Berechnung der Kapazitätsbeläge von Freileitungen

Abstract

Energiesysteme und die Verteilung von Energie sind zwei der wichtigsten Punkte um die Energiewende zu ermöglichen und das Problem des CO2 Ausstoßes zu lösen. Dadurch erhalten wir die Möglichkeit den Verbrauch und die Erzeugung an verschiedenen Orten zu realisieren und erneuerbare Energieträger dort einzusetzen, wo sie am effizientesten sind. Diese Arbeit legt ihren Fokus auf die Stromverteilung und beschäftigt sich mit der Berechnung von Hochspannungsfreileitungen und deren Kapazitäten. Das Hauptziel liegt in der Suche und Entwicklung einer hoch effizienten numerischen Methode zur Berechnung eines exakteren Ergebnisses der Kapazitäten. Zu Beginn wird daher eine Einführung über die Herleitung der Kapazitätsberechnung gegeben, um anschließend die in Österreich bewährten Näherungsmodelle vorzustellen. Das nächste Kapitel behandelt den theoretischen Background des Simulationsmodells. Die Boundary Element Methode, welche mit der Fast Multipole Methode verknüpft wird, kommt dabei zum Einsatz. Ein effizientes Programm, namens KEMField, wurde aus dem Feld der Mikroelektronik adaptiert und in C++ zu einem Simulationsprogramm für unser Freileitungsmodell ergänzt. Des Weiteren wurde ein komfortables Python Interface programmiert um detailgenaue GIS Daten der Leitungssysteme sowie umliegendes Gelände und Bewuchs zu berücksichtigen. Die Datenaufbereitung, Auswertung und Visualisierung sind ein weiterer Bestandteil des Pythoninterfaces. Um eine Verifikation der verwendeten Methode zu gewährleisten wurden sämtliche Simulationen mit analytisch lösbaren Beispielen verglichen. Dadurch wurde die Simulation kontinuierlich, auch hinsichtlich ihrer Performance, verbessert. Im Vergleich zu anderen Feldsimulationen besitzt diese Methode den großen Vorteil, dass für die erfolgreiche Berechnung nur wenige Eingabedaten nötig sind. Damit ist gemeint, dass schon ein grobes geometrisches Model und Potentialwerte ausreichen um Ladungen einer Freileitung zu ermitteln. Im letzten Kapitel werden die Simulation und die Näherungsmethoden anhand eines 110 kV vermessenen Leitungssystems verglichen. Dabei wurden die geographischen Daten verwendet um auch das Umfeld, wie Bewuchs und Unebenheiten des Geländes, mit einfließen zu lassen. Zudem war ein wichtiger Punkt die Untersuchung des Masteinflusses und die bisher dazu eingesetzten Korrekturfaktoren. Abschließend wurde noch ein Ausblick auf die nächsten Schritte und neuen Möglichkeiten durch die Verwendung dieses Hochleistungsberechnungsmodell gegeben.

Energysystems and the distribution of energy are two of the key factors to realise the energy revolution and solve our problem with CO2 emission. It gives us the possibilty to provide power where it is needed and to produce it where we can use renewables like sun and wind. This work focuses on the part of energy transportation, in detail the calculation of high voltage transmission lines and their capacities. The main goal of this thesis is to find a high efficient numerical methode for calculating a more precise result for capacities and electric fields. First an introduction of the analytic system models, which are used by most of the distribution system operators in Austria, is given. The next chapters are dealing with the theoretical idea of the simulation model. The boundary element methode in combination with the fast multipole methode are used. An efficient program, called KEMField, from the microelectronics field was adapted in C++ and many improvements were done to use it for our simulation model. Furthermore, a python interface was written to prepare the geometric data and analyse the results. In order to verify the used method an amount of simulations have been done and compared with analyticaly solvable examples. This simulation model, which has been adjusted constantly during the process of this thesis, has the big advantage of less input data compared to other models for field calculations. In detail, that means only a rough geometric model and potential values are necessary to calculate the loads on transmission lines. In the last chapter the simulation and established approximative models are compared to measurement results of an 110 kV transmission line was taken and compared. The data of geographic information systems were used to generate the enviroment including details like vegetation and irregularities in the terrain. A major point was also the capacity influence of the overhead line tower and the verification of the used correction factors. In conclusion, an outlook is given by an overview of further steps and new opportunities by using high performance computational models.