Elektrische Energieversorgung Klassische Disziplin ...

Elektrische EnergieversorgungElektrische Energieversorgung

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Prof. Dr.- Ing. Michael Igel

Hochschule fürTechnik und Wirtschaft

des Saarlandes

University of Applied Sciences


Klassische DisziplinKlassische DisziplinModernste TechnologienModernste Technologien


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des Saarlandes


Der Anspruch: Elektrische Energie soll

• zu jeder beliebigen Tages- und Nachtzeit,

• in jeder beliebigen Menge und ohne Unterbrechung

verfügbar sein.

� Die Verfügbarkeit elektrischer Energie muss aus Sicht der Verbraucher 100% betragen

• 60 Minuten jede Stunde, 24 Stunden jeden Tag, 365 Tage jedes Jahr

Die Realität in DeutschlandElektrische Energie ist

• zu jeder beliebigen Tages- und Nachtzeit,

• in jeder beliebigen Menge und

• fast ohne Unterbrechung

verfügbar.

� Verfügbarkeit in Deutschland > 99%

� Das Ziel:Summe der Versorgungsunterbrechungen je Haushaltin Deutschland: < 20 min pro Jahr ≈≈≈≈ 0,004 %

Erwartung der VerbraucherErwartung der Verbraucher


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des Saarlandes


Durchschnittliche Unterbrechung der elektrischen Energieversorgung in 1999

1 Jahr = 365 Tage * 24 Stunden * 60 Minuten = 525.600 min

• Deutschland 15 min ≈≈≈≈ 0,0028 %

• Niederlande 25 min ≈≈≈≈ 0,0047 %

• Frankreich 57 min ≈≈≈≈ 0,011 %

• Großbritannien 63 min ≈≈≈≈ 0,012 %

• Schweden 152 min ≈≈≈≈ 0,029 %

• Norwegen 180 min ≈≈≈≈ 0,034 %

• Italien 191 min ≈≈≈≈ 0,036 %

(Quelle: Council of European Energy Regulators, 1999)

Verfügbarkeit in EuropaVerfügbarkeit in Europa


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des Saarlandes


N - 1 Prinzip

Ein Element kann ausfallen und die Versorgung mit elektrischer Energie bleibt trotzdem zu 100% gewährleistet

Unser tägliches Leben ist ohne elektrische Energie nur schwer vorstellbar z.B.

• keine Mobilfunktelefone, kein PC funktioniert, keine saubere Wäsche mehr, ...

� Elektrische Energie wirkt nahezu unsichtbar im Hintergrund

� Elektrische Energie hält alles am Laufen

Woher kommt eigentlich die elektrische Energie ?

N N -- 1 : Das Planungsprinzip1 : Das Planungsprinzip


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des Saarlandes

University of Applied SciencesStrom kommt aus der SteckdoseStrom kommt aus der Steckdose


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des Saarlandes


Elektrische Energie ist ein hervorragendes Medium,

• um aus Primärenergieträgern erzeugt,

• übertragen und transportiert und

• in andere Energieformen umgewandelt zu werden,

aber

� nicht um in großen Mengen über unbegrenzte Zeit gespeichert

zu werden.

� Elektrische Energie muß gleichzeitig erzeugt und verbraucht werden.

ElektrElektr. Energie . Energie –– Idealer Energieträger ?Idealer Energieträger ?


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des Saarlandes


• Stein- und Braunkohle

• Erdöl

• Erdgas

• Kernkraft

• Wasserkraft

• Regenerative Energien

• Wind

• Sonne

• Müll und Biogas

• Deponiegas

• Erdwärme

Woher kommt die elektrische Energie ?Woher kommt die elektrische Energie ?


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des Saarlandes

University of Applied SciencesAnteile der PrimärenergieträgerAnteile der Primärenergieträger


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des Saarlandes

University of Applied SciencesEnergie aus Kohle und KernkraftEnergie aus Kohle und Kernkraft


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des Saarlandes


2600 MW / 585 ≈≈≈≈ 5 MW

in 2002:

• 8.250 MW installiert

• 11.500 WindräderQuelle: Zeitschrift Neue Energie

4%4%3%3%

Energie aus Wasserkraft und WindkraftEnergie aus Wasserkraft und Windkraft


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des Saarlandes


Kernkraft 1500 MW 1 x 7250 h 83%

Braunkohle 700 MW 2 x 7240 h 83%

Wasserkraft ø 5 MW 300 x 5620 h 64%

Windkraft ø 2 MW 750 x 1330 h 15%

Steinkohle 700 MW 2 x 4500 h 51%

Erdgas 800 MW 2 x 2100 h 24%

Pumpspeicher 300 MW 5 x 980 h 11%

1 Jahr = 8760 Stunden Quelle: VDEW Bericht 2001

Verfügbarkeit der KraftwerkeVerfügbarkeit der Kraftwerke


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des Saarlandes


• Es wird ein flächendeckendes Netz zur Übertragung der elektrischen Energie

von den Kraftwerken

zu den Verbrauchern

benötigt.

• Übertragung mit geringsten Verlusten (< 3%)

� Deshalb: Übertragung mit hohen Spannungen um Ströme klein zu halten (PV = R * I2)

Erhöhung der Spannung 21kV �� 220kV ≈≈≈≈ 10x

Stromstärke vermindert sich ≈≈≈≈ 1 / 10

Verlustleistung vermindert sich ≈≈≈≈ 1 / 100

Struktur der EnergieversorgungsnetzeStruktur der Energieversorgungsnetze


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HöchstspannungHöchstspannung

HochspannungHochspannung

MittelspannungMittelspannung

NiederspannungNiederspannung

Struktur der EnergieversorgungsnetzeStruktur der Energieversorgungsnetze


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des Saarlandes


1,56 Millionen km installierte Leitungslänge

� 40 mal um den Äquator

• 115000 km Transportnetze 380/220kV

• 480000 km Verteilnetze 110/20/10kV

• 965000 km Niederspannungsnetz 400V

Transportnetze: ca. 96% Freileitungen

Verteilnetze: ca. 64% Kabel

Niederspannungsnetze: ca. 80% Kabel

Energieversorgungsnetze in DeutschlandEnergieversorgungsnetze in Deutschland


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des Saarlandes


� Transportnetze 380/220kV

� Europäisches Transportnetz (UCTE)

� Nationales Transportnetz (Verbundnetz)

- Verbundnetzbetreiber:RWE, E.on, Vattenfall Europe, EnBW

� Verteilnetze 110/20/10kV

� regionale Netze

- VSE im Saarland

� Stadtnetze

- Stadtwerke Saarbrücken

� Niederspannungsnetze 400V

- häusliche Endverbraucher

Energieversorgungsnetze in DeutschlandEnergieversorgungsnetze in Deutschland


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des Saarlandes


Union für die Koordinierung des Union für die Koordinierung des Transports elektrischer EnergieTransports elektrischer Energie

UCTE UCTE –– Europäische EnergieversorgungEuropäische Energieversorgung


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des Saarlandes


� Es gibt z.Zt. ca. 900 Netzbetreiber

� 4 ÜbertragungsnetzbetreiberRWE, E.ON, Vattenfall Europe,EnBW

� Verteilnetzbetrieberbis zum Endversorger

� ca. 70 regionale Netzbetreiber

� ca. 25 gößere und ca. 700 mittlereund kleinere Stadtwerke

� ca. 100 kleinere private Versorger

Energieversorger in DeutschlandEnergieversorger in Deutschland


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des Saarlandes


115.000 km Transportnetz

ca. 100 GW installierte Kraftwerksleistung

Starke Vermaschung des Netzes

�� Garant für die hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit elektrischer Energie

380/220kV380/220kV--Netz in DeutschlandNetz in Deutschland


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des Saarlandes


� Netzbetriebsmittel� Welche Betriebsmittel werden benötigt, um elektrischen Energie zu übertragen ?

� Wie werden die benötigten Betriebsmittel bemessen ?

� Netzplanung und Netzberechnung� Wie werden Energieversorgungsnetze geplant ?

� Wie können die dynamischen Vorgänge im Falle von Netzstörungen berechnet und während der Netzplanung berücksichtigt werden ?

� Wie wird die Verwendung der Netzschutzeinrichtungen geplant ?

� Netzbetriebsführung� Wie wird eigentlich das Energieversorgungsnetz gesteuert, überwacht und

kontrolliert ?

� Welche Kommunikationseinrichtungen werden benötigt ?

� Wie wird die termingerechte Lieferung der elektrischen Energie sichergestellt ?

Einige Aufgaben der EnergieversorgungEinige Aufgaben der Energieversorgung


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des Saarlandes


� Generatoren (Kraftwerke)� Erzeugung elektrischer Energie

� Transformatoren� Transformation der Spannungen

� Leitungen, Kabel� Transport der Energie

� Schalter, Sicherungen� Schutz des Personals und der Betriebsmittel

bei Netzstörungen z.B. beim Blitzeinschlag

� Strom- und Spannungswandler� Transformation der Hochspannung in für

Mikroprozessoren messbare Signale

� Induktive Wandler, Optische Sensoren, Hall-Effekt-Sensoren, etc.

NetzbetriebsmittelNetzbetriebsmittel

Der Energietechniker benötigt ein fundiertes Wissen über die physikalischen und technischen Prozesse im Energieversorgungsnetz.


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des Saarlandes

University of Applied SciencesNetzplanung und NetzberechnungNetzplanung und Netzberechnung

� Berechnung der dynamischen Vorgänge im Energieversorgungsnetz� Einsatz von Simulations-Software auf PC‘s

� „Software“-Modelle der Netzbetriebsmittel

� Verwendung von interaktiven Graphical User Interfaces (GUI)

� Analyse der Vorgänge im Energieversorgungsnetz� Messung der Spannungen und Ströme mit Mikroprozessor – basierten

Systemen

� Analyse mit PC-basierten Software-Tools

– Verfahren der Signal Analysis z.B. der Discrete Fourier Transformation

– Spektrale Analyse z.B. Oberwellenanalyse

� Vergleich von gemessenen und simulierten Vorgängen ermöglicht die optimale Planung der Energieversorgungsnetze

� Post-Mortem-Analyse von Netzstörungen� Ermittlung der technisch-physikalischen Ursachen

� Spezifikation von Verbesserungen z.B. der Betriebsmittel


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des Saarlandes


Blitzeinschlag in einem städtischen 20kV- Energiever-

sorgungsnetz

Blitzeinschlag

Power Network SimulationPower Network Simulation


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Lichtbogen „wächst“ 80ms

FehlerfreierNetzbetrieb

Lichtbogen brennt stabil

Blitzeinschlag in eine FreileitungBlitzeinschlag in eine Freileitung

Zeitlicher Verlauf der Leiter-Erd-Spannungen in einem 110kv-Energieversorgungsnetz, simuliert mit einer Netzberechnungs-Software


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des Saarlandes


B&B

NetzbetriebsführungNetzbetriebsführung

Vollständige Automatisierung der Prozesse in Energie-versorgungsnetzen

Lösung:� Verwendung von Mikroprozessorsystemen zur

Prozessverarbeitung� Einsatz von Kommunikationsdiensten zum

Informationsaustausch

� Netzleitsysteme� Überwachung und Steuerung von Netzregionen

� Stationsleitsysteme� Automatisierung eines Umspannwerkes� Fernsteuerung der Funktionen z.B. per UMTS

� Feldsysteme� Schutzeinrichtungen� Mess- und Steuereinrichtungen


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des Saarlandes


Bisher:Netzleitstelle mit Mosaik-darstellung des Netzes

Heute:Einsatz modernsterVisualisierungssysteme

NetzleitNetzleit-- und Stationsleitsystemeund Stationsleitsysteme


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des Saarlandes


Ethernet

Netzleitstelle

Ethernet

ÜberwachungFernsteuerung

Intranet

FeldgeräteFeldgeräte

Schalt-anlageSchalt-anlage

TrafoTrafo Schalt-haus

Schalt-haus

Übergabe-station

Übergabe-station

StationStation

Ethernet

IEC 61850

EthernetEthernet goesgoes SubstationSubstation


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des Saarlandes


� Einsatz von 32-Bit-Mainboards

� RAM: 4 Mbyte

� ROM: 8 Mbyte

� OS: 200 kByte

� Abtastung von U und I jede Millisekunde

� Funktionen werden durch Software realisiert

Hauptfunktion: AUS-Schalten einer Netzstörung in 20ms !!!

Mikroprozessoren schützen und steuernMikroprozessoren schützen und steuern


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PC-SchnittstelleNetzleittechnik

Stationsleittechnik

Modem-Schnittstelle

Uhrzeitsynchronisierung

Wirkschnittstelle

Mikroprozessoren kommunizierenMikroprozessoren kommunizieren


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Dateninterface zur Main-CPU

COM2: RS485

COM1: Glasfaser

RJ45100MHz

PowerPC

� PowerPC als CPU

� Multi-Tasking, Real-Time OS VxWorks

� RAM: 8MByte

� ROM: 16MByte

� COM1: 100MBit Ethernet

� COM2: Serielle Kommunikation

RAM

ROM

Feldsysteme sprechen EthernetFeldsysteme sprechen Ethernet

� Energietechniker benötigen fundierte Kenntnisse über modernste Kommunikations-techniken


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University of Applied SciencesEnergieversorgung im WandelEnergieversorgung im Wandel

Der „klassische“ Ingenier der Energieversorgung� benötigte fundierte mathematische und physikalische Kenntnisse

� benötigte fundierte Kenntnisse der Prozesse im Energieversorgungsnetz

� benötigte fundierte Kenntnisse der Netzbetriebsmittel

� benötigte Kenntnisse in Schutztechnik, Netzberechnung, etc.

Der „moderne“ Ingenieur der Energieversorgung� benötigt die Kenntnisse des „klassischen“ Ingenieurs

+ Kenntnisse über Mikroprozessor - Technologien

+ Kenntnisse über Kommunikations – Technologien

+ Kenntnisse über mit Software – Tools

+ Kenntnisse über Signal - Analyse - und Frequenz – Filter – Methoden

+ Kenntnisse über Software – Engineering

+ Kenntnisse über Projekt – Management

+ Kenntnisse der Sprache Englisch

� denn Englisch ist die Sprache aller Ingenieure


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Quelle: VDE Bericht “Stromversorgungsstörungen”, November 2003


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28. September 2003:

� In Italien gehen die Lichter aus

� 57 Millionen Menschen ohne elektrische Energie

� Größter Stromausfall seit Jahrzehnten

Blackout in Italien, September 2003Blackout in Italien, September 2003


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des Saarlandes

University of Applied SciencesProduktion elektrischer Energie in ItalienProduktion elektrischer Energie in Italien

Italien verbrauchte seit Jahren mehr elektrische Energie als im Land erzeugt wird.

Gesamte Netzlast:27.792 MW (Vergleich: Kohlekraftwerk ca. 700MW)

Gesamte Importe: 6.651 MW (≈≈≈≈ 24%)

Schweiz - Italien: 3.619 MW Frankreich - Italien: 2.212 MW Slowenien - Italien: 638 MW Österreich - Italien: 191 MW

� Der Stromausfall ereignete sich am frühen Morgen um 3.00 Uhr bei geringer Netzlast

� Auslöser: Kurzschluß auf einer Hochspannungsleitung, die elektr. Energie aus der Schweiz liefert

� Folgen:� Strom-Überlastung der verbleibenden Leitungen� Trennung des italienischen Netzes vom europäischen Netz durch automatisch

arbeitende Schutzeinrichtungen� Blackout in Italien


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des Saarlandes

University of Applied SciencesBlackout aus dem AllBlackout aus dem All


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des Saarlandes


SLOVENIASLOVENIASLOVENIA

SWITZERLANDSWITZERLANDSWITZERLAND

AUSTRIAAUSTRIAAUSTRIA

Albertville

RondissoneVillarodin

Venaus

Gorduno

Airolo

Ponte

Pallanzeno

MoerelRiddes

AviseValpelline

CamporossoLe Broc-Carros

Soazza

BulciagoMusignano

Sondrio

Robbia

Mese

Lienz

Soverzene

RedipugliaDivaca

Padriciano

Mettlen Sils

Lavorgo

3.00 Uhr: 380kV Leitung Lavorgo - Mettlen

� Hohe Strom-Auslastung (86%)

� Großer Erwärmung der Leiterseile

� Erhöhter Seildurchhang

�Zu geringer Abstand zum Baumbewuchs

6x 380 kV Freileitungen9x 220 kV Freileitungen

28. September 2003: Blackout in Italien28. September 2003: Blackout in Italien


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des Saarlandes


3.00 Uhr: 380kV Leitung Lavorgo - Mettlen

� Lichtbogen-Überschlag zu einem Baum

� Schutzgeräte schalten Leitung automatisch frei, um den Lichtbogen zu löschen

� Wiedereinschaltung der Leitung war mehrfach erfolglos

� Leitung bleibt abgeschaltet

� Stromimporte von 6.600 MWverteilen sich auf dieverbleibenden Leitungen

N-1 - Situation !!!



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380kV Leitung380kV Leitung LavorgoLavorgo -- MettlenMettlen



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3.25.21 Uhr: 380kV Leitung Sils - Soazza

• Auslastung beträgt 110% der Nennkapazität

• Seit 25 Minuten erwärmen sich die Leiterseile zunehmend, die Seile hängen zunehmend durch

• Kurzschluß auf der Leitung vermutlich wegen Überschlags zum Baumbewuchs

• Automatische Abschaltung derLeitung durch Schutzgeräte

N-2 - Situation !!!

+ 25min



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3.25.25 Uhr: 220kV Leitung Airolo - Mettlen

� Leitung Sils - Soazza wird extrem überlastet

� Schutzgeräte schalten die Leitung 4s später automatisch ab

Im Folgenden:

� Kaskadenartige Abschaltung aller grenzüberschreitenden Leitungen wegen Überlast, Italien ist vom europäischen Netz getrennt

� Wegen der Überlastung des Netzes sinkt die Netzfrequenz sehr schnell, da keine Kraftwerksreserven vorhanden sind

� Die italienischen Kraftwerke werden automatisch vom netzgetrennt, um Zerstörungen zu vermeiden

3.25:26 Uhr:

� Das italienische Energieversorgungsnetz ist zusammengebrochen

� Die italienischen Kraftwerke stehen still

+ 4s

+ 1s



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� Nach der Abtrennung des italienischen Netzes wird im europäischen Netz zu viel Energie erzeugt.

� Die Netzfrequenz steigt deshalb an, Zerstörungen der Kraftwerke sind zu befürchten

� Unmittelbare Reaktionen in Deutschland:

� Reduktion der erzeugten elektrischen Energie

� Erhöhung des Verbrauches an elektrischer Energie

� RWE� Elektrische Leistung aller Kraftwerke wurde so weit möglich abgesenkt

� EnBW:� Einsatz von ca. 300 MW Pumpleistung

� E.ON� Einsatz von ca. 400 MW Pumpleistung

� Verzögerung geplanter Kraftwerksanfahrten

� Vattenfall Europe Transmission� Einsatz von ca. 400 MW Pumpleistung

Maßnahmen in DeutschlandMaßnahmen in Deutschland


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� Ab 3.42 UhrAufbau der grenzüberschreitenden Hochspannungsleitungen

� 16.00 Uhr6545 MW werden aus dem UCTE-Netz importiert

� 23.00 UhrVersorgung ist vollständig wiederhergestellt

+ 42min

+ 13h

+ 20h

Wiederversorgung von ItalienWiederversorgung von Italien


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Warum war das europ. Netz für die Wiederversorgung von Italien so wichtig ?

� Viele Kraftwerke standen in Italien völlig still, selbst die Eigenbedarfserzeugung war ausgefallen

� “Anfahren” der Kraftwerke war nur durch Energielieferung aus dem europ. Netz möglich

� Ohne ein funktionierendes europäisches Netz wäre Italien wahrscheinlich Tage ohne Energie gewesen



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University of Applied SciencesElektrische Energieversorgung heuteElektrische Energieversorgung heute

Elektrische Energie ist ein wichtiger Motor des täglichen Lebens.

� Das Energieversorgungsnetz leitet die Energie vom Kraftwerk zum Verbraucher.

� Das Energieversorgungsnetz garantiert die Verfügbarkeit beliebiger Energiemengen zu beliebigen Tages- und Nachtzeiten.

� Das Energieversorgungsnetz mindert die Auswirkungen von Störungen und Produktionsausfällen.

� Das Energieversorgungsnetz garantiert beim Blackout eine schnelle Wiederversorgung.

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