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Netzberechnungen auf Basis von Informationen aus der Netzleittechnik

Bild 1. Auszug Prozessdaten

Bild 2. Auszug Messwerte

Bild 3. Auszug ZDB-Datei

Bild 4. Netzanpassung in Neplan

Klassische Netzleitsysteme der elektrischen Energieversorgung sind für die Ausführung von Scada-Funktionen konzipiert. Die für Sicherheitsbetrachtungen und Planungsvorgänge notwendigen Lastfluss- und Kurzschlussstromberechnungen werden an anderer Stelle ausgeführt. Bei dieser Aufgabenteilung kann die Verwendung von leittechnischen Daten helfen, die Durchführung von Netzberechnungen einfacher und effizienter zu gestalten.

Die Infraserv GmbH & Co. Höchst KG ist die Betreibergesellschaft des Industriepark Höchst (IPH). Dieser ist Standort für rund 90 Unternehmen aus den Bereichen Pharma, Biotechnologie und Chemie. Im elektrischen Versorgungsnetz des Industrieparks wird derzeit eine Lastspitze von 240 MW, bei einer durchschnittlichen Leistungsdichte von 30 MW/km² bis 70 MW/km², erreicht. Infraserv betreibt vor Ort mehrere Kraftwerke zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme.
Infolge der strukturellen Veränderungen auf dem Strommarkt müssen die Übertragungs- und Transportnetze der Mittel- und Hochspannungsebene auf zukünftige Anforderungen ausgelegt werden. Hierzu zählen eine quantitative Zunahme von Netzeinspeisungen in der Mittelspannungsebene und eine reduzierte Anzahl von Betriebsmitteln mit höheren Auslastungsgraden. Für die Betriebsführung und Zustandsüberwachung von Netzen bedeutet dies qualitativ neue Anforderungen. Mit Netzberechnungen parallel zur Betriebsführung können kritische Bereiche im Netz ermittelt und durch entsprechende Maßnahmen Abhilfe geschafft werden. Um solche Berechnungen durchführen zu können, müssen aktuelle Schaltzustände von Betriebsmitteln, Netzdaten und die Leistungsflüsse an Verbraucherabgängen bekannt sein. In Netzen mit fernüberwachten Anlagen werden diese Informationen in der Leittechnikwarte zusammengeführt.

Ausführungsvarianten der Netzberechnung
Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten, leittechnische Informationen für Netzberechnungen zu nutzen: die Einbindung einer Berechnungsplattform in die Leittechnik oder der Datentransfer in ein externes Berechnungsprogramm. Da die notwendigen Daten bereits in der Leittechnik vorhanden sind, ist es nahe liegend, eine Berechnungsplattform in diese zu integrieren. Eine für die Betriebsführung bereits vorhandene Netzabbildung kann als Basis für das Berechnungsmodell dienen, Betriebsmittelparameter und andere für die Netzberechnung notwendige Informationen müssen ergänzt werden. Datenkonsistenz zwischen dem Modell zur Netzberechnung und dem Prozessabbild der Leittechnik ist in diesem Fall immanent, da sie auf dem gleichen Datensatz aufbauen.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Systempflege, die sich auf einen Datensatz beschränkt. Sollen Berechnungen ausschließlich zur Netzüberwachung und Verifizierung von Schalthandlungen dienen, stellt diese Variante eine vergleichsweise einfache Möglichkeit der Realisierung dar. Als Nachteil ist die eingeschränkte Möglichkeit zur Wahl einer Berechnungssoftware zu sehen, da unter Umständen nur Produkte des Herstellers des Netzleitsystems verwendet werden können.

Die zweite Realisierungsmöglichkeit besteht in der Nutzung eines separaten Netzberechnungsprogramms und setzt einerseits eine Schnittstelle am Netzleitsystem zur Ausgabe der benötigten Daten, andererseits eine Schnittstelle zum Datenimport bei der Netzberechnungssoftware voraus. Ist beides gegeben, können neben den bereits erwähnten Aufgaben der Online-Netzberechnung auch planungstechnische und konzeptionelle Fragestellungen unter Berücksichtigung aktueller Netzzustände behandelt werden. Diese sind häufig dem Aufgabenbereich der Leittechnik fremd und treten innerbetrieblich an anderer Stelle auf. Zu klären ist bei dieser Variante, wie es erreicht werden kann, dass dauerhaft ein konsistentes Datenmodell beiden Systemen zugrunde liegt, welches im Netzberechnungsprogramm dann nach Bedarf mit neuen Komponenten ergänzt oder schaltungstechnisch modifiziert werden kann. Eine zentrale Betriebsmitteldatenbank für alle verwendeten Programme stellt eine Lösungsmöglichkeit dar. Der Datenaustausch zwischen Scada-Software und Netzberechnungsprogramm muss stets so gestaltet sein, dass eine Beeinflussung oder Störung der Leittechnik unter allen Umständen ausgeschlossen ist.

Beispiel zum Erreichen von Datenkonsistenz
Im Folgenden wird beschrieben, wie zwei separat erstellte Netzmodelle, die Prozessabbildung für die Leittechnik und der Netzplan im Berechnungsprogramm, fusioniert werden können, sodass langfristig Datenkonsistenz sichergestellt ist. Der Austausch von Daten zwischen zwei Programmen, die mit unterschiedlichen Netzmodellen arbeiten, wird auf diese Weise vermieden und der Aufwand zur Systempflege reduziert.
Zu Beginn sind Netzdaten sowie Betriebsmittelparameter nur im Netzberechnungsprogramm vorhanden. Informationen zu Prozessdaten mit Informationen über Schaltzuständen und Messwerte sind nur im Netzleitsystem vorhanden. Um eine eindeutige Objektbezeichnung zu garantieren, wird eine Referenzliste für die Namenssysteme aller Betriebsmittel erstellt. Anschließend sind die Netzdaten aus dem Berechnungsprogramm in das Netzleitsystem zu importieren. In diesem sind nun alle Daten konzentriert, auch wenn ein Teil von diesen für die Netzführung nicht von Bedeutung ist. Es ist nur noch ein System zu pflegen. Bei Bedarf können sämtliche Informationen für die Netzberechnung aus dem Leitsystem abgerufen werden.

Umsetzung im Industriepark Höchst
Die zentrale Leitwarte für das elektrische Energieversorgungsnetz im IPH nutzt für die Betriebsführung das Netzleitsystem Prins, Version 6, der Firma Business Technology and Consulting AG. Hierbei handelt es sich um ein modular aufgebautes System zur Führung von Strom-, Gas-, Wasser- und Fernwärmesystemen. Das System bietet umfangreiche Funktionen zur Protokollierung und Archivierung von Vorgängen im Netz. Die im IPH lizenzierten Module sind jedoch nicht für den Datenaustausch mit anderen Programmen ausgelegt und bieten keine Möglichkeit, auf die vorhandenen Daten mit anderen Systemen direkt zugreifen zu können.
Netzberechnungen werden mit dem Programm Neplan, Version 5, der Firma Busarello Cott Partner AG, durchgeführt. Dieses stellt für den Import und Export von Daten mehrere Schnittstellen zur Verfügung.

Export von Daten aus der Leittechnik
Da wie beschrieben kein Programmzugriff auf die in Prins vorhandenen Daten möglich ist, können die benötigten Informationen nur über die Benutzeroberfläche des Systems gewonnen werden. An Arbeitsplatzrechnern mit Systemzugriff ist das Einsehen der Prozessdatenliste möglich. Mit den Standardfunktionen Markieren, Kopieren und Einfügen kann diese kopiert und eine neue Datei mit den Daten aus der Liste erstellt werden.
Die Prozessdaten aus dem Leitsystem liegen nach diesem Vorgang als Textdatei vor, Bild 1 zeigt einen Auszug aus einer auf diese Weise erstellten Liste. Für jede der rund 14.000 Prozessvariablen sind in einer separaten Zeile der letzte Aktualisierungszeitpunkt, die Bezeichnung und der Zustand aufgeführt.
Nach dem gleichen Schema kann eine Liste mit Messwerten aus der Leittechnik gewonnen werden, diese umfasst etwa 1.700 Werte. Bild 2 zeigt einen Auszug aus dieser. Neben Messwerten von elektrischen Größen, wie Strom und Spannung, sind darin auch zahlreiche Temperatur- und Druckwerte enthalten.

Import von Topologiedaten in das Berechnungsprogramm
Eine Möglichkeit für den Austausch von Topologiedaten bietet die grafische Benutzeroberfläche des Programms. Hierbei wird der Import und Export von Zustandsdaten über eine ZDB-Datei vom Benutzer über die Menüführung veranlasst. Bei der ZDB-Datei handelt es sich um eine auf dem ASCII-Zeichensatz basierende Tabelle, welche die Zustandsdaten des im Neplan aktiven Netzes enthält. In Bild 3 ist ein Auszug aus einer ZDB-Datei dargestellt. Diese enthält Typ, Name und Schaltzustand von jedem Betriebsmittel im entsprechenden Netz.
Bild 4 zeigt zwei in Neplan nachgebildete Stationen aus dem Industrienetz. Die umrandeten Abgänge zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten: links in der Abbildung mit physikalischen Schaltelementen und rechts mit logischen Schaltern. Diese ermöglichen dem Anwender ebenfalls ein Schalten und sind standardmäßig in Neplan an Leitungen und Verbindungen vorhanden. Ein Sammelschienenwechsel wird bei dieser Ausführung durch ziehen des Leitungsendes mit dem Mauszeiger an die gewünschte Sammelschiene erreicht. Um Schaltzustände aus der Leittechnik in Neplan übernehmen zu können, müssen alle relevanten Verbindungen in einem Netzmodell mit Schaltern ausgeführt werden. Diese erhalten einen Namen, der eindeutig der entsprechenden Prozessvariablen zuzuordnen ist.

Bild 5. Schema für die Betriebsmittelkennzeichnung

Bild 6. Auszug aus einer makrogenerierten ZDB-Datei

Eine Prozessvariable ist anhand der Inhalte der Spalten drei bis fünf in Bild 1 zu identifizieren. Da für die Bezeichnung eines Betriebsmittels in Neplan nur 31 Zeichen zur Verfü-gung stehen, erfolgt diese nach dem Schema in Bild 5. Aus den Inhalten der Spalten in der Prozessdatenliste werden alle Leerzeichen und Unterstriche entfernt, die verbleibenden Fragmente aneinandergereiht und in Neplan als Name für das entsprechende Schaltorgan eingefügt.

Modifizierung einer ZDB-Datei
Sowohl die aus dem Leitsystem gewonnene Prozessdatenliste als auch die mit Neplan erstellte ZDB-Datei basieren auf ASCII-Zeichen und können von üblichen Text- und Tabel-lenkalkulationsprogrammen gelesen werden. Für die Umsetzung des im Folgenden beschriebenen Prozesses wurde das Programm MS-Excel mit VBA-Makros verwendet.
Ausgangsbasis ist die mit Neplan erstellte ZDB-Datei von einem Netz, für das die Schalterstellungen aus der Prozessdatenliste von einem beliebigen Zeitpunkt übernommen werden sollen. Die Werte in den Spalten drei und vier der ZDB-Liste in Bild 3 sind mit den Zustandswerten von der den Schaltern entsprechenden Variablen aus der Prozessdatenliste zu ersetzen. Dies hat für alle in der ZDB-Datei aufgeführten Betriebsmittel zu geschehen. Kann für einen Schalter kein eindeutiger Zustandswert in der Prozessdatenliste gefunden werden, muss der Anwender auf diesen Umstand hingewiesen werden. Es sind unter anderem die folgenden Gründe für eine nicht erfolgreiche oder eindeutige Identifizierung möglich:
• Ein Fehler in der Bezeichnung des Schalters.
• Es existiert keine dem Schalter zugehörige Prozessvariable, zum Beispiel, wenn dieser zu einer noch nicht realisierten Station gehört oder ein Umbau mit einer entsprechenden Neukennzeichnung der Schalter stattgefunden hat, die im Netzmodell noch nicht berücksichtigt wurde.
• Der Schalter befindet sich in einem Zustand, der nicht ohne Weiteres als ein oder aus interpretiert werden kann, zum Beispiel in Zwischenstellung gesperrt oder verriegelt.
Bild 6 zeigt den Ausschnitt einer ZDB-Datei, die mithilfe des erstellten VBA-Makros erzeugt wurde. Durch den Benutzer kann diese Liste als ZDB-Datei mit den neuen Schaltzuständen wieder in Neplan eingelesen werden.

Import von Belastungsdaten in das Berechnungsprogramm
Die Leistungsdaten von Verbrauchern und Erzeugern können, ähnlich wie die Topologiedaten, von Neplan über eine Datei ausgegeben und eingelesen werden. Dabei sind ebenfalls bestimmte Formate für die Dateikonvertierung einzuhalten. Sollen Messwerte aus der Leittechnik für die Lastflussberechnung herangezogen werden, muss, wie im Fall der Topologiedaten, eine Zuweisung zu einzelnen Elementen des Netzmodells erfolgen. Den folgenden Elementen können Belastungsdaten zugewiesen werden: Netzeinspeisung, Generator (Synchronmaschine), Motor (Asynchronmaschine) und Last.
Netzeinspeisepunkte und Generatoren im IPH verfügen über eine Leistungsmessung, die mit der Leittechnik verbunden ist. Eine Zuordnung zu den entsprechenden Modellelementen kann somit äquivalent zu dem in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen Verfahren für die Topologiedaten erfolgen. Gleiches gilt für Verbraucher im Netz, die mit einer eigenen Messung ausgestattet und mit der Leittechnik verbunden sind. Da Verbraucherabgänge in Stationen jedoch häufig nur mit Leistungsmessungen auf der Niederspannungsseite ausgeführt sind, die nicht über eine Anbindung an die Leittechnik verfügen, müssen Belastungswerte für eine Zuordnung aus vorhandenen Messwerten berechnet oder angenähert werden.
Im Fall von Hochspannungsmotoren erfolgt die Messung zwar hochspannungsseitig, ist aber ebenfalls nur vor Ort abzulesen. Die dazu benötigten Algorithmen müssen neben den verfügbaren Messwerten auch den aktuellen Schaltzustand der Betriebsmittel in einer Station berücksichtigen, um zu einem korrekten Ergebnis zu führen. Somit sind für eine auf Messwerten basierende Lastflussberechnung auch immer die zu dem Messzeitpunkt gehörenden Topologiedaten notwendig.

Zusammenfassung
Mit dem umgesetzten Verfahren zur Einbindung von Topologiedaten können zukünftig die Auswirkungen von geplanten Schalthandlungen auf mögliche Kurzschlussströme zeitnah und mit wenig Aufwand untersucht werden. Ebenso sind nun regelmäßige Kontrollberechnungen des aktuellen Netzzustands einfacher durchzuführen. Die Gefahr von Fehlern bei der Eingabe der Netztopologie konnte mit dem Verfahren reduziert werden. In Anbetracht der Tatsache, dass Änderungen an der Netzstruktur, wie neue Stationen und Kabel, nicht sehr häufig vorkommen, und wenn, dann nur in überschaubaren Teilbereichen des Netzes oder in einzelnen Stationen, hält sich der zu erwartende Aufwand für die Systempflege in Grenzen.
Sofern Netzberechnungen in Planungsprozesse von Neuerrichtungen eingebunden sind, erfolgt automatisch eine Aktualisierung des Netzmodells. Ein Abgleich mit der Leittechnik reduziert sich dann unter Umständen auf eine Überprüfung der Schalterbezeichnungen. Das Verwenden einer Referenzliste für die Bezeichnung von Betriebsmitteln sowohl in der Leittechnik als auch bei der Netzberechnung kann diesen Prozess noch vereinfachen.
Eine Simulation unter Verwendung von Messwerten von einem Teilbereich des Netzes hat gezeigt, dass die berechneten Lastflüsse mit den im Netz gemessenen Werten übereinstimmen. Das Einbinden von Messwerten in die Netzberechnung stellt nun den nächsten Schritt zur Aufwertung der Netzberechnungen dar.

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Autor: Dr. Ing. Jürgen Scheifele ist bei der Infraserv GmbH & Co. Höchst KG im Geschäftsfeld Energien, Sonderprojekte im Industriepark Höchst tätig.

Autor:Dipl.-Ing. Guntram Naurath ist Sachverständiger im Bereich Energie¬versorgung bei der TÜV Nord Ensys Hannover GmbH & Co. KG.