungs -technik Station Feld Prozess (Groß-) Erzeugung Übertragung Verteilung Kundenanlagen Dezentrale Erzeugung 17
Weitere wesentliche Ergebnisse und Empfehlungen sind: Es sind Investitionen erforderlich. Die notwendige Beobachtbarkeit der Netzsituation und Steuerbarkeit von dezentralen Erzeugungsanlagen erfordern Investitionen in Netztechnik und Netzbetrieb. Es sind stabile regulatorische Rahmenbedingungen zu schaffen. Der Zeitverzug bei der Anerkennung von Investitionen ist abzuschaffen und es bedarf Anreize für Investitionen in Innovationen. Es gibt keine universelle Lösung. Eine universelle Lösung gibt es nicht. Die erarbeiteten Lösungskonzepte sind von jedem Netzbetreiber individuell technisch und wirtschaftlich zu bewerten. Außerdem sind die notwendigen Maßnahmen in den Netzen stark von der regionalen Einspeisesituation abhängig (Stadt/Land). Komponenten zum Aufbau sind verfügbar. Die Komponenten zum Aufbau der Lösungskonzepte sind verfügbar! Für die erforderliche Informations- und Kommunikationstechnik gibt es Übertragungs- und Zeitsynchronisationstechnologien sowie Kommunikationsprotokolle, die die spezifischen Anforderungen für Echtzeitund echtzeitnahe Anwendungen erfüllen. Migrationskonzepte sind zu entwickeln. Alles auf einmal geht nicht. Nachhaltige Migrationskonzepte sind unter Berücksichtigung des Kosten-/Nutzen-Verhältnisses zu entwickeln und umzusetzen. Ein technisch sinnvolles Gesamtkonzept, bestehend aus Automatisierungs- und Netzleittechnik und dem intelligenten Messsystem, ist zu definieren. 18
Die Studie ist ein essentieller Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende. Zusammenfassung und Fazit Die Studie gibt einen Überblick und beschreibt die neuen technischen und betrieblichen Herausforderungen im Verteilnetz Lösungskonzepte werden systematisch und standardisiert dargestellt und bewertet Kann als Basis für eine Überarbeitung von Planungs- und Betriebsgrundsätzen dienen Praxisrelevant und aktuell anwendbar, da der Ausgangspunkt die heutige Situation und installierte Basis ist und ein kurz- bis mittelfristiger Zeithorizont betrachtet wird Leitfaden, wie die Lösungskonzepte zum konkreten Handlungsbedarf passen und zu bewerten sind Neu-Beschreibung der Technik und Konzepte (das Wie ) aus Sicht der Schutz-, Automatisierungs- und Kommunikationstechnik 19
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