Entwurf eines Testbetts für Assistenzsysteme in der Netz- und Systemführung

Abstract

On June 30, 2011, the Bundestag decided to completely phase out nuclear energy [1]. Furthermore, a complete exit from coal power was confirmed on June 3rd, 2020 [2]. These decisions led to a significant decline in conventional generators and thus to a significant reduction in the inertial flywheel masses in the grid. In addition, the share of renewable energy sources in gross electricity generation has increased in recent years from 18.9 TWh (1990) to 233.6 TWh (2021) [3]. At the same time, the highly dynamic power electronics in the network increased significantly. As a result of this transformation, the dynamics in the individual supply networks are noticeably increasing. In the future, it can no longer be accomplished with established network management concepts that have to be carried out completely manually. Accordingly, some network management processes must be partially or fully automated. Such an automation of the network management is considered in the present work. For this purpose, the basis of the developed test bed, the standard-compliant interface, is presented first. This includes an evaluation of the conditions contained in IEC-60870-5 regarding the communication structure and process as well as the composition of the respective telegrams. In addition, both technical and legal requirements of assistance systems are examined. The composition of the test bed is described in detail. The different functions of the communication partners (control room, interface and simulation environment) are illustrated. The connection setup, data exchange and setup of the assistance system used later are also part of this work step. The mathematical derivation of the calculations implemented in the simulation environment (load flow and sensitivity analysis) and the differences in content between redispatch and redispatch 2.0 conclude the analytical part of this work. The assistance system is then first outlined mathematically in order to be illustrated later using two different case studies. These case studies include a grid with 6 nodes from the 110 kV level and a complex network, which contains a replica of the transmission network of Saxony-Anhalt including neighboring stations and subordinate stations. Using these networks, both the functionality and the advantages of the assistance system are presented and documented. The associated simulations are based on measured values based on every quarter of an hour and cover a full year. In addition, several combinations are considered with regard to the feed-in behavior in the 6-node network.

Am 30.06.2011 beschloss der Bundestag einen vollständigen Ausstieg aus der Kernenergie [1]. Des Weiteren wurde am 03.06.2020 ein vollständiger Ausstieg aus der Kohlkraft vereinbart [2]. Durch diese Beschlüsse kam es zu einem erheblichen Rückgang der konventionelle Erzeuger und damit zu einer deutlichen Reduktion der trägen Schwungmassen im Netz. Zusätzlich ist der Anteil der Erneuerbaren Energieträger an der Bruttostromerzeugung in den letzten Jahren von 18,9 TWh (1990) auf 233,6 TWh (2021) angestiegen [3], wodurch gleichzeitig die hochdynamische Leistungselektronik im Netz deutlich zunahm. Sie kann in Zukunft nicht mehr mit etablierten, vollständig manuell auszuführenden Netzführungskonzepten bewerkstelligt werden. Dementsprechend müssen einige Prozesse der Netzführung teil- oder vollständig automatisiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine solche Automatisierung der Netzführung betrachtet. Dazu wird zunächst die Grundlage des entwickelten Testbetts, die normkonforme Schnittstelle, vorgestellt. Dies beinhaltet eine Evaluierung der in der IEC-60870-5 enthaltenen Bedingungen bezüglich des Kommunikationsaufbaus und -ablaufs sowie der Zusammensetzung der jeweiligen Telegramme. Außerdem werden sowohl technische als auch juristische Voraussetzungen von Assistenzsystemen untersucht. Die Zusammensetzung des Testbetts wird detailliert beschrieben. Dabei werden die unterschiedlichen Funktionen der Kommunikationspartner (Leitwarte, Schnittstelle und Simulationsumgebung) veranschaulicht. Der Verbindungsaufbau, Datenaustausch und Aufbau des später verwendetet Assistenzsystems sind ebenfalls Bestandteil dieses Arbeitsschrittes. Die mathematische Herleitung der in der Simulationsumgebung implementierten Berechnungen (Lastfluss und Sensitivitätsanalyse) und die inhaltlichen Unterschiede zwischen dem Redispatch und dem Redispatch 2.0 schließend den analytischen Teil dieser Arbeit ab. Die detaillierte Beschreibung des Assistenzsystems erfolgt zunächst mathematisch, um im späteren Verlauf an zwei unterschiedlichen Fallbeispielen veranschaulicht zu werden. Diese Fallbeispiele beinhalten ein 6-Konten-Netz aus der 110-kV-Ebene und ein komplexeres Netz, welches eine Nachbildung des Übertragungsnetzes von Sachsen-Anhalt samt Nachbarstationen und unterlagerten Stationen beinhaltet. Anhand dieser Netze werden sowohl die Funktionalität als auch die Vorteile des Assistenzsystems vorgestellt und belegt. Die dazugehörigen Simulationen basieren auf viertelstündlichen Messwerten und umfassen ein komplettes Jahr. Außerdem werden in dem 6-Knoten-Netz mehrere Kombinationen hinsichtlich des Einspeiseverhaltens berücksichtigt.