Für die Energieversorgungsunternehmen ist die kostenoptimierte Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie von entscheidender Bedeutung. Eine der Möglichkeiten dieses Ziel zu erreichen, ist die verbesserte Ausnutzung bereits vorhandener Betriebsmittel hinsichtlich ihrer Auslastung und Gesamtbetriebsdauer sowie die Reduktion der Wartungskosten bei gleichbleibend hoher Versorgungssicherheit. Moderne Überwachungs- und Diagnosetechniken von Betriebsmitteln der elektrischen Energietechnik können dazu einen wesentlichen Beitrag leisten.

Der Ausfall von Hochspannungsgeräten, z.B. Durchführungen, Kabel, und Transformatoren verursachen immensen Kosten. Großtransformatoren sorgen als Bindeglieder zwischen Kraftwerken und dem elektrischen Energieversorgungsnetz oder Netzen mit unterschiedlichen Spannungsebene für die wirtschaftliche Verteilung elektrischer Energie. Ihre ständige Verfügbarkeit ist deshalb die Grundlage für eine zuverlässige elektrische Energieversorgung.

Eine Reduktion der Wartungskosten für Betriebsmittel der elektrischen Energietechnik ließe sich durch eine neue Strategie bei der Wartung und Instandhaltung erreichen. Der Einsatz moderner Monitoring- und Diagnosetechniken könnte dazu führen, dass Instandhaltungsmaßnahmen zukünftig weniger prophylaktisch, sondern überwiegend an der technischen Notwendigkeit orientiert durchgeführt werden.

Zur Entwicklung von Diagnosetechniken können alle physikalischen und chemischen Effekte dienen, die entweder eine Degradation des Gerätezustandes verursachen oder die infolge der Degradation entstehen. Zur Erkennung thermisch bedingter Defekte oder zur Erkennung von Schäden der Isolation existierten Diagnosetechniken, die z.T. schon seit Jahren vor Ort oder im Prüffeld im Einsatz sind. Beispiele dafür sind die Gas-in-Öl-Analyse oder die Teilentladungsmesstechnik.

Aus den bisherigen Überlegungen kann man die Ziele für eine zukünftige Diagnostik ableiten:

• Gesellschaftliche Ziele:
  • Reduktion der Risiken für die Umwelt durch frühzeitiges Erkennen von sich entwickelnden Fehlern,
  • technische Informationen durch bewusstes Handeln
  • Erhöhung der Sicherheit für das Betriebspersonal,
  • geringerer Stress für das Personal.

• Wirtschaftliche Ziele:
  
  • Adaptive Wartung sollte zur Reduktion von Betriebskosten führen,
  • Reduktion des Aufwands für Wartungspersonal,
  • Betriebsunterbrechungen (für Wartung) besser planbar, mit dem Ziel geringerer Ausfallkosten, sowie
  • Planung von Ersatzinvestitionen auf der Basis des Zustandes der Betriebsmittel (Restlebensdauer abschätzbar)
• Technische Ziele:
  • Optimierung der Betriebsmittel und eines Systems durch bessere Kenntnis der Belastungen im Betrieb,
  • Erfassung von sporadischem Fehlverhalten durch kontinuierliche Diagnostik, quantitative Informationen über die Entwicklung und das Verhalten bestimmter Messgrößen, z.B. Teilentladung, sowie
  • Korrelationen der Messgrößen mit Wartungsintervallen und Restlebensdauer.

Eine elektrische Netzkomponente, wie z.B. Generator, Transformator, Drossel, Kabel kann im Netz in Betrieb genommen werden, nur wenn es korrekt ausgelegt ist und unter allen möglichen Vorgängen im Netz fehlerfrei funktioniert. Funktionale Anforderungen an Netzkomponenten müssen im ersten Schritt identifiziert werden, die dann in eine Spezifikation aufgenommen werden können. Das fängt mit der korrekten Identifizierung von Nenngrößen, insbesondere Nennspannung und Nennleistung, an. Alle möglichen Belastungen, beispielsweise unsymmetrischer Belastungen, Sternpunktbelastungen und Oberschwingungen sollten dann genau festgestellt werden. Zusätzliche Systemanforderungen, insbesondere Isolationskoordination und Kurzschlussfestigkeit, spielen eine große Rolle bei der Auslegung jeder Komponente.

Durch die Digitalisierung und den Klimawandel entstehen neue Herausforderungen in Zusammenhang mit der Auslegung der Komponenten. Ein Beispiel dafür sind die sogenannten Umweltanforderungen, insbesondere Temperaturanstiegsgrenzen und Kühlanforderungen.

Netzanalysen sind ein wesentlicher Bestandteil der Auslegung elektrischer Netze. Berechnungen und Simulationen werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass das elektrische System, einschließlich der Systemkomponenten, korrekt spezifiziert sind, um wie vorgesehen zu funktionieren, erwarteten Belastungen standzuhalten und vor Ausfällen geschützt zu sein.

Internationale Standards und lokale Vorschriften werden als Grundlage für robuste Systemdesigns verwendet. Sie beinhalten Anforderungen und Empfehlungen zum Schutz von Personal und Ausrüstung, Systemverhalten und Geräteleistung. Vorschriften und Normen bilden zusammen mit Gerätekennzahlen die Grundlage für die Bewertung von Berechnungs- und Simulationsergebnissen. Mehrere Software-Tools, z.B. PSS®SINCAL, PSS®NETOMAC, PSS®E, PSCAD, ETAP, PowerFactory, werden für Energiesystemanalysen verwendet.

Energiesystemanalysen umfassen: Lastflussanalysen, Kurzschluss- und Fehleranalysen, Schutzgerätekoordination und -einstellungen, Harmonische Analysen, Dynamische und transiente Analysen, Erdungsstudien, Schaltvorgänge und Isolationskoordination.

Die klassische Planung elektrischer Netze mit ihrem kurz- bis langfristigen Zeithorizont ist bereits heute oftmals in einem Automatisierungsframework implementiert, so dass ein Netzplaner viele Planungsprämissen zunächst unabhängig von der Netzebene berücksichtigen kann:

• Anwendungsfall-spezifische Bedingungen, z.B.
  • Anschlussgesuch von neuen Verbrauchern oder neuen Erzeugern
  • geplante Wartungs- oder Schaltmaßnahmen
• verschiedene Netzausbauvarianten als mögliche Pfade der Entwicklung
• langfristige Vorhersagen zu Entwicklungspfaden von Verbrauchern, Erzeugung und Speichern
• Betriebsszenarien basierend auf Standard-Profilen, Vorhersagen oder Messdaten
• optimierte Auslegungsparameter von Betriebsmitteln und Regeleinrichtungen
• unterschiedliche Optimierungsziele hinsichtlich Spannungshaltung, Verlustminimierung, Autarkiegrad, Stabilitätsaspekten und anderen Kriterien
• und andere…

Der Ergebnisraum der Kombination aus diesen Planungsprämissen ist jedoch selbst bei Anwendung eines kleinen Teils der Kombinatorik sehr groß und zwingt den klassischen Netzplaner automatisch in die Reduktion der Betrachtung hinsichtlich regionaler Netzabdeckung, zeitlichen Horizont, Berücksichtigung der Betriebs­szenarien und in anderen Dimensionen. Damit schafft es der Netzplaner zwar seinen Aufgaben gerecht zu werden, wird jedoch angesichts der momentanen Entwicklungen durch die vielen parallelen Entwicklungsstränge und politische bzw. gesellschaftliche Forderungen stark belastet. Zusätzliche Kollegen nehmen einen Teil der Arbeit ab, die erarbeiteten Maßnahmen müssen jedoch hinsichtlich der Optimierungsziele priorisiert und synchronisiert werden.

Eine dagegen vollständig automatisierte Netzplanung, aus der die gesamtoptimierten Entscheidungen zu Anschluss­gesuchen, Investitionen und Betriebsmittelparametrierungen direkt abgeleitet werden, scheint bisher jedoch weder realistisch noch zielführend zu sein. Der Faktor Mensch bzw. Ingenieur spielt auch in den kommenden Jahrzehnten eine wesentliche Rolle in elektrischen Energiesystemen und es ist nicht das Ziel diesen komplett zu ersetzen, sondern ihn möglichst zu befähigen seine Aufgaben ohne Überlastung durch die Anzahl derer effizient und gut zu erledigen. Die assistierte Netzplanung bietet dem Netzplaner:

• Ableitung von Datensätzen und automatisierte Implementierung von Anwendungsfällen,
• die effiziente und performante Berücksichtigung der Kombinatorik der Planungsprämissen,
• Erarbeitung von passenden Maßnahmenvorschlägen basierend auf der Erfahrung klassischer Netzplanung und neuer Methoden,
• effektive Verifikation der Maßnahmenvorschläge und Entscheidungsgrundlage für Umsetzung,
• Synchronisation der umzusetzenden Maßnahmen aus mehreren Prozessen bzw. Regionen

Die Beurteilungs- und Entscheidungskompetenz verbleibt beim Netzplaner, gleichzeitig wird dieser in der Ausführung der Netzberechnungen deutlich entlastet und kann seine Erfahrung in gute Entscheidungen für die Netzbetreiber und die gesamte Energieversorgung einbringen.

Bei Interesse an unseren Tätigkeiten in diesem Themenbereich, kontaktieren Sie gerne den unten genannten Ansprechpartner.