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Modul Lastflussberechnung

Die Lastflussberechnung ist eines der wichtigsten und etabliertesten Netzberechnungsverfahren. Ziel der Lastflussberechnung ist es, Flüsse auf Zweigen und Spannungen an Knoten zu berechnen, die sich bei vorgegebener Leistungseinspeisung und vorgegebener Leistungsentnahme einstellen. Aufgrund der vielen Anwendungsgebiete der Lastflussberechnung verfügen heute praktisch alle Planungswerkzeuge über dieses Berechnungsverfahren. Im Detail unterscheiden sich die Algorithmen und deren Einbindung in die Benutzeroberfläche jedoch erheblich. Unterschiede ergeben sich insbesondere in folgenden Bereichen:

Konvergenzverhalten
Die zuverlässige Konvergenz des Lastflusses bei lösbaren Lastflussproblemen ist wichtige Grundvoraussetzung für eine effiziente Netzplanung. In INTEGRAL sind daher diverse Maßnahmen implementiert, die ein sehr gutes Konvergenzverhalten sicherstellen. So werden u.a. gekuppelte Sammelschienen, die in vielen Verfahren über sehr niedrige Impedanzen miteinander verbunden werden, innerhalb der eigentlichen Berechnung verschmolzen. Der Fluss über die Kupplung wird erst in einem nachgeschalteten Schritt bestimmt.

Verhalten im Falle der Nichtkonvergenz
Nichtkonvergenz tritt bei allen nicht lösbaren Lastflussproblemen zwangsläufig auf. Häufig ist dies die Folge von Fehleingaben, die sich ohne weitere Unterstützung des Planungswerkzeugs nur schwer auffinden lassen. INTEGRAL bestimmt in diesen Fällen daher eine nicht-physikalische Näherungslösung, die eine schnelle Eingrenzung von Eingabefehlern erlaubt. Die verfahrensbedingt immer Ergebnisse bringende Wirklastflussberechnung bietet eine zusätzliche Möglichkeit, eine Übersicht über die Wirklastflüsse im Netz zu erhalten.

Nachbildung von Regelungen
In INTEGRAL können Zwei- und Dreiwicklungstransformatoren die Spannung an allen Netzknoten regeln, die von diesen beeinflussbar sind. Die Regelung des Wirkleistungsflusses über Transformatoren ist bei schräg- und quergeregelten Transformatoren ebenfalls möglich. Berechnete Stufenstellungen können direkt in den Datensatz übernommen werden. Bei jeder Einspeisung kann in INTEGRAL vorgegeben werden, welcher Anteil des Leistungsbilanzunterschiedes von ihr ausgeglichen wird (Primärregelung). Zusätzlich kann vorgegeben werden, welche Leistung einzelne Netzgruppen importieren oder exportieren (Sekundärregelung). Bei beiden Regelungsarten werden vorgegebene Wirk- und Blindleistungsgrenzen bei Einspeisungen eingehalten.

Nachbildung unterschiedlicher Lastcharakteristika
In klassischen Verfahren zur Lastflussberechnung wird bei Verbrauchern eine konstante Leistungsentnahme unabhängig von der Spannung am Anschlusspunkt unterstellt. Diese Nachbildung ist auch in vielen Fällen richtig. Es gibt jedoch diverse Verbraucher, deren Leistungsentnahme mit sinkender Spannung abnimmt. In INTEGRAL kann daher die Abhängigkeit der Leistungsentnahme von der Spannung bei allen Verbrauchern individuell vorgegeben werden.

Nachbildung von Leitungen
In Übertragungsnetzen mit großen Leitungslängen ist die Verwendung eines einfachen π -Gliedes als Leitungsmodell unzureichend. Daher verwendet INTEGRAL bei längeren Leitungen automatisch ein genaueres Modell auf Basis der Leitungsgleichungen.

Auswertefunktionen
Wurde die Lastflussberechnung erfolgreich durchgeführt, müssen die Ergebnisse bewertet werden. Hierfür stellt INTEGRAL neben der Darstellung in der Netzgrafik umfangreiche Tabellen zur Verfügung, die individuell konfigurierbar sind und über Filterfunktionen eine gezielte Eingrenzung relevanter Netzelemente erlauben. Per „Drag and Drop“ können Tabellenzeilen auf Grafiken gezogen werden, um einzelne Elemente zu lokalisieren.

Module Ausfallsimulation, Ganglinienrechnung

Vorgabe von Ausfällen
Im Rahmen von Ausfallsimulationen kann überprüft werden, welcher Lastfluss sich beim Ausfall einzelner Netzelemente einstellt. Ausfälle, die im Rahmen der Ausfallsimulation analysiert werden, können in INTEGRAL manuell vorgegeben oder automatisch ermittelt werden. Für eine automatische Ermittlung von Ausfällen wird zunächst eine Grundlastflussberechnung durchgeführt. Zweige, deren Auslastung im Grundlastfall oberhalb einer vorgegebenen Auslastungsgrenze liegen und bestimmten Netzgruppen zugeordnet sind, fallen im Rahmen der Ausfallsimulation automatisch aus.

Schnelle Ausfallsimulation
Bei vielen Planungsschritten ist es nicht erforderlich, sämtliche Spannungen, Ströme und Flüsse bei jedem simulierten Ausfall auszuwerten. Vielmehr interessiert lediglich, ob Grenzwertverletzungen für Spannungen und Ströme aufgetreten sind sowie deren Ort und der verursachender Ausfall. Die in INTEGRAL implementierte schnelle Ausfallsimulation nutzt den damit erzielbaren erheblichen Rechenzeitvorteil und erleichtert damit den Umgang mit sehr großen Netzen.

Modifikationen und Sonderschaltzustände
Im Rahmen einer Ausfallsituation treten oftmals Grenzwertverletzungen auf, die im Betrieb mit bekannten Schalthandlungen, Änderungen von Transformatorstufenstellungen, Zuschalten von Kompensationseinrichtungen, veränderten Sollwerten für spannungsgeregelte Kraftwerke etc. routinemäßig beherrscht werden. INTEGRAL erlaubt es, diese Maßnahmen der Netzbetriebsführung als Regeln zu hinterlegen und damit zu einer praxisgerechten Beurteilung des Netzzustandes in der Ausfallsituation beizutragen.

Ergebnisauswertung
Die Ergebnisse der Lastflussberechnung jedes einzelnen Ausfalls können in gleicher Form wie die Ergebnisse einer normalen Lastflussberechnung dargestellt und ausgewertet werden. Alternativ kann auch auf eine Differenzdarstellung zwischen den Ergebnissen der Ausfallsituationen und dem Grundlastfall umgeschaltet werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Ergebnisse aller Ausfallsituationen in einem Schritt zu analysieren. So wird in einer Tabelle für alle Zweige direkt ausgewiesen, welche maximale Auslastung bei welcher Ausfallsituation auftrat.

Ganglinienrechnung
Allen Einspeisungen und Verbrauchern können Jahresganglinien zugewiesen werden, die sich aus charakteristischen Tagesganglinien zusammensetzen. Das Zeitraster für die Berechnung ist flexibel. Die Auswertefunktionen entsprechen denen der Ausfallsimulation, d.h. auch bei der Ganglinienrechnung können alle Ergebnisse in einem Schritt analysiert werden.

Modul Kurzschlussstromberechnung
Insgesamt sind in INTEGRAL drei verschiedene Gruppen von Verfahren zur Kurzschlussstromberechnung eingebunden, von denen zwei auf den Vorgaben der IEC 60909 bzw. VDE 0102 basieren. Sämtliche Korrekturverfahren der Normen sind implementiert. Eine detaillierte Nachbildung von Elementen, die an Sternpunkte angeschlossen sind, ist möglich. So werden beispielsweise Sternpunktschienen, auf die Sternpunkte mehrere Generatoren geschaltet sind, realitätskonform in den Rechnungen berücksichtigt.

Berechnung von Kurzschlüssen an allen Knoten (Takahashi-Verfahren)
Verfahren der ersten Gruppe berechnen in einem Schritt Kurzschlüsse an allen Fehlerorten des Netzes. Diese so genannten Takahashi-Verfahren eignen sich sehr gut, um schnell einen Überblick über die Kurschlussströme im gesamten Netz zu erhalten (Bild 4). In INTEGRAL sind vier verschiedene Takahashi- Verfahren implementiert, die eine Berechnung der vier in der VDE-Norm beschriebenen Fehler- arten zulassen:

  • 3-polige Fehler (K3)
  • 2-polige Fehler (K2)
  • 1-polige Fehler (K1)
  • 2-polige Fehler mit Erdberührung (K2E)

Die Ergebnisse dieser Verfahren können in Netzgrafiken und tabellarisch dargestellt werden. Außerdem bietet, wie auch bei Ergebnissen anderer Berechnungsmodule, die Einfärbung von geografischen Netzdarstellungen auf Basis der Berechnungsergebnisse (Bild 4 für Knoten-Kurzschlussleistungen), einen schnellen Überblick.

Berechnung einzelner Kurzschlusssituationen
Im Takahashi-Verfahren werden lediglich die Werte am Fehlerort sowie die Flüsse auf den speisenden Leitungen berechnet. Um einen Fehlerfall genauer zu analysieren, können auch einzelne Kurzschlusssituationen berechnet werden. In diesem Fall werden Spannungen und Ströme im gesamten Netz ermittelt.

Universelle Fehlerberechnung und Lastflussüberlagerung
Neben der Berechnung der vier genannten Fehlerarten erlaubt INTEGRAL die Analyse wesentlich komplexerer Fehlerfälle. Beliebige Kombinationen von Leitungsunterbrechungen, Kurzschlüssen und Zwischensystemfehlern können unter Berücksichtigung möglicher Fehlerimpedanzen berechnet werden. Dabei werden vollgekoppelte Leitungen und unsymmetrische Betriebsmittel nachgebildet. Das Verfahren arbeitet dazu dreiphasig im Leitersystem. Bei einer Kurzschlussstromberechnung entsprechend der Normen wird die Netzauslastung zum Zeitpunkt des Fehlereintritts nicht berücksichtigt. Diese Vereinfachung ist für Planungsrechnungen hilfreich, da die tatsächliche Netzbelastung im Fehlerfall vorab nicht bekannt ist. Zur Analyse tatsächlich aufgetretener Störungen ist es jedoch wünschenswert, wenn die Berechnung der Kurzschlussströme auch ohne die in den Normen beschriebenen Vereinfachungen durchgeführt werden kann. So ist beispielsweise eine nachträgliche Überprüfung der Anregebedingungen der Schutzgeräte möglich. INTEGRAL bietet daher die Möglichkeit, die Überlagerung von Kurzschlussströmen und Lastflüssen zum Zeitpunkt des Fehlereintritts zu berechnen.

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Andreas Moormann
Andreas Moormann
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