Planung elektrischer Energieversorgungsnetze - Cheatsheet

Überblick über elektrische Energieversorgungssysteme

Definition:

Überblick über die Struktur und die Hauptkomponenten von elektrischen Energieversorgungssystemen im Kontext der Planung und Verwaltung elektrischer Netze.

Details:

• Betriebsmittel: Generatoren, Transformatoren, Leitungen, Schalter
• Spannungsebenen: Höchstspannung, Hochspannung, Mittelspannung, Niederspannung
• Einspeisepunkte: Kraftwerke (Konventionell, Erneuerbar)
• Netzstrukturen: Übertragungsnetz, Verteilnetz
• Lastenverteilung: Lastflussanalyse, Ausgleich von Angebot und Nachfrage
• Versorgungsqualität: Netzstabilität, Versorgungssicherheit
• Regelstrategien: Primär-, Sekundär- und Tertiärregelung
• Wirtschaftlichkeit: Netzplanung und Kosteneffizienz
• Energiewende: Integration erneuerbarer Energien, Netzausbau

Netzschutz- und Steuerungstechniken

Definition:

Netzschutz- und Steuerungstechniken bezeichnen Methoden und Werkzeuge zum Schutz und zur Kontrolle von elektrischen Verteilungs- und Übertragungsnetzen.

Details:

• Ziel: Schutz vor Überlast, Kurzschluss und Fehlern
• Schutzeinrichtungen: Schutzrelais, Leistungsschalter
• Steuerungstechniken: SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition)
• Automatisierung und Fernüberwachung
• Selektivität beim Schutz, um fehlerhafte Netzabschnitte isolieren zu können
• Kommunikation: IEC 61850 Standard für Netzautomatisierung
• Anwendung von intelligenten Messsystemen (Smart Meters)

Berechnungsmethoden für Lastfluss und Kurzschlussströme

Definition:

Berechnung von Spannungen, Strömen und Leistungen im Stromnetz unter verschiedenen Lastbedingungen und bei Fehlern.

Details:

• Lastflussberechnung: Newton-Raphson, Fast-Decoupled
• Gleichungen: Knotenbelastung, Kirchhoff-Gesetze
• Kurzschlussstromberechnung: Fehlerarten (Einphasen-, Zweiphasen-, Dreiphasen-Kurzschlüsse)
• IEC 60909-Standard
• Formeln: \(I_k = \frac{U_n}{Z_k}\)
• Softwaretools: PSS/E, DIgSILENT PowerFactory

Optimierung von Netzstrukturen

Definition:

Effizienzsteigerung und Kostensenkung in Netzstrukturen durch mathematische und heuristische Methoden.

Details:

• Ziel: Minimierung von Verlusten und Kosten
• Methoden: Lineare Programmierung (LP), Nichtlineare Programmierung (NLP)
• Netzstrukturanalyse: Zuverlässigkeit, Redundanz, Kapazität
• Hauptkomponenten: Leitungen, Transformatoren, Schaltanlagen
• Mathematisches Modell: Zielfunktion und Nebenbedingungen
• LP Beispiel: \( \min Z = c^Tx \)
• NLP Beispiel: \( \min f(x) \) unter \( h(x) = 0 \) und \( g(x) \leq 0 \)

Technische Herausforderungen bei der Integration erneuerbarer Energien

Definition:

Integration von erneuerbaren Energien in bestehende Stromnetze erfordert Anpassungen aufgrund unregelmäßiger Einspeisung und Netzstabilität.

Details:

• Fluktuation der Einspeisemengen: Wind- und Solarenergie sind wetterabhängig.
• Netzstabilität: Frequenzhaltung und Spannungsschwankungen.
• Speicherung: Bedarf an Energiespeichern, z.B. Batterien, Pumpspeicher.
• Netzausbau: Verstärkung und Erweiterung der Netzinfrastruktur.
• Intelligente Netze (Smart Grids): Echtzeit-Überwachung und -Steuerung.
• Regelungstechnik: Bedarf an neuen Regelkreisen und -verfahren.

Grundlagen von Smart Grids

Definition:

Grundlagen von Smart Grids: Vernetzte Systeme zur Steuerung und Optimierung von Stromnetzen durch Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT).

Details:

• Integration von erneuerbaren Energiequellen
• Echtzeitüberwachung und -steuerung
• Bidirektionale Kommunikation zwischen Verbrauchern und Erzeugern
• Möglichkeit der Lastverschiebung und Laststeuerung
• Nutzung von Datenanalyse und Algorithmen zur Netzoptimierung
• Verbesserung der Netzstabilität und -effizienz

Kommunikationsinfrastrukturen und Protokolle in Smart Grids

Definition:

Kommunikationsinfrastrukturen und Protokolle in Smart Grids ermöglichen die effiziente und sichere Datenübertragung zwischen verschiedenen Bestandteilen des Stromnetzes.

Details:

• Datenübertragungsmedien: Glasfaserkabel, Funktechnologien, Powerline Communication (PLC)
• Wichtige Protokolle: IEEE 802.15.4 (ZigBee), IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEC 61850
• Anforderungen: Zuverlässigkeit, geringe Latenz, hohe Datensicherheit
• Topologien: Stern-, Baum-, Mesh-Netzwerke
• Funktionen: Überwachung, Fernsteuerung, Lastmanagement, Fehlerdiagnose

Techniken zur Störungserkennung und -analyse

Definition:

Techniken zur Erkennung und Analyse von Störungen im elektrischen Energienetz.

Details:

• Fehlerarten: Kurzschluss, Erdschluss, Stromunterbrechung
• Überwachungssysteme: SCADA, PMU
• Fehlerlokalisierung: Impedanzverfahren, Wellenausbreitungsmethoden
• Algorithmen: DWT, FFT, KI-Ansätze (z.B. neuronale Netze)
• Formeln: Widerstand (R), Induktivität (L), Kapazität (C)
• Phasor Measurements: \( V = IR \)
• Fehleranalyse mit \( Z = V/I \)

Kosteneffizienz und Wirtschaftlichkeitsanalyse

Definition:

Analyse der Kosten und Nutzen im Planungsprozess von elektrischen Energieversorgungsnetzen

Details:

• Wirtschaftlichkeit = Verhältnis von Kosten zu Nutzen eines Projekts
• Kosteneffizienz = minimale Kosten bei gegebenem Nutzen
• Ziel: optimale Allokation von Ressourcen
• Instrumente: Kapitalwertmethode, Interne Zinsfußmethode
• Berechnung des Nettobarwerts (NBW) \[ NBW = \frac{E_t - A_t}{(1 + r)^t} \]
• Interne Zinsfuß \[ 0 = \frac{E_t - A_t}{(1 + IRR)^t} \]
• Berücksichtigung von Unsicherheiten und Risikofaktoren
• Kosten: Investitionskosten, Betriebskosten, Instandhaltungskosten
• Nutzen: Systemzuverlässigkeit, Servicequalität, Netzstabilität

Speichertechnologien im Netz

Definition:

Technologien zum Speichern von Energie in elektrischen Versorgungsnetzen.

Details:

• Dienen der Netzstabilisierung und -flexibilität.
• Typen: mechanische, elektrochemische, thermische und elektrische Speicher.
• Wichtige Technologien: Pumpspeicherwerke, Batterien (z.B. Lithium-Ionen), Schwungradspeicher, Superkondensatoren.
• Kritische Parameter: Wirkungsgrad (\eta), Energiedichte (\frac{E}{V}), Leistungsdichte (\frac{P}{V}).
• Einsatzbereiche: Lastmanagement, Netzregelung, Integration erneuerbarer Energien.