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2 Titel: Smart Grids
ZUQDE
Zentrale Spannungs- (U) und
Blindleistungsregelung (Q) für
dezentrale Einspeiser
Hydropower-Alpina, 12. März 2014 in Salzburg DI Rudolf Pointner, Salzburg Netz GmbH, Elektrische Netze
.
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3 Titel: Smart Grids
Smart Grid Ansatz: Von der nachfrageorientierten Erzeugung
zur erzeugungsorientierten Nachfrage!
= +
1. Verbrauch
steuern
Demand Side Managment
Nutzung virtueller Speicher
gesteuertes Laden E-Fahrzeuge
2. Mehr Speicher
ans Netz
Heute: Pumpspeicher
Zukünftig auch
geparkte E-Fahrzeuge (?)
Vehicle to Grid
Stationäre Akkus
Rotationsspeicher,
…
fluktuierend
3. Erzeugung
regeln steuerbar
Regelung Erneuerbare
Energie-Einspeiser,
Lastanpassung
…
Sm
art
Gri
ds
inte
llig
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an
ag
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t u
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Au
sg
leic
h
Beispiele
Wärmepumpe +
Pufferspeicher
Kühlhaus /
Gefriertruhen
Spülmaschine
http://www.salzburg-ag.at/uploads/pics/Logo.jpg
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4 Titel: Smart Grids
Ziele der Modellregion sind:
Bündelung aller Smart Grid Themenfelder und Fragestellungen
(Mehrwert aus Anwendungen & Projekten)
Forschung & Entwicklung mit Fokus auf
Technische Lösungen
Kundenintegration und -akzeptanz
Umsetzung des integrierten Gesamt-
konzepts in „Leuchtturm-Projekten“
im realen Umfeld.
Im Dezember 2009 wurde Salzburg vom Klima- und Energiefonds als 1. Smart Grids Modellregion Österreichs ausgezeichnet.
Smart Grids Modellregion Salzburg
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5 Titel: Smart Grids
Eckdaten 30-kV-Netz UW Lungau Stand 01.2014
Eine zentrale Übergabe zum übergeordneten 110-kV-Netz
MS-Netz: zwei getrennt betriebene Teilnetze Lungau Ost und Lungau West
256 km MS–Freileitung, 158 km MS-Kabel (414 km Gesamtnetzlänge)
376 Ortsnetzstationen
Fünf Umschaltstellen zu benachbarten MS-Netzen
Bezug 110/30-kV-Umspanner: Maximaler Bezug 2013: 31,2 MW (08.02. - 15:00)
Minimaler „Bezug“ 2013: -7,2 MW (03.06. - 01:50)
rund 22.000 Einwohner, 16 Gemeinden
Einspeisungen MSN: 15 Einheiten im MS-Netz (EPL 7,95 MW / Erzeugte Energie 2011 39.597 MWh)
3 Einheiten der Salzburg AG im MS-Netz (EPL 15,52 MW / Erzeugung 2011 48.000 MWh)
29 Einheiten im NS-Netz (EPL 0,42 MW / Erzeugte Energie 2011 979 MWh)
EPL insgesamt 23,9 MW
Erzeugte Energie gesamt 2011: 88.576 MWh
Anschlussanfragen MSN aktuell: 20 MW (Wasser, PV, Kleinanlagen Wind)
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6 Titel: Smart Grids
Historie Spg.-Regelung Netz Lungau Zwei 30-kV-Teilnetze im UW Lungau kompoundierte Spannungsregelung seit über 15 Jahren
UM1 (Netz-West): keine Kompoundierung
UM2 (Netz-Ost): Betrieb mit Kompoundierung
Vorgaben für KW-Einspeisungen seit über 10 Jahren
KW Zederhaus (13 MW, Salzburg AG) untererregter Betrieb
cos - Vorgaben an Einspeiser
seit 2007 (Bestand damals 2,9 MW inst. EPL am betroffenen 30-kV-Abzweig,
mit Anschluss und IBS KW Geißbach 700 kW zusätzlich):
U-abhängige Q-Regelung im Rahmen Netzanschluss vorgeschrieben (auch für benachbartes KW Kendlbruck 2 mit 2500 kW)
Netzbetrieb im Ring
ab Sommer 2012
3 weitere KW-Projekte: KW Klölingbach (IBS erledigt), KW Turrach (IBS erledigt), KW Mieslitzbach (in Diskussion)
zusätzlicher Ringbetrieb von 2 Abzweigen mit „Sollbruchstelle“ zur Spannungsstützung nötig
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7 Titel: Smart Grids
Lageschema
KKW Lungau
KW Leistungen (30 kV-Netz):
Zaunschirm: 900 kW
Graggaber: 700 kW + 400 kW
(Einspeisung ins NSN-Netz)
2007
2012
ggf. 2012
2012
aktuelle KW Projekte
eingebunden in die
Smart -Grids-Projekte
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8 Titel: Smart Grids
Regelungsmöglichkeiten S
pa
nnu
ng
Leitungslänge (l)
UN
Umax
Umin
R+jX R+jX R+jX R+jX
Verbraucher
Leitungs-
abschnitte
Einspeiser
I
G G
Verbraucher + dezentrale Einspeisung ohne Regelung Verbraucher + dezentrale Einspeisung mit Regelung
Trafostufung Verbraucher + dezentrale Einspeisung mit Regelung
Blindleistung Generatoren
Q Q
© Salzburg AG, Netze
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9 Titel: Smart Grids
Regelungsmöglichkeiten S
pa
nnu
ng
Leitungslänge (l)
UN
Umax
Umin
R+jX R+jX R+jX R+jX
Verbraucher
Leitungs-
abschnitte
Einspeiser
I
G G
Verbraucher + dezentrale Einspeisung ohne Regelung Verbraucher + dezentrale Einspeisung mit Regelung
Trafostufung Verbraucher + dezentrale Einspeisung mit Regelung
Blindleistung Generatoren
Q Q
© Salzburg AG, Netze
Verbraucher + dezentrale Einspeisung mit Regelung
Trafostufung und Blindleistung Generatoren
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10 Titel: Smart Grids
Projekt ZUQDE
powered by
Laufzeit: Juli 2010 – April 2012
Kosten: 543.221,- € , davon KLIEN-Förderung: 217.288,- €
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11 Titel: Smart Grids
U 110 kV
P, Q LTC
Sicherung
Kabel
30 kV
0,4 kV
P1, Q
1
∼
∼
∼
Pi, Qi
Pm, Q
m
I I I P, Q
DSSE U
cal (1) ... U
cal(n)
Un ± 7% +
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Zentraler Spannungs-
und Blindleistungs-
Regler
Projekt ZUQDE
Zentrale Spannungs(U)- und Blindleistungs(Q)-Regelung für dezentrale Erzeuger
Implementieren einer automatischen, zentral gesteuerten Spannungs- und Blindleistungsregelung von Transformatoren, Erzeugern und Lasten mit dem Ziel, die Aufnahmekapazität des Verteilnetzes für dezentrale Erzeugung aus erneuerbaren Energien wesentlich zu erhöhen.
Zentrale Spannungs-/ Blindleistungsoptimierung wird in das bestehend Prozessrechnersystem integriert
Optimierung von Netzknoten im MS-Netz (Spannungshaltung, Blindleistungs-Management, Verlustminimierung)
Optimierung inklusive übergeordnetes 110-kV-Netz bzw. untergeordnetes NS-Netz
Prototypische Entwicklung + „Closed-Loop“ Demo-Betrieb im Testnetz Lungau (Land Salzburg)
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12 Titel: Smart Grids
ZUQDE Multisite Betrieb
ZUQDE Server
Verteilnetz
Modell „State Estimation“
Dynamische Prozessdaten Messwerte
Schaltzustände (inkl. JGC)
…
Statische Daten
Kennwerte der Netzelemente Stufensteller, PQ-Diagramme
Lastprofile ….
Fernwirk
WAN
Prozess-
rechner
Einstellwerte
Sollwert Trafostufung
Blindleistungssollwerte
Netz
Spannungs-
Blindleistungs-
Regler
Bestehendes Netzleitsystem
SCADA-System Siemens Spectrum™ Power 4.5.1
• Dateneingabe erfolgt am Hauptsystem über Listen (Statische Daten)
• Befehlsausgabe erfolgt über das Hauptsystem
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13 Titel: Smart Grids
ZUQDE Regelungsablauf
Auslöser des Regelprozesses
Netzzustandsänderungen: Topologieänderung
Periodisch: 5 bis 15 Minuten
1. Lastflussberechnung mit aktuellem Netzzustand
Topologie und Messwerte
2. Kontrolle der Spannungen auf Grenzwertverletzungen
3. Ermittlung neuer Sollwerte
Schienenspannung, Blindleistung der dezentralen Kraftwerke
4. Optimierung Ausgabereihenfolge der Sollwerte
Keine Grenzwertverletzungen während der „Einstellphase“
5. Ausgabe der neuen Sollwerte
Reglerdesign und Testszenarien müssen
an die Betriebsanforderungen angepasst werden
Open Loop Betrieb: Sollwertermittlung und manuelle Sollwertausgabe
Closed Loop Betrieb: Sollwertermittlung und automatische Sollwertausgabe
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14 Titel: Smart Grids
ZUQDE–Implementierung vor Ort (1) Messpunkte im Netz („entlegene“ Trafostationen) sind mess- und fernwirktechnisch auf zu rüsten:
SS-Spannung, Gefahrenmeldungen (nur eine Melderichtung der Daten)
zur Kontrolle der Auswirkungen von SW-Vorgaben an Umspanner und Einspeiser
5 Trafostationen wurden fernwirktechnisch und mit Wandlermessungen ausgestattet,
1 vorhandene Umspannstation mit Messwertübertragung wird auch berücksichtigt
Sicam 1703emic (angebunden über ModBus) leitet U-Messwerte über Funk- oder LWL Verbindung an zentralen
Fernwirkkopf im UW weiter
Bereitschaft und Zustimmung der KKW-Betreiber für den Zugriff auf ihre Erzeugungsanlagen ist ein zu holen:
3 Anlagenbetreiber, 4 Generatoren (Einspeisung in 30-kV-Ebene):
KW Zaunschirm 900 kW
KW Graggaber Maschine 1 700 kW
KW Graggaber Maschine 2 400 kW
KW Kendlbruck 2 2500 kW
Verträge wurden vorbereitet und abgeschlossen
(Fragen der Versicherung, Verdienstentgang, ... sind zu regeln)
mit Anlagenausrüstern wurde der Umbau Regeleinrichtungen
abgestimmt (Angebot) und umgebaut
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15 Titel: Smart Grids
ZUQDE Aufrüstung Trafostationen
Wimax-
Antennenmast
Funkeinrichtung
Spannungswandler
für Messung
Zubehör für Messung
und Datenübertragung
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16 Titel: Smart Grids
ZUQDE Bsp. Umbauten Erzeugungsanlagen
KW Graggaber M2 (400 kW) vorne, M1 (700 kVA) hinten
Antenne KW Graggaber
Motorpotentiometer KW Graggaber
Digitales Potentiometer KW Graggaber
für beide Generatoren
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17 Titel: Smart Grids
Anzeige und Bedienung alle relevanten Befehle/
Rückmeldungen aus dem Projekt ZUQDE im PR-Hauptsystem
Grenzwertüberwachte Messwerte von 5 Trafostationen
Für die Inbetriebnahme des Systems erforderlich, Validierung und Parametrierung
Im Betrieb für Kontrollzwecke und der Verifizierung der Ergebnisse
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18 Titel: Smart Grids
Inbetriebnahme von ZUQDE
5 - stufiger Prozess
1. Online Tests zur Verifizierung der Eingangsdaten Data Validation
Verifizierung der State Estimation
2. Open Loop Testphase Sollwertoptimierung durch ZUQDE und manuelle Ausgabe der Sollwerte
Manuelle Sollwertvorgabe für die einzelnen Regelglieder
Test der typischen Lastfälle, KW 51, 2011 (19.12. – 22.12.2011)
Bewusstes Annähern an die Betriebsspannungsgrenzen Durch manuelle Positionierung des Stufenstellers
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19 Titel: Smart Grids
Inbetriebnahme von ZUQDE
3. Schulung der Wartemitarbeiter Parallel zu 1 und 2 (Schichtdienst)
Technische Grundlagen und Betrieb
Großes Interesse an der Lösung
4. Closed Loop Testphase Closed Loop Betrieb unter ständiger Beobachtung
Mehrere Termine je Werktag innerhalb einer Woche Maximallast, Minimallast, TRA-Schaltzeitpunkte, große Variation der Hochspannung (KW-Einsatz und Pumpbetrieb)
KW 2, 2011 (09.01. – 13.01.2012)
5. Closed Loop Betrieb Start am 13.01.2012, Freitag
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20 Titel: Smart Grids
Closed Loop Betrieb – Wirkungsweise
Ergebnis der Optimierung am Bsp. eines Abzweiges Vergleich der aktuellen Regelung mit ZUQDE
Berücksichtigung einer Schaltungs- und Planungsreserve
Grenzen für ZUQDE sind enger gewählt als die Betriebsspannungsgrenzen
Einfluss der Generatorregelung
kapazitiv
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21 Titel: Smart Grids
Closed Loop Betrieb - Betriebserfahrung Ergebnis der Optimierung für die Modellregion
Einfluss der Trafostufengröße
Berücksichtigung der Blindleistungsregelung
Normalbetrieb ZUQDE – mit Generatorregelung
ZUQDE: Geringerer Spannungsbandbedarf Spannungsbandgewinn
ZUQDE: Höhere Konstanz der Knotenspannung
ZUQDE – ohne Gen. Regelung
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22 Titel: Smart Grids
Betriebsführung wird komplexer und „mit weniger Reserven“
ZUQDE-Betrieb erfordert Eingreifen des Netzbetreibers in KW-Regelung
neue Situation für beide Parteien - im Rahmen Neuanschluss von KW
problemlos im Vorhinein zu fixieren (Kosten Anschlussalternativen)
Aufwand Datenerhebung und Inbetriebsetzung System: Betriebsdaten der KW erforderlich (PQ-Diagramme, Impedanzen, …)
Aufwand Umrüstung bestehende Anlagen – sehr viele (alle möglichen?) unterschiedliche
Problemstellungen sind zu lösen
Datenanbindung ans Fernwirksystem, Datenpunkttest bei IBS
Einstellung / Abgleich der Parameter für Betrieb
Standardisierung ist wichtig für „Plug & Play“ bei neuen Anlagen Vorgaben für Parametereinstellungen / Betriebskennlinien durch NB, …
Auswirkungen im Netzbetrieb
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23 Titel: Smart Grids
Idee der
Koordinierten Spannungsregelung
funktioniert –
technisch / betrieblich und wirtschaftlich
ZUQDE als Lösung funktioniert
zufriedenstellend
Implementierung ZUQDE
in neues Spectrum-Release
Fazit
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24 Titel: Smart Grids
Endbericht Projekt ZUQDE ist
downloadbar auf Webpage
www.smartgridssalzburg.at
Newsletter:
Salzburger Smart Grids News
Periodische Info über
Zwischenergebnisse und Highlights
Registrierung auf der Webseite:
www.smartgridssalzburg.at
© Salzburg AG, Netze
http://www.smartgridssalzburg.at/http://www.smartgridssalzburg.at/
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25 Titel: Smart Grids
Salzburg Netz GmbH
Dipl.-Ing. Rudolf Pointner
Elektrische Netze
Fragen und
Diskussion …
Kontakt:
mailto:[email protected]