Methode zur Analyse und Bewertung von Engpassmanagementstrategien in elektrischen Energieversorgungsnetzen auf Basis der Verfügbarkeitsdauer von Betriebsmitteln

Abstract

Der Umbau des Erzeugerstruktur in der elekrischen Energieversorgung führt zu einer verstärkten Integration von dezentralen Erzeugungseinheiten in das Verteilnetz. Dadurch ist eine Steigerung der Übertragungskapazität im Netz notwendig. Das größte Ausbaupotential in der Erzeugung entfällt dabei auf Windkraft- und Photovoltaikanlagen, welche betrachtet auf das Betriebsjahr, selten ihre nominelle Spitzenleistung erreichen. Erfolgt der Netzausbau anhand dieser Spitzenleistung folgt daraus eine eventuell geringe durchschnittliche Auslastung des Netzes. Bei nach dem (n-1)-Kriterium redundant aufgebauten Netzen ist die Auslastung der einzelnen Pfade im ungestörten Betriebszustand im Durchschnitt noch geringer. Das in Planung und Betrieb angewandte (n-1)-Kriterium nimmt an, dass ein bei einem Ausfall auftretender Betriebsstrom über dem dauerhaft zulässigen Betriebsstrom sofort zu einer Überschreitung der höchst zulässigen Betriebsmitteltemperatur führt. Die Erwärmung eines über den dauerhaft zulässigen Betriebsstrom belasteten Betriebsmittels auf die höchst zulässige Betriebsmitteltemperatur erfolgt jedoch verzögert. Diese thermischen Reserven können für ein Engpassmanagement mit Fokus auf kurative Maßnahmen zur Behebung von Engpässen ausgenutzt werden. Durch die Anwendung des kurativen (n-1)-Kriteriums ist eine Steigerung der Ausnutzung der Betriebsmittel im ungestörten Betriebsfall möglich. In dieser Arbeit wird das Konzept der Verfügbarkeitsdauer als Maß für die zulässige Betriebsdauer eines Betriebsmittels nach einem Betriebsmittelausfall eingeführt. Diese Zeitdauer kann für kurative Engpassmanagementmaßnahmen genutzt werden. Mithilfe der Verfügbarkeitsdauer können die zur Verfügung stehenden kurativen Maßnahmen bewertet und daraus die Entscheidung für oder gegen kurative Engpassmanagementmaßnahmen getroffen werden. Im Fokus stehen dabei Verteilnetze mit einem geringen Grad an Möglichkeiten den Lastfluss ohne Eingriff in die Erzeugung und Verbrauch zu beeinflussen.Anhand eines beispielhaften Netzes wird die Anwendung des Verfügbarkeitsmanagements auf Freileitungen und Transformatoren demonstriert. Für dieses Beispielnetz zeigen die Auswertungen, dass durch das kurative (n-1)-Kriterium präventive Eingriffe in die Erzeugung eingespart werden können.Die detaillierte Untersuchung der Ergebnisse einer Freileitung in dem Beispielnetz zeigt das Potential zur Reduktion präventiver Engpassmanagementmaßnahmen auf. Darauf aufbauend werden weitere Analysen zur Sensitivität des Ergebnisses auf Veränderungen der Wetterdaten durchgeführt. Beim beispielhaft untersuchten Transformator ist ebenfalls deutliches Reduktionspotential für präventive Engpassmanagementmaßnahmen durch das Verfügbarkeitsmanagementvorhanden. Die weitere Untersuchung der Auswirkung der Betriebsgrenzen des Transformators zeigt im vorliegenden Fall auf, dass besonders die absolute Betriebsgrenze des Betriebsstroms große Auswirkung auf die mögliche Reduktion von präventiven Engpassmanagementmaßnahmen hat.Die Auswertung des Lebensdauerverbrauchs zeigt für diesen Transformator eine Erhöhung der Alterungsrate. Die Auswirkung auf die wirtschaftliche Lebensdauer ist unter den üblichen Annahmen für die Einsatzdauer des Betriebsmittels jedoch als gering einzustufen.

The restructuring of the generation structure in the electric power supply leads to increased integration of decentralized generation units into the distribution grid, which requires an increase in transmission capacity. Wind and photovoltaic power plants account for the most significant potential for expansion, which rarely reach their nominal peak output during the operating year. A grid expansion based on the peak output results in a low average grid utilization. In the case of redundantly constructed grids according to the (n-1) criterion, the utilization of the individual paths in the undisturbed operating state is even lower on average. The (n-1) criterion applied in planning and operation assumes that an operating current above the permanently permissible operating current occurring in the event of a failure immediately leads to exceeding the maximum permissible equipment temperature. However, the heating of an operating resource loaded above the permanently permissible operating current to the maximum permissible resource temperature is delayed. These thermal reserves can be exploited for congestion management focusing on curative remedial actions to eliminate congestion. By applying the curative (n-1) criterion, it is possible to increase the utilization of the operating resources in theundisturbed operating case.This thesis introduces the concept of availability duration as a measure of the allowable operating time of a resource after a resource failure. This duration can be used for curative congestion management measures. With the help of the availability duration, the available curative remedial actions can be evaluated, and the decision for or against curative remedial actions can be made.The focus is on distribution networks with a low degree of possibilities to influence the load flow without intervening in generation and consumption.An example network is used to demonstrate the application of availability management to overhead lines and transformers. For this example network, the evaluations show that the curative (n-1) criterion can save preventive interventions in a generation.The detailed investigation of the results of an overhead line in the example network shows the potential for reducing preventive remedial actions. Based on this, further analysis on the sensitivity of the result to changes in weather data will be are carried out.For the transformer studied as an example, there is also clear reduction potential for preventive remedial actions through availability management is present. The further investigation of the effect of the operating limits of the transformer shows that the absolute operating current in particular has a major impact on the possible reduction of preventive the possible reduction of preventive remedial actions. The evaluation of the lifetime consumption shows an increase of theaging rate for this transformer. However, the effect on the economic life is not significant under the usual assumptions for the service life of the equipment, the effect on the economic service life is to be classified as low.