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2023 | Buch

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Netzberechnung

Verfahren zur Berechnung elektrischer Energieversorgungsnetze

verfasst von: Karl Friedrich Schäfer

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Elektrische Energieversorgungsnetze sind wesentliche Bausteine bei der Umgestaltung der Energieversorgungssysteme im Rahmen der Energiewende. Bei der Planung und dem Betrieb dieser Netze wird eine Vielzahl mathematischer Methoden als unverzichtbare Hilfsmittel eingesetzt. Dieses Buch beschreibt die spezifischen Modelle und Berechnungsalgorithmen für elektrische Energieversorgungsnetze.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Elektrische Energieversorgungsnetze

Zusammenfassung

Die sichere Versorgung mit elektrischer Energie ist für das reibungslose Funktionieren der meisten technischen Prozesse im öffentlichen, privaten und industriellen Bereich unverzichtbar. Die elektrische Energie wird eingesetzt, um Wärme und Licht zu erzeugen, Motoren anzutreiben und Informationen zu übermitteln. Die breite Nutzung dieser Energieform hat sich Ende des 19. Jahrhunderts durchgesetzt und die Gestalt der modernen Zivilisationen entscheidend geprägt. Unsere Lebensqualität ist vollkommen abhängig von elektrischer Energie. Bereits ein Stromausfall von nur wenigen Tagen hätte katastrophale Auswirkungen auf die Wirtschaft sowie die öffentliche Ordnung. Der jederzeit reibungslose Betrieb der elektrischen Energieversorgungsnetze ist eine wesentliche Voraussetzung für die Einhaltung der Versorgungssicherheit.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 2. Berechnung elektrischer Energieversorgungsnetze

Zusammenfassung

Für die Berechnung elektrischer Energieversorgungsnetze muss zunächst ein für die jeweilige Anwendung geeignetes mathematisches Abbild des technischen Systems gefunden werden, mit dem die physikalischen Eigenschaften genügend genau nachgebildet werden. Dabei ergeben sich umfangreiche lineare oder nichtlineare Gleichungssysteme. Die nichtlinearen Problemstellungen werden meist iterativ gelöst, indem für jeden Iterationsschritt lineare Näherungen formuliert werden, sodass auch hierbei lineare Gleichungssysteme gegeben sind.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 3. Leistungsflussberechnung

Zusammenfassung

Die Kenntnis des Betriebszustandes eines elektrischen Energieübertragungssystems ist sowohl für den Betrieb als auch für die Planung eine zentrale Aufgabenstellung. Mit der Leistungsflussberechnung kann der quasistationäre Zustand eines elektrischen Energieübertragungsnetzes im symmetrischen, ungestörten Betriebsfall bestimmt werden. Hierbei werden zunächst die komplexen Spannungen an allen Netzknoten ermittelt.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 4. Netzzustandserkennung

Zusammenfassung

Eine wesentliche Aufgabe der Netzüberwachung ist die Bestimmung des aktuellen Netzzustandes, der aus der Spannungs- und Leistungsflussverteilung im Netz abgeleitet wird. Hierzu werden Messwerte aus dem geografisch weit verteilten Energieversorgungssystem über Fernwirkeinrichtungen in die Netzleitstelle übertragen und mit dem Verfahren der State Estimation ein möglichst vollständiges und konsistentes Netzabbild erstellt.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 5. Berechnung von Fehlern in elektrischen Anlagen

Zusammenfassung

Die elektrische Energieversorgung ist gekennzeichnet durch eine hohe Zuverlässigkeit bei der Versorgung aller Kunden. Versorgungsunterbrechungen treten nur selten auf. Diese Tatsache bedeutet jedoch nicht, dass im Netz genauso selten Störungen auftreten. Schon bei der Planung eines elektrischen Energieversorgungssystems müssen alle möglichen Fehler und ihre Ursachen berücksichtigt werden. Der Netzbetrieb muss so gestaltet sein, dass für den jeweils aktuellen Arbeitspunkt alle Betriebsbedingungen des Netzes auch bei Eintritt eines Fehlers eingehalten werden. Die Berechnung von möglichen Fehlergrößen sowie die Überprüfung einzuhaltender Grenzwerte ist eine wesentliche Teilaufgabe der Netzsicherheitsüberwachung.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 6. Bestimmung der transienten Stabilität

Zusammenfassung

Neben der Einhaltung von Spannungsgrenzen, maximal zulässigen Spannungsgrenzen und Kurzsschlussströmen ist die Bewertung der Stabilität eines Netzzustandes ein weiteres Kriterium für die Gewährleistung eines sicheren Netzbetriebes. Stabilität ist dabei die Fähigkeit des Elektrizitätsversorgungssystems, den Synchronbetrieb aller im System angeschlossenen Generatoren aufrecht zu erhalten bzw. bei Störungen wieder herzustellen. Bei der transienten Stabilität werden Vorgänge im Netz betrachtet, die von großen Störungen wie beispielsweise bei der durch eine Kurzunterbrechung bedingten kurzzeitigen und vollständigen Verbindungsunterbrechung eines Generators mit dem Netz hervorgerufen werden.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 7. Ersatzdarstellung nicht überwachter Nachbarnetze

Zusammenfassung

Die Höchstspannungsnetze werden vermascht betrieben und sind über Kuppelleitungen zu den jeweiligen Nachbarn zu großen Verbundnetzen zusammengeschaltet. Die Teilnetze dieser Verbundsysteme stehen damit elektrisch in enger Wechselwirkung und können beispielsweise bei der stationären Leistungsflussberechnung nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Eine Berechnung des gesamten Systems einschließlich der Nachbarnetze ist wegen der Systemgröße schwierig und häufig nicht möglich. Eine detaillierte Modellierung der Nachbarnetze ist für die Berechnung des eigenen Netzbereiches allerdings in der Regel auch nicht nötig. Es genügt, das Verhalten der benachbarten Netzteile durch vereinfachte, wirkungsgleiche Netzäquivalente zu ersetzen und in einem sogenannten Ersatznetz nachzubilden.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 8. Optimierung und Korrektur des Netzzustandes

Zusammenfassung

Im Anschluss an die Erkennung und Beurteilung des momentanen Netzzustandes sowie der Beurteilung der momentanen Netzsicherheit kann das Netz im Falle des sicheren Normalzustandes mit geeigneten Methoden hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und/oder Zuverlässigkeit weiter optimiert werden (Netzzustandsoptimierung). Für den Fall, dass mit der Netzzustandserkennung ein gefährdeter Netzzustand detektiert wurde, müssen geeignete Korrekturmaßnahmen gefunden und durchgeführt werden, um das Netz wieder in den sicheren Netzzustand zurück zu führen (Netzzustandskorrektur).

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 9. Bestimmung der Übertragungskapazität

Zusammenfassung

In einem Verbundsystem sind die einzelnen Übertragungsnetze mit grenzüberschreitenden Leitungen (Kuppelleitungen) mehr oder weniger stark miteinander verbunden. Ein Maß hierfür ist der Verbundgrad, der beschreibt, wie groß die Summe der Übertragungskapazitäten der Kuppelleitungen eines Landes zu seinen Nachbarländern relativ zur Summe der im Inland installierten Erzeugungsleistungen des jeweiligen Landes ist.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 10. Expertensysteme

Zusammenfassung

Bei Aufgabenstellungen, die sich nicht durch arithmetische oder genetische Algorithmen lösen lassen, sind unter bestimmten Voraussetzungen sogenannte Expertensysteme eine sinnvolle Lösungsmöglichkeit. Dabei handelt es sich um Computerprogramme, mit denen eine Problemlösungskompetenz auf bestimmten, meist eng abgegrenzten Fachgebieten zur Verfügung gestellt wird. Sie enthalten das Expertenwissen als Menge von formalisierten, maschinenverarbeitbaren Operationen.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 11. Datenmodelle und Testnetze

Zusammenfassung

Für die Durchführung von Netzberechnungen ist neben den zuvor beschriebenen Berechnungsverfahren ein entsprechendes Datenmodell erforderlich, mit dem das zu untersuchende Netz abgebildet werden kann. Der dafür notwendige Modellierungsumfang, d. h. welche Elemente und Funktionen des Netzes mit welchem Detaillierungsgrad nachgebildet werden müssen, ist abhängig vom jeweiligen Berechnungsverfahren. Mit Testdatensätzen werden die erstellten Netzberechnungsverfahren systematisch nach Fehlern in der Methodik und in der Programmierung überprüft. Darüber hinaus wird mit den Ergebnissen der Testrechnungen die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Programmes dokumentiert.

Karl Friedrich Schäfer

Kapitel 12. Netzberechnungsprogramme

Zusammenfassung

Die nachfolgende Auflistung zeigt eine Auswahl der im Bereich Netzplanung in der Praxis eingesetzten Rechenprogramme.

Karl Friedrich Schäfer

Backmatter

Titel: Netzberechnung
verfasst von: Karl Friedrich Schäfer
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-40877-0
Print ISBN: 978-3-658-40876-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-40877-0