Flexible Trennstellen in Niederspannungsnetzen

Abstract

Die heute im Einsatz befindlichen elektrischen Niederspannungsverteilnetze stehen vor einem großen technologischen Wandel. Aufgrund der immer größer werdenden Durchdringung mit dezentralen Energieerzeugungs- und Speicheranlagen sowie des vermehrten Einsatzes immer größerer elektrischer Verbraucher, wie Wärmepumpen und Elektromobilität, kommt es zu immer volatileren Lastprofilen und einem Betrieb der Verteilnetze an deren Kapazitätsgrenzen. Die Netzbetreiber können es sich in Zukunft nicht mehr leisten die Niederspannungsnetze rein nach den Maximalbelastungen auszulegen und es werden, ähnlich wie im Übertragungsnetz, immer mehr automatisierte Lösungen nachgefragt. Eine davon ist die Trennstellenoptimierung, mit deren Hilfe die Netzverluste verringert werden können. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass das Verteilnetz in den meisten Fällen zwar vermascht ausgeführt ist, jedoch offen, das heißt als Strahlennetz, betrieben wird. Es wird also nach einem anderen Strahlennetz gesucht, welches im gegebenen Fall weniger Netzverluste verursacht. Dies gilt vor allem für den urbanen und suburbanen Raum. Für dieses Optimierungsproblem existieren bereits zahlreiche Algorithmen, jedoch berücksichtigen nur wenige sich zeitlich ändernde Lastprofile. Beispielsweise ist es nicht nur interessant zu wissen, welche Ersparnis eine Umschaltung im Moment an Verlustleistung bringt, sondern vor allem, wie viel Energie über einen gewissen Zeitraum eingespart werden kann, in Abhängigkeit davon, wie oft über diesen Zeitraum die Topologie tatsächlich umgeschaltet wird. Dabei sind unterschiedliche Optimierungszeiträume denkbar, beispielsweise ein saisonaler, in dem auch manuell umgeschaltet werden könnte (Winter-/Sommerbetrieb) oder auch eine ¿Online¿-Optimierung, in der innerhalb weniger Minuten mittels ferngesteuerter Trennstellen andere Topologien eingenommen werden. Die Untersuchung der technischen und wirtschaftlichen Sinnhaftigkeit dieser Optionen ist der zentrale Inhalt dieser Arbeit. Dazu erläutert diese Arbeit einleitenden die relevanten Arten der Netzverluste im Niederspannungsnetz und Algorithmen zur Trennstellenoptimierung. Daran anschließend wird mit einer ausführlichen Analyse der Trennstellenoptimierung im Lastflussberechnungsprogramm PSS®Sincal fortgesetzt sowie die Entwicklung eines neuen Algorithmus zur Auffindung und gleichzeitigen Begrenzung der optimalen Schaltzeitpunkte präsentiert. Abschließend wird anhand einer umfangreichen Analyse an zwei Niederspannungsnetzen mittels realen Messdaten die wirtschaftliche und technische Zweckmäßigkeit der Trennstellenoptimierung bei unterschiedlichen Optimierungszeiträumen (Tag, Monat, Jahr) untersucht. Dabei wird ein Bogen von den bereits vorhanden Technologien, die zumeist in der Mittelspannung zum Einsatz kommen, zu den neuen Herausforderungen im Niederspannungsnetz gespannt.

Nowadays, the low voltage distribution grids are on a technological change. Because of the increasing number of decentralized energy generation units, energy storages and new loads with high power like charging stations for electric vehicles or heat pumps, the grids comes to their capacity limits. Nevertheless, the grid operators have to provide a stable working and efficient energy supply. With these new requirements, conventional grid planning and operation is no longer productive. New inventive fully automated solutions are in great demand. One of these solutions is the feeder reconfiguration for reducing losses. Most of the distribution grids are meshed networks, which operates in a radial system. This means that many of the connections between the branches are normally disconnected. Now we are looking for another radial distribution grid which wasted less line losses. For this optimization problem many algorithms exist, but most of them are just optimizing a single load configuration and only few algorithms considering the time varying nature of the loads. Now the interesting question is how we can obtain an optimal continuous reconfiguration of the grid with the constraint of a maximal number of changes in topology. Different time horizons for reconfiguration can be considered. For example a seasonal optimization, where for every season one configuration is used. The changes can be done manually. Or a real time optimization, where the algorithm responds on all changes of the loads and reconfigure the grid automatically within minutes. This work focuses on the technical and economical feasibility of such methods. For that reason, a survey of the relevant kinds of net losses and some algorithms for feeder reconfiguration is presented, followed by an analysis of the optimal branching method in the power system analysis software PSS®Sincal. Furthermore a new algorithm is developed to find the optimal time points for switching and to limit at the same time the number of changes. The final point is an extensive technical and economical analysis of a test grid and one real urban low voltage grid with real measured load data.