Netzsimulator an der BTU Cottbus – Aktueller Stand und Perspektiven

Netzsimulator an der BTU Cottbus – Aktueller Stand und Perspektiven

Fachgespräch „Simulation von Energiesystemen“ Netzsimulator an der BTU Cottbus-Senftenberg Aktueller Stand und Perspektiven vorgetragen von Dr. Klau...

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Fachgespräch „Simulation von Energiesystemen“

Netzsimulator an der BTU Cottbus-Senftenberg Aktueller Stand und Perspektiven vorgetragen von

Dr. Klaus Pfeiffer (stellvertretend für die BTU-Arbeitsgruppe) BTU Cottbus-Senftenberg

Leipzig, 30.06.2016

Agenda

Vorstellung

Kurzvorstellung BTU Cottbus-Senftenberg

Ausgangslage

Erfordernis für einen Netzsimulator

Rückblick

Aufbau und Entwicklung eines ersten Simulators

Konzept

Konzeptvorstellung des Netzsimulators

Einsatz

Einsatz des Netzsimulators

Zusammenfassung

Pfeiffer BTU Cottbus – Senftenberg

Fachgespräch Simulation von Energiesystemen - 30. 06. 2016

Kurzvorstellung BTU Cottbus-Senftenberg

BTU – Zahlen und Fakten Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Gründung: 01.07.2013 8.200 Studierende, davon 1.800 internationale Studierende aus über 100 verschiedenen Nationen ca. 200 Professuren (inkl. Junior-und Gastprofessuren) 6 Fakultäten  Fakultät 1:Mathematik, Informatik, Elektrotechnik/Informationstechnik, Physik, Medizintechnologie  Fakultät 2: Umwelt, Verfahrenstechnik, Biotechnologie, Chemie  Fakultät 3: Maschinenbau, Elektrotechnik, Energiesysteme  Fakultät 4: Gesundheit, Soziale Arbeit, Musikpädagogik  Fakultät 5: Wirtschaft, Recht, Gesellschaft  Fakultät 6: Architektur, Bauingenieurwesen, Stadtplanung

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Campus-Standorte Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Cottbus

ca. 40 km

Senftenberg

Zentralcampus Cottbus

Campus Senftenberg

Campus Cottbus-Sachsendorf

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Lehrstuhl Energieverteilung und Hochspannungstechnik Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Gründung: 1994  Lehrstuhlinhaber:  Mitarbeiter:  Drittmittelmitarbeiter:  Studenten je Jahrgang:

Prof. Dr.-Ing. Harald Schwarz 8 ca. 20 ca. 70 – 100

Lehrbetrieb in folgenden Studiengängen  B.Sc. / M.Sc. Elektrotechnik – Elektrische Energietechnik − Automatisierungstechnik und Antriebssysteme − Energiesysteme und dezentrale Energieversorgung  M.Sc. Power Engineering

– Electrical Power Engineering − Sustainable Energy Supply − Power Plant Technology

 M.Sc. Maschinenbau und M.Sc. Wirtschaftsingenieurwesen

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Erfordernis für einen Netzsimulator

Erfordernis für einen Netzsimulator aus Sicht der Lehre Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Veränderte Anforderungen …. …. an den Betrieb der elektrischen Energieversorgungssysteme − stochastische, nicht bedarfsgerechte EE-Einspeisung − ∼90% der EE-Anlagen sind in HS-Ebene und darunter installiert − Verdrängung regelbarer Kraftwerkseinspeisung − zukünftige Bereitstellung von SDL − Netzebenen-übergreifende Auswirkungen

…. an die universitäre Lehre − Herkömmliche Aufgaben der universitären Ausbildung bleiben: Vermittlung von grundlegenden Kenntnissen im Bereich der „klassischen“ Energietechnik − zukünftiger Betrieb der Netze muss stärker in den Mittelpunkt der Lehre gestellt werden

Möglichkeit der Umsetzung Entwicklung und Anwendung eines betriebsrealistischen Simulationswerkzeuges Pfeiffer BTU Cottbus – Senftenberg

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Aufbau und Entwicklung eines ersten Simulators

Entwicklung eines ersten Netztrainingssimulators Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

IKMZ der BTU Cottbus

Quelle: GridLab

2008-2010 Entwicklung des Netzsimulators Partner 50 Hertz Transmission (ehem. VE Transmission) BTC AG Leitsystemsimulation KEMA IEV (Dresden) Modulares Berechnungssystem BTU Cottbus Mitwirkung während der Aufbauphase, Betrieb des Netztrainings- und Schulungszentrums 2010

Gründung GridLab GmbH

2011

Aufnahme des Betriebs

2013

GridLab wird An-Institut der BTU Cottbus

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Entwicklung eines ersten Netztrainingssimulators Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Quelle: GridLab

2008-2010 Entwicklung des Netzsimulators Partner 50 Hertz Transmission (ehem. VE Transmission) BTC AG Leitsystemsimulation KEMA IEV (Dresden) Modulares Berechnungssystem BTU Cottbus Mitwirkung während der Aufbauphase, Betrieb des Netztrainings- und Schulungszentrums 2010

Gründung GridLab GmbH

2011

Aufnahme des Betriebs

2013

GridLab wird An-Institut der BTU Cottbus

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Konzeptvorstellung des Netzsimulators

Projektsteckbrief Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Zeitschiene Lastenheftphase

04/2013 bis 12/2013

Ausschreibungsphase

01/2014 bis 05/2014

Beginn Umsetzung

06/2014

Realisierung BTC AG

Projektkoordination Leitsystemmodellierung Managementsysteme

DIgSILENT GmbH

Simulations-Engine (auf Basis Netzberechnungssoftware PowerFactory) Entwicklung Einspeisermodelle

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Überblick Eigenschaften und Funktionen des Simulators Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Dynamisches Netzmodell

Bedienung des Simulators

Berechnungsmodul

Modellierung der Einspeiser - Kraftwerksmodelle

Ganglinienverwaltung

Replay-Funktion

- EE-Einspeisung Managementsysteme Regelleistung

- Einspeisemanagement

PRL, SRL, MRL

- Kraftwerksmanagement Netzsicherheitsrechnung

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Dynamisches Netzmodell Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Berechnungsmodul  Lastflussberechnung (Prozesssimulation) − Beschreibung sämtlicher Systemzustände auf Basis von Differenzialgleichungen − Keine(n) Slack-Knoten, da sich die Leistungsflüsse auf Basis der Netzimpedanzen, der Generator – EMF‘s, der eingespeisten Ströme aus PV- und Wind-Generatoren und der Lastcharakteristiken durch die Kirchhoff‘schen Regeln ergeben − Berücksichtigung der Randnetze über „Extended Ward Equivalents“ mit grundlegenden Kenngrößen wie PRL und SRL, Spannungsregelung, Anlaufzeit und Kurzschlussleistung  Kurzschlussstromberechnung (HEO) − Kurzschlussstromberechnung basiert auf Snapshot der Simulations-Engine zu einem bestimmten Zeitpunkt − Berechnung der Kurzschlussströme erfolgt entweder nach Normen (IEC / DIN) oder nach der „vollständigen Berechnungsmethode“ (Ermittelt die Betriebsströme unter Berücksichtigung der Vorbelastungen) Pfeiffer BTU Cottbus – Senftenberg

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Dynamisches Netzmodell Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Kraftwerksmodelle allgemein Vereinfachte Modelle mit Zustandsgraphen zur Darstellung der Blockzustände (Anfahren, Abfahren, Netzbetrieb, Inselbetrieb, etc.) − Berücksichtigung relevanter Betriebsparameter, wie • maximale Leistungs-Gradienten • Mindestlasten • thermische Zustände

Quelle: DIgSILENT GmbH Pfeiffer BTU Cottbus – Senftenberg

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Dynamisches Netzmodell Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Funktionen der Kraftwerksmodelle

 Kraftwerksmodell umfasst Nachbildung des Kraftwerkseigenbedarfs mit − Blockeigentransformator (BET) − aggregierter Eigenbedarfslast − Fremd(netz)einspeisung  Generator (Gen) − Ermittlung der Generatordrehzahlen mittels Bewegungsgleichung unter Berücksichtigung der Trägheitsmomente − Q-U-Regelung unter Einbeziehung der Stufenstellung des Blocktransformators (BT) AVR-Modi: Spannungsvorgabe ⇒ Spannungsregelung Blindleistungsvorgabe ⇒ Blindleistungsregelung cos phi Vorgabe ⇒ cos phi Regelung − P-Regel-Modi Leistungs-Frequenzregelung Drehzahlregelung

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Dynamisches Netzmodell Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Funktionen der Kraftwerksmodelle



Grundfunktionen des Generator- und Turbinenschutzes − Über-/ Unterspannung − Über-/ Unterfrequenz − Überlastschutz − Rückleistungsschutz − Begrenzung Über- / Untererregung



Simulation der Synchronisationsvorgänge − Parallelschaltgeräte (PSG) = Synchro-Check-Geräte mit Überwachung von Frequenz Spannungsbetrag Winkel − Aufschaltung der PSG auf GeneratorDrehzahlregelung

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Dynamisches Netzmodell Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Leittechnische Abbildung Kraftwerksbedienbild

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Dynamisches Netzmodell Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

EE-Einspeiser Quelle: BTC AG

 Wirkleistungseinspeisung auf Basis meteorologischer Daten − erfordert zeitreihenbasierte Wetterdaten für Windgeschwindigkeit Globalstrahlung für die Gitterpunkte eines das Netzgebiet überspannenden Maschennetzes − Erstellung von parkbezogenen Ganglinien für Windgeschwindigkeit und Globalstrahlung − Rechenkern ermittelt entsprechend dem WEA oder PVModell die Einspeiseleistung

Gitterpunkt mit Meteodaten

 Blindleistungseinspeisung − Regelmöglichkeiten entsprechend VDE AR 4120 Q(U)-Kennlinie Q(P)-Abhängigkeit direkte Q-Vorgabe Vorgabe cos phi

Anlagenpark

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Modellerprobung mittels Testnetz: Ansicht PRINS Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Braunkohlekraftwerk, Steinkohlekraftwerk, Pumpspeicherwerk, Gasturbinenkraftwerk, Laufwasserkraftwerk, Erneuerbare Energien (WEA, PV, Bio), Randnetz

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Modellerprobung mittels Testnetz: Ansicht PowerFactory Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Braunkohlekraftwerk, Steinkohlekraftwerk, Pumpspeicherwerk, Gasturbinenkraftwerk, Laufwasserkraftwerk, Erneuerbare Energien (WEA, PV, Bio), Randnetz

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Bedienung des Simulators Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Record & Replay-Funktion  Record = Speicherung der Bedienaktionen und Bildschirminhalte der Trainer und Schüler − Speichervolumen: bis zu 20 Replays mit bis zu 6 Stunden Dauer − Speicherumfang: protokollierte Ereignisse sowie die als Screenshot gesicherten Bildschirminhalte − Safepoints (entsprechen Wiederherstellungspunkten): zyklisch alle 5 min. zum Wiederaufsetzen der Simulation an diesen Punkten − rekonstruiertes Prozessabbild kann als Ausgangsmodell für eine zukünftige Trainingssitzung dienen  Replay = Abspielen der zuvor gespeicherten Bedienaktionen und Bildschirminhalte zur Auswertung von Trainingssitzungen

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Bedienung des Simulators Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Replay-Modul Traineransicht (Entwurfsstand)

Quelle: BTC AG Pfeiffer BTU Cottbus – Senftenberg

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Bedienung des Simulators Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Netzsicherheitsrechnung (n-1)-Berechnung − basiert auf einem Snapshot der Simulations-Engine zu einem bestimmten Zeitpunkt − beruht auf einer klassischen Lastflussberechnung − Ausführung:

a) zyklisch Ausführung b) auf Anforderung des Bedieners

− Varianten:

a) statische (n-1)-Ausfallsimulation ⇒ fest vorgegebene (n-1)-Ausfallliste von Betriebsmitteln b) dynamische (n-1) Ausfallsimulation ⇒ Ranking auf Basis der aktuellen Betriebsmittelauslastungen

− Ergebnislisten bzw. Darstellungen frei konfigurierbar

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Räumliche Unterbringung Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Netztrainingsraum im Zentrum für Energietechnologie der BTU-CS

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Räumliche Unterbringung Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

Grundriss Netztrainingsraum

9 Trainingsleitstände 2 Trainerarbeitsplätze 3 Projektierungsarbeitsplätze

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Blick auf den Trainerarbeitsplatz Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

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Konfiguration in Überblick Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

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Einsatz des Netzsimulators

Einbindung in die Lehre Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

 Aufbau eines Lehrmoduls in deutsch- und englischsprachigen Masterstudiengängen − Netzbetriebsführung − Power System Operation  Lehrinhalte (ausgewählte Schwerpunkte) − Grundlagen des Elektroenergiesystems Einspeisungen (konventionelle Kraftwerke, EEG-Einspeiser) Lasten Netze (Betriebsmittel, Parameter, Topologie, Umspannwerke) − Netzbetrieb - Schalthandlungen (Schaltprogramme, -gespräche) − Operative Systemführung Systemverantwortung und -sicherheit Systemzuständigkeiten und –verantwortlichkeiten Systemdienstleistungen Normalbetrieb und gestörter Betrieb − Zusammenspiel von konventioneller und EE-Erzeugung ⇒ Praktika unter realitätsnahen Bedingungen Pfeiffer BTU Cottbus – Senftenberg

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Zusammenfassung

Zusammenfassung Vorstellung │ Ausgangslage │ Rückblick │ Konzept │ Einsatz │ Zusammenfassung

 Aufbau eines neuartigen Netzsimulators an der BTU Cottbus-Senftenberg zusammen mit den Unternehmen BTC und DIgSILENT ⇒ konstruktive Zusammenarbeit in diesem Projekt  Komplexes, anspruchsvolles System mit einer betriebsrealistischen Simulation  Einsatz des Netzsimulators in Lehrveranstaltungen ⇒ Aufbau eines neuen Lehrmoduls  Bessere Heranführung von zukünftigen Absolventen an die Themen der Netzbetriebsführung  Ausbildung unter realitätsnahen Bedingungen − Wechselwirkungen zwischen den Vorgängen in den verschiedenen Netzebenen − Komplexe Zusammenhänge zwischen Erzeugung - Übertragung – Verbrauch  Einsatz für vielfältige Untersuchungsaufgaben, bspw. − Zukunftsszenarien hinsichtlich Entwicklung Kraftwerkspark und EE-Erzeugung − zukünftige Erbringung von Systemdienstleistungen

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Das BTU-Projektteam (v.r.n.l.) Dipl.-Ing. B. Buckow Dipl.-Ing. D. Lehmann Dipl.-Ing. N. Brose Dr.-Ing.

K. Pfeiffer

Kontakt Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Institut für Energietechnik Lehrstuhl Energieverteilung und Hochspannungstechnik Zentralcampus, Lehrgebäude 3E Telefon: 0355 / 69-4502 Pfeiffer BTU Cottbus – Senftenberg

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