Effiziente Planung, Auslegung, Weiterentwicklung und Betrieb elektrischer Energiesysteme 

Bei der Planung, Auslegung und Betriebsführung elektrischer Übertragungs-, Verteil- und Industrienetze sowie für andere Arten von mit Wechselstrom betriebenen Netzen (Micro-Grids, Netze auf Schiffen und Bahnstromversorgung) sind die Verteilung der Leistungsflüsse im Netz bzw. die Spannungen und Ströme im Netz von Interesse, um folgende Aufgaben damit zu lösen:

• Planung neuer Netze und Netzbereiche sowie die Analyse und Umstrukturierung bestehender Netze
• Ermittlung der Spannungen an allen Knoten in einem symmetrischen oder unsymmetrischen Netz
• Einhaltung regulatorischer Vorgaben der zulässigen minimalen und maximalen Betriebsspannungen
• Ermittlung der Betriebsmittelauslastung in einem symmetrischen oder unsymmetrischen Netz
• Überprüfung und Planung von Schalthandlungen und Schaltkonfigurationen
• Optimierung der Einstellungen steuer- und regelbarer Betriebsmittel (z.B. Stufenposition bei Transformatoren, Kondensatoren)
• Integrierte Analyse von Übertragungs- und Verteilungsnetzen
•  Validiertes Netzmodell basierend auf Messergebnissen
•   Verlustbetrachtungen

Mit dem Modul (PF) bietet PSS®SINCAL dem Anwender schnelle und robuste Verfahren zur Berechnung des Lastflusses/Leistungsflusses in elektrischen Netzen unter Berücksichtigung einer hohen Modellierungstiefe für Elemente und geregelte Elemente.

• Robuste Verfahren (z.B. Newton-Raphson, Stromiteration) zur Berechnung der Verteilung von Strömen, Spannungen und Leistungen in symmetrischen und unsymmetrischen Drehstromsystemen (sowie 4-Leiter-Systemen)
• Nachbildung von geregelten Elementen mit Stufenstellern wie Transformatoren, Kondensatoren und Drosseln oder der individuellen Regelung von Netzelementen in Abhängigkeit beliebiger Größen (z.B. Spannung, Strom, Leistung) im gesamten Netzmodell
• Unterstützung von komplexer Lastmodellierung, benutzerdefinierten Modellen, Phasenschiebern und unsymmetrischen Transformatoren sowie Nachbildung von Temperaturabhängigkeiten
• Visualisierung von Schwachstellen im Netz basierend auf den Ergebnissen für Spannung und Auslastung

Die Berechnung von Kurzschlüssen in Netzen während der Planung und dem Betrieb zur Beurteilung der Beanspruchung der Betriebsmittel ist nach standardisierten Verfahren durchzuführen. Die damit ermittelten Ergebnisse sind des Weiteren als Grundlage für weitere Untersuchungen (z.B. Schutzkonzept, Störlichtbogenbewertung) erforderlich.

• Dimensionierung der Betriebsmittel entsprechend der zu erwartenden thermischen und mechanischen Beanspruchung bei Kurzschlüssen (maximale Kurzschlussströme)
• Ermittlung der Schutzeinstellung basierend auf den Ergebnissen (minimale Kurzschlussströme)
• Störlichtbogenbewertung basierend auf den Ergebnissen
• Berechnung von Kurzschlüssen unter Vorbelastung 

Das Modul zur Kurzschlussberechnung (SC) in PSS®SINCAL ermöglicht die Berechnung von Kurzschlüssen gemäß standardisierten Verfahren und Normen. Die Berechnung und deren Ergebnisse stehen darüber hinaus in weiteren Modulen dann zur Verfügung.

• Modellierung der Netzelemente für die Kurzschlussberechnung gemäß den aufgeführten, standardisierten Verfahren und Normen
• Kurzschlussberechnung für unsymmetrische Netze mit Nachbildung einzelner Phasen (statt mit symmetrischen Komponenten) und Fehlerimpedanz
• Berechnung der Kurzschlussströme für 3-, 2- und 1-polige Fehler mit und ohne Erdberührung
• Berechnungsverfahren:   IEC 60909/VDE 0102 (2016, 2001, 1990),  IEC 61363 (1998), IEEE C37 (2016, 1990), G74, GOST R 52735 (2007), 28249 (1993)
• Berechnung der Kurzschlussströme mit Vorbelastung basierend auf den Lastflussergebnissen
• Ermittlung der maximalen Abschaltzeit bis zur thermischen Zerstörung von Leitungen und Transformatoren
• Visualisierung der Überschreitung von zulässigen Kurzschlussströmen von Betriebsmitteln in der Netzgrafik

Bei der Planung und Auslegung elektrischer Netze ist auch die Betrachtung des frequenzabhängigen Verhaltens der Betriebsmittel und die Resonanz oder Dämpfung der von einzelnen Betriebsmitteln ausgesendeten Oberschwingungen von Interesse:

• Ermittlung und Untersuchung des frequenzabhängigen Verhaltens des Netzes und der Resonanzfrequenzen für den aktuellen Netzzustand
• Automatische Durchführung der Untersuchungen für eine Vielzahl von beliebigen Netzzuständen (Umschaltungen, Wartung) oder in Abhängigkeit aller möglichen Positionen regelbarer Elemente (z.B. Kondensatoren), um alle Netzkonfigurationen in die Betrachtung mit einzubeziehen
• Einhaltung regulatorischer Vorgaben zur Spannungsqualität hinsichtlich der zulässigen minimalen und maximalen Oberschwingungen und Verzerrungen der Spannung im Netz
• Vermeidung von in der Beleuchtung sichtbaren Oberschwingungen (Flicker)
• Schutz von Betriebsmitteln (z.B. Kondensatoren) vor Beschädigung oder Zerstörung durch Spannungen und Ströme höherer Frequenzen
• Auswahl der Schaltgruppe von Transformatoren zur gezielten Unterdrückung einzelner Oberschwingungen (z.B. 5. und 7. bei YY0 und YY1)
• Auslegung und Platzierung von Filtern
• Reduktion von Netzgebieten (Randnetzen) als Resonanznetzwerke unter Berücksichtigung des frequenzabhängigen Verhaltens sowie der Schaltzustände und Stufenpositionen regelbarer Elemente (z.B. zugeschaltete Filter)
• Integration des gemessenen Verhaltens von Netzteilen, die nicht im Netzmodel detailliert nachgebildet wurden

Das Modul (OB) in PSS®SINCAL bietet dem Anwender die Berechnung von Frequenzgängen in statischen Netzkonfigurationen sowie in kombinatorischen Konfigurationen in der Variationsrechnung und die Berechnung von Oberschwingungspegeln. Darüber hinaus steht eine Funktionalität zur Filterauslegung zur Verfügung.

• Erweiterung des Netzmodells um frequenzabhängiges Modellverhalten
• Modellierung von aktiven und passiven Resonanznetzen
• Umfangreiche Optionen zur Modellierung von Quellen mit Oberschwingungsaussendung
• Berechnung der Frequenzgänge für statische Zustände sowie Variationsrechnung (Ausfallrechnung für Oberschwingungen: Auswertung der Ergebnisse für Spannungen und Ströme bezogen auf die Grenzwerte aus Standards IEEE 519 (TIF und IT), THFF und EDC, NY x UNY und NY x INY, IEC 61000-2-4 Klasse 1, 2, oder, Auswertung der Ergebnisse für Spannungen und Ströme bezogen auf benutzerdefinierte Grenzwerte
• Grafische Darstellung der Frequenzgänge, Ortskurven, Impedanzflächen und Oberschwingungspegel in Diagrammen
• Funktion zur Erkennung von Resonanzpunkten und zur Filterauslegung von Filtergruppen

Die Planung und Betriebsführung komplexer Energiesysteme erfordern Analysemethoden im Zeitbereich, so dass nicht nur stationäre Zustände, sondern auch die dazwischen stattfindenden, dynamischen Ausgleichvorgänge in der Beurteilung des Netzzustandes Berücksichtigung finden. Verlagert sich die Dynamik des Netzes in die dem Übertragungsnetz unterlagerten Netzebenen, steigt die Komplexität der Anforderungen an die Betreiber solcher Systeme.

• Zeitbereichsanalyse zur Einhaltung des klassischen Stabilitätsbegriffs nach IEEE hinsichtlich Spannungs-, Frequenz- und Polradwinkelstabilität
• Interaktionen im elektrischen Energiesystem zu und zwischen umrichterbasierten Anlagen
• Untersuchung von Ausgleichsvorgängen und Belastungen im Übertragungs- und Verteilnetz bei symmetrischen und unsymmetrischen Ereignissen (z.B. Kurzschlüsse, Anlaufvorgänge, Betriebsmittelausfälle)
• Berücksichtigung des Einflusses von Erzeugungsanlagen verschiedenen Typs mit ihren Regel- und Kommunikationseinrichtungen
• Überprüfung des Schutzkonzepts bei sich bedingenden Fehlersequenzen im Zeitbereich

Die PSS®SINCAL Plattform bietet mit ihrer Dynamik-Engine PSS®NETOMAC dem Anwender in diesem Modul (ST) die Möglichkeit, diese sowohl für die meisten Basisanwendungen direkt in der PSS®SINCAL Oberfläche zu verwenden, als auch im Expertenmodus (ExpMode) die native Oberfläche der Engine für erweiterte Spezialberechnungen zu nutzen.

Die Dynamik-Engine bietet neben den präzisen dynamischen Modellen einen hohen Freiheitsgrad der Modellierung und die Möglichkeit zur Nutzung als Berechnungsmodul in anderen Programmen wie beispielsweise der SIGUARD® Produktfamilie.

• Zeitbereichssimulation auf Basis von Effektivwertzeigern (RMS) für symmetrische und unsymmetrische Netze bei symmetrischen und unsymmetrischen Fehlerbedingungen, Lasten und Einspeisungen
• Verwendung erprobter und erfolgreich validierter dynamischer Modelle sowie Simulationsmethoden der Dynamik-Engine PSS®NETOMAC
• Berücksichtigung des Schutzgeräteverhaltens bei Ausgleichsvorgängen in der Zeitbereichssimulation und in der automatisierten Schutzkoordination

Die Auslegung von Betriebsmitteln in elektrischen Energiesystemen erfordert die Ermittlung ihrer elektrischen und mechanischen Beanspruchungen, die im Betrieb solcher Anlagen durch Schalthandlungen und Fehler auftreten können. Hierbei gilt es, je nach Betriebsmitteln die potenziell auftretenden physikalischen Phänomene in verschiedenen Frequenzbereichen zu untersuchen und bei Verletzung von Grenzwerten entsprechende Gegenmaßnahmen in der Auslegung und in den Schutzkonzepten vorzusehen.

• Untersuchung der Isolationskoordination hinsichtlich temporärer Überspannungen (TOV) oder solchen, die durch Schalthandlungen (SOV) oder Blitzeinschläge (LOV) verursacht werden
• Beurteilung von sehr schnellen transienten Überspannungen (VFTO)
• Analyse der Auswirkungen durch Ein- und Ausschaltvorgänge von Leitungen, Transformatoren, elektrischen Maschinen und induktiven Lasten
• Ermittlung der Beanspruchungen von Leistungsschaltern bei Schalthandlungen
• Analyse von Spannungswiederkehr (TRV)
• Studien zum Anschluss von umrichterbasierten elektrischen Erzeugungs- und Übertragungssystemen wie HGÜ, FACTS, Wind- und Photovoltaikanlagen
• Untersuchung von subsynchronen Resonanzen (SSR) und Interaktionen (SSTI) mit Antriebssträngen von Maschinen

Die PSS®SINCAL Plattform bietet mit ihrer Transienten-Engine PSS®NETOMAC dem Anwender in diesem Modul (EMT) die Möglichkeit, diese sowohl für die meisten Basisanwendungen direkt in der PSS®SINCAL Oberfläche zu verwenden, als auch im Expertenmodus (ExpMode) die native Oberfläche der Engine für erweiterte Spezialberechnungen zu nutzen.

Die Transienten-Engine bietet neben den präzisen und zuverlässigen internen dynamischen Modellen von Betriebsmitteln einen sehr hohen Freiheitsgrad der Modellierung und Simulationssteuerung.

• Zeitbereichssimulation auf Basis von Momentanwerten für symmetrische und unsymmetrische Netze bei symmetrischen und unsymmetrischen Fehlerbedingungen, Lasten und Einspeisungen
• Verwendung erprobter und erfolgreich validierter dynamischer Modelle und Simulationsmethoden der Transienten-Engine PSS®NETOMAC
• Benutzerfreundliche und einfache Steuerung der Berechnung und Ergebnisauswertung

Dem Netzschutz kommt die Aufgabe zu, im Netz auftretende Fehler schnell, sicher und selektiv zu klären, um Anlagen- und Personen zu schützen und den Weiterbetrieb ungestörter Netzteile sicher zu stellen. Für die Überprüfung dieser Anforderungen ist eine simulative Validierung der Einstellwerte erforderlich. Hierbei müssen primär die folgenden Fragen geklärt werden:

• Werden auftretende Fehler selektiv geklärt?
• Wie lange benötigt der Netzschutz, um Fehler frei zu schalten?
• Sind die Schutzgeräte in Bezug auf auftretende Last- und Kurzschlussströme korrekt parametriert?

Weitere Anforderungen sind:

• Analyse des Fehlerklärungsvorgangs
• Analyse des Einflusses dezentraler Erzeugung auf den Netzschutz
• Erstellung von Staffeldiagrammen basierend auf den Einstellwerten
• Dokumentation der Schutzeinstellwerte
• Analyse von aufgetretenen Störungen
• Sichere Erfassung von Erdschlüssen in gelöschten und isolierten Netzen

Das Modul Überstromzeitschutz-Simulation (OC) in PSS®SINCAL ermöglicht die Simulation des Verhaltens von Schutzgeräten bei Fehlerereignissen im Netz. Auf Basis der Ergebnisse kann das Schutzverhalten analysiert und die Schutzeinstellwerte überprüft werden. Hierbei werden Überstromzeitschutzgeräte, Sicherungen, Niederspannungsleistungsschalter, Recloser, Bimetalle und Sicherungsautomaten sowie Geräte für die Erdschlusserfassung unterstützt.

• Schrittweise ereignisorientierte Fehlersimulation inklusive der Berechnung der Fehlerklärungszeiten
• Interaktive Analyse des Fehlerklärungsvorgangs in der Netzgrafik mit relevanten Informationen zu Strom, Zeit und farbliche Kennzeichnung der Schutzgeräte
• Überprüfung der Einstellwerte und Überprüfung auf selektive Fehlerklärung
• Dokumentation von Schutzpfaden in der Netzgrafik und der zugehörigen Auslösekennlinien im Staffeldiagramm für Phase und/oder Erde-Stufen
• Berichte mit Schutzgeräteeinstellwerten

In vermaschten Verteilnetzen und in Übertragungsnetzen werden vor allem Distanzschutz- und Differentialschutzgeräte eingesetzt. Insbesondere in vermaschten Netzen und Netzen mit dezentraler Erzeugung treten außerdem Effekte auf, die die Reichweite der Schutzgeräte verändern. Um die Einstellung dieser Schutzgeräte zu überprüfen, ist eine simulative Validierung der Einstellwerte erforderlich. Hierbei müssen primär die folgenden Fragen geklärt werden:

• Werden auftretende Fehler selektiv geklärt?
• Wie lange benötigt der Netzschutz, um Fehler frei zu schalten?
• Sind die Schutzgeräte in Bezug auf auftretende Last- und Kurzschlussströme korrekt parametriert?
• Weitere Anforderungen sind:
• Analyse der veränderten Reichweite von Schutzgeräten durch Effekte wie Zwischeneinspeisung oder parallele Folgeleitungen (Unter-/Überreichweite)
• Post-mortem Analyse von im Netz aufgetretenen Fehlern
• Analyse des Fehlerklärungsvorgangs
• Erstellung von Staffeldiagrammen basierend auf den Einstellwerten
•  Dokumentation der Schutzeinstellwerte
• Simulation von Spannungs- und Frequenzschutz, z. Bsp. von dezentralen Erzeugungsanlagen

Das Modul Erweiterte Schutzsimulation (SZ) in PSS®SINCAL erweitert die Funktionalität des Moduls Überstromzeitschutz-Simulation (OC). Hierbei werden zusätzlich die Schutzgerätearten Distanzschutz, Differentialschutz, Spannungsschutz und Frequenzschutz unterstützt. Neben der Simulation des Verhaltens der Schutzgeräte sowie der Überprüfung der Schutzeinstellwerte stehen zusätzliche Analysemöglichkeiten, wie die Berechnung und Darstellung der tatsächlichen Reichweite von Schutzgeräten zur Verfügung.

• Erweiterung der Schutzsimulation um Distanzschutz- und Differentialschutzgeräte, Spannungs- und Frequenzschutz
• Schrittweise ereignisorientierte Fehlersimulation inklusive der Berechnung der Fehlerklärungszeiten
• Interaktive Analyse des Fehlerklärungsvorgangs in der Netzgrafik
• Überprüfung der Einstellwerte und Überprüfung auf selektive Fehlerklärung
• Berechnung und Darstellung der Reichweiten von Schutzgeräten in der Schutzstreckenberechnung. Hierbei werden kaskadierte Abschaltungen, Parallelleitungseffekte und Zwischeneinspeisungen (z. B. durch dezentrale Erzeugungsanlagen) berücksichtigt 
• Diagramme mit den sich tatsächlich ergebenden Zonenreichweiten der Schutzgeräte für die Auswertung des Auslöseverhaltens (basierend auf Fehlersimulationen)
• Post-mortem Analyse, Fehlerortung zur Analyse/Klärung im Netz aufgetretener Störungen
•  Berichte mit Schutzgeräteeinstellwerten

Die Selektivität beim Distanzschutz wird durch eine Kombination aus Zeit- und Entfernungsstaffelung erreicht. Für die Entfernungsstaffelung müssen primär die Zoneneinstellungen in X und R berechnet werden. Hierbei müssen Unsicherheiten (z. B. aufgrund abweichender Leitungsdaten) bei der Wahl des Staffelfaktors berücksichtigt werden. In vermaschten Netzen treten außerdem Effekte auf, die die Reichweite der Schutzgeräte verändern, dies ist vor allem für den Reserveschutz relevant.

• Automatische Berechnung von Schutzeinstellparametern für Distanzschutzgeräte
• Automatische Parametrierung/Einstellung der Schutzgeräte

Das Modul Distanzschutz-Einstellung (DI) in PSS®SINCAL ermöglicht die automatisierte Berechnung der Zoneneinstellungen für Distanzschutzgeräte. Hierbei werden je nach ausgewählter Einstellstrategie Zwischeneinspeisungen und parallele Folgeleitungen, welche die Reichweite der Schutzgeräte verändern, berücksichtigt.

• Automatische Berechnung der Distanzschutzgeräte-spezifischen Zoneneinstellungen 
• Unterstützung verschiedener Einstellstrategien (DISTAL, Leitungsimpedanz, Leitungsimpedanz zugeschaltet, Mittelspannungsnetze)
• Generierung von Staffelplänen auf Basis der berechneten Einstellwerte der Distanzschutzgeräte

Das Modul Schutzeinstellungsüberprüfung besteht aus zwei Teilen, der Schutzanalyse und dem Überstromzeitschutz-Check. In vermaschten Netzen und in Netzen mit einer hohen Durchdringung mit dezentraler Erzeugung ist die Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion (Selektivität, Schnelligkeit, Anregeverlässlichkeit, Anregesicherheit) des Netzschutzes ausschließlich auf Basis von Eingabedaten/Staffeldiagrammen oft nicht ausreichend. Neben der Betrachtung spezifischer Fehlerereignisse in der Schutzsimulation, ist es daher erforderlich, die Schutzeinstellungen des gesamten Netzschutzes für alle möglichen Fehlerorte zu überprüfen. Dies muss zum einen zeiteffizient erfolgen, zum anderen müssen Schwachstellen im Netzschutz sicher ausgewiesen werden.

Durch die steigende Anzahl dezentraler Erzeugungsanlagen mit fluktuierendem Leistungsfluss erhöht sich die Anzahl der Schalthandlungen im Netz. Aus der Sicht des operativen Netzbetriebs ist hierbei die schnelle Überprüfung des gesamten Netzschutzes (z. B. vor jeder Schalthandlung) erforderlich.

Die Schutzanalyse (PSA) in PSS®SINCAL führt eine automatisierte Überprüfung der Einstellwerte aller im Netz vorhandenen Schutzsysteme durch die Berechnung von Fehlerereignissen im gesamten Netz durch. Als Ergebnis werden Schwachstellen im Netzschutz visualisiert, wodurch Fehleinstellungen und fehlerhafte Schutzkonzepte erkannt werden.

• Automatisierte Überprüfung und Dokumentation der Selektivität, Schnelligkeit, Anregeverlässlichkeit, Anregesicherheit des Netzschutzes für Fehlerereignisse im gesamten Netz
• Schwachstellen im Netzschutz werden sicher erkannt und in einer Ergebnismatrix hervorgehoben 
• Starten der Schutzsimulation aus der Ergebnismatrix heraus, um Kurzschlüsse an spezifischen Fehlerorten nachzurechnen und das Schutzverhalten im Detail zu analysieren
• Schutzeinstellungsüberprüfung mit sehr geringem Zeitaufwand durch automatisierte FehlersimulationAnalyse des Schutzverhaltens für Fehlerereignisse im gesamten Netz
• Qualitätssicherung durch die Verbesserung des Prozesses zur Schutzkoordination (Schutzkonzept/Einstellwertberechnung/Schutzanalyse/Dokumentation)
• Schnelle Berechnungsalgorithmen erlauben die Überprüfung des gesamten Netzschutzes vor jeder Schalthandlung

Bei der Dimensionierung von Sicherungen in Niederspannungsnetzen müssen die Kriterien Laststrom, Kurzschlussstrom, Leiterquerschnitt, thermische Zerstörung usw. überprüft werden. Einige dieser Kriterien können ohne Simulation überprüft werden, andere wiederum, wie die k-Faktor-Prüfung, bedingen umfangreiche Simulationen. Das Ziel ist die automatisierte simulative Überprüfung all dieser Kriterien, was zu einer erheblichen Reduktion des Arbeitsaufwandes führt.

Das Modul Sicherungsdimensionierung (DN) in PSS®SINCAL überprüft die Dimensionierung von Sicherungen in vermaschten und strahlenförmig aufgebauten Niederspannungsnetzen.

Überprüfung der korrekten Dimensionierung von Sicherungen im Hinblick auf:

• Laststrom
• Sicherheitsfaktor (k-Faktor)
• Maximale Abschaltzeit (VDE 0100-410)
• Leiterquerschnitt (VDE 0636)
• Thermische Zerstörung
• Thermische Belastung (VDE 0636)

Arbeitgeber sind durch Arbeitsschutzgesetze und Electric Codes verpflichtet, die Arbeitsbedingungen zu bewerten und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen, um ein sicheres Arbeiten zu ermöglichen. Bei Arbeiten an oder in der Nähe von spannungsführenden Anlagenteilen sind Servicemitarbeiter der Gefährdung durch Störlichtbögen ausgesetzt. Störlichtbogenüberschläge und deren Folgen sind laut Unfallstatistiken wesentliche Ursachen von Verletzungen in der Elektroindustrie. Folgende Maßnahmen helfen, Risiken für Personen zu reduzieren:

• Gefährdungsbeurteilung hinsichtlich Störlichtbogenereignissen
• Festlegung von Sicherheitsabständen
• Netz- und Schutzoptimierungen
• Bereitstellung geeigneter persönlicher Schutzausrüstung
• Anbringen von Warnhinweisen an Anlagen

Das Modul zur Störlichtbogenanalyse (AFH) in PSS®SINCAL ermöglicht die Berechnung der Störlichtbogenenergie und weiterer Kenngrößen und unterstützt den Anwender bei der Optimierung der vorhandenen Ausrüstung. Die typischen Arbeitsschritte einer Störlichtbogenuntersuchung sind:

• Berechnung basierend auf einem Netzmodell für dreipolige Kurschlussstromberechnungen mit detaillierter Nachbildung der Schutzeinrichtungen und Anlagenkonfigurationen
• Störlichtbogenberechnung und -analyse basierend auf aktuellen nationalen und internationalen Vorschriften (DGUV Information 203-077 bzw. IEEE 1584 und NFPA 70E)
• Darstellung der Ergebnisse in Netzplänen, Berichten und benutzerdefinierbaren Warnschildern
• Entwicklung von Maßnahmen zur Risikominimierung basierend auf den Berechnungsergebnissen

Die Betriebsmittel des Netzes müssen thermisch kurzschlussfest ausgelegt sein. Dies erfordert eine Überprüfung auf thermische Zerstörung. Hierfür müssen zunächst die auftretenden Kurzschlussströme für alle möglichen Fehlerorte in dem betrachteten Netz ermittelt werden, eventuell auch für verschiedene Fehlerarten. Aus den auftretenden Kurzschlussströmen und der Kurzschlussfestigkeit der Betriebsmittel lassen sich die maximalen Zeiten, die Fehler anstehen dürfen, berechnen. Diese maximalen Zeiten müssen über den Abschaltzeiten der Schutzsysteme liegen, um sicher zu stellen, dass die Betriebsmittel thermisch nicht zerstört werden.

Diese Prüfung ist bei manueller Durchführung sehr zeitintensiv, weshalb eine zeiteffiziente Lösung wünschenswert ist.

Unter Berücksichtigung des Abschaltverhaltens des Netzschutzes ergeben sich weitere Anforderungen.

In vermaschten Netzen müssen die sich verändernden Kurzschlussströme bei schrittweiser Abschaltung von Fehlern berücksichtigt werden.

Werden inverse Auslösecharakteristiken eingesetzt (z. Bsp. AMZ, Recloser, Sicherungen…) müssen alle Fehlerarten berechnet werden, da hier z. Bsp. der 1-polige Kurzschlussstrom bei hohen Auslösezeiten die größte thermische Belastung für die Betriebsmittel darstellen kann.

Die Theische Zerstörungsanalyse in PSS®SINCAL ermöglicht sowohl der Netzplanung als auch der Schutzabteilung eine automatisierte Prüfung auf thermische Zerstörung für alle im Netz vorhandenen Leitungen und Transformatoren.

Während in der Schutzabteilung in der Regel ein Modell des Netzschutzes vorhanden ist, ist in der Netzplanung üblicherweise kein Schutzmodell hinterlegt. Für die Prüfung der Kurschlussfestigkeit gibt es daher verschiedene Modi:

Modus Kurzschluss: Die Schutzsysteme sind in dem zu analysierenden Netz nicht modelliert. Die thermische Festigkeit der Leitungen und Transformatoren wird daher für eine vorzugebende maximale Freischaltzeit überprüft. Diese maximale Freischaltzeit sollte der maximalen Fehlerklärungszeit des Netzschutzes entsprechen.

Modus Schutz: Für das Netz sind die Schutzsysteme modelliert. Die thermische Festigkeit der Leitungen und Transformatoren wird daher unter Berücksichtigung des Abschaltverhaltens der Schutzsysteme geprüft.

Der Anwender erhält als Ergebnis eine übersichtliche Darstellung all jener Betriebsmittel, welche thermisch zerstört werden und kann Maßnahmen hinsichtlich Netzschutz oder Netzausbau ableiten, um die thermische Kurzschlussfestigkeit wieder herzustellen. Diese Maßnahmen können dann direkt mit der thermischen Zerstörungsanalyse geprüft werden.

• Ableitung von Maßnahmen hinsichtlich Netzschutz, z. Bsp. die Anpassung von Schutzeinstellungen oder Schutzkonzepten, und Validierung dieser mit der thermischen Zerstörungsanalyse
• Ableitung von Maßnahmen hinsichtlich Netzausbau, z. Bsp. Netzverstärkungen im Rahmen von Zielnetzplanungen, und Validierung dieser mit der thermischen Zerstörungsanalyse
• Thermische Zerstörungsanalyse mit sehr geringem Zeitaufwand durch automatisierte Überprüfung auf thermische Zerstörung der Betriebsmittel für Fehlerereignisse im gesamten Netz
• Automatisierte Überprüfung auf thermische Zerstörung für alle Leitungen und Transformatoren im Netz unter Vorgabe einer maximalen Abschaltzeit im Modus Kurzschluss
• Automatisierte Überprüfung auf thermische Zerstörung für alle Leitungen und Transformatoren im Netz unter Berücksichtigung des Abschaltverhaltens des Netzschutzes im Modus Schutz
• Zerstörte Netzelemente werden ermittelt und in der Ergebnisansicht sowie der Netzgrafik ausgewiesen 
• Detailansicht für jedes Netzelement mit Auflistung aller Fehlerorte, bei welchen ein Fehler zu einer Zerstörung des Elements führt
• Nachrechnen von Fehlern aus der Detailansicht heraus, um den Fehlerfall im Detail in der Netzansicht zu analysieren, z. Bsp. die auftretenden Kurzschlussströme und Abschaltzeiten
• Thermische Zerstörungsanalyse für eine Fehlerart oder für mehrere Fehlerarten parallel (3-, 2-, 1-polige Fehler)
• Überprüfung auf thermische Zerstörung im Modus Kurzschluss für definierte maximale Fehlerklärungszeiten
• Überprüfung auf thermische Zerstörung im Modus Schutz auf Basis der Abschaltzeiten der Schutzsysteme, hierbei werden auch kaskadierte Abschaltungen berücksichtigt
• Sicherheitsfaktor für die Berücksichtigung von Ungenauigkeiten (z. Bsp. ungenaue Leitungsdaten oder sich verändernde Ströme während des Abschaltvorgangs) und die Identifizierung von Betriebsmitteln, die auf Basis ihrer Nenndaten nicht zerstört werden, aber eine hohe thermische Belastung erfahren
• Berechnung von Maximalen Fehlerklärungszeiten für jeden Fehlerort und Kurzschlussstrom
• Nachrechnung von einzelnen Fehlerfällen aus den Ergebnissen der Thermischen Zerstörungsanalyse heraus
• Vorgabe von Fehlerimpedanzen (Lichtbogen- und Erdimpedanzen)
• Vorgabe der fehlerbehafteten Leiter in unsymmetrischen Netzen
• Überprüfung auf thermische Zerstörung im Hauptschutzfall und im Reserveschutzfall (für Schutzgeräte- oder Leistungsschalterversagen)

Erweiternd zur Betrachtung des stationären Verhaltens des Netzes zu einzeln gewählten Zeitpunkten (Arbeitspunkten) ist die quasi-dynamische Betrachtung über kurz- und mittelfristige Zeiträume (von mehreren Stunden, Tagen bis hin zu mehreren Jahren) relevant. Das Verhalten des Netzes soll basierend auf Zeitreihen analysiert werden, um nicht nur einzelne vordefinierte Betriebszustände zu betrachten, sondern das Verhalten des Systems über den betrachteten Zeitraum.

• Lastflussberechnungen unter Berücksichtigung von historischen Messdaten, Prognosedaten, Profilen für Erzeugung und Verbrauch (Standardlastprofile), Schaltzuständen und den Stellwerten und Auswirkungen verschiedener Regeleinrichtungen
• Quasi-dynamische Berechnung basierend auf einzelnen Lastflussberechnungen
• Analyse der Gleichzeitigkeit von Einspeisung und Verbrauch
• Maximalwertermittlung über den gesamten Zeitraum
• Verwendung von Abrechnungswerten (in kWh) aus Kunden- und Abrechnungsdaten
• Verlustbetrachtung über Zeitraum
• Parametrierung und Optimierung von regelbaren Netzelementen (z.B. Kondensatoren, Drosseln, Transformatoren, Wechselrichtern)
• Validiertes Netzmodell basierend auf Messergebnissen
• Ermittlung der Erzeugungs- und Verbrauchskosten basierend auf Kostenprofilen

Das Modul zur Zeitreihenberechnung (LP) in PSS®SINCAL ermöglicht basierend auf den umfangreichen Methoden zur Modellierung und Berechnung eines Lastflusses die Simulation eines Netzes in frei wählbaren Zeiträumen und Auflösungen sowie die Berechnung von Arbeitspunkten.

• Arbeitspunktberechnung für symmetrische und unsymmetrische Netze
• Zeitreihenberechnung für symmetrische und unsymmetrische Netze
• Volle Integration der für den Lastfluss nachgebildeten geregelten Elemente und benutzerdefinierten Modelle in der quasi-dynamischen Berechnung
• Gesamter oder durch den Benutzer spezifizierter Umfang der Ergebnisse für jedes Netzelement in jedem Zeitpunkt
• Visualisierung der Betriebsmittelauslastungen über den gesamten Zeitraum

Erweiternd zur Betrachtung des Netzes mit den Lasten sowie Erzeugungsanlagen zum aktuellen Zeitpunkt ist die Betrachtung zu weiteren Zeitpunkten in mittel- und langfristigen Zeiträumen (Jahren) erforderlich. Dazu sollen die notwendigen Maßnahmen zum Aus-, Um- oder Rückbau des Netzes abgeleitet werden, die sich aufgrund von Änderungen der Lasten, Inbetriebnahme und Stilllegung oder Tausch von Betriebsmitteln ergeben.

• Zielnetzplanung für mittel- bis langfristige Zeiträume
• Netzberechnungen unter Berücksichtigung der prognostizierten Zuwachs- oder Abnahmeraten von Lasten je nach Netzbereich sowie bereits bekannter Daten für die Inbetriebnahme und Stilllegung von Betriebsmitteln
• Zeitlich veränderte Leistungsabgabe und Arbeitspunkte von Kraftwerken oder erneuerbaren Erzeugungsanlagen (z.B. Repowering)
• Auswertung der gesicherten Leistung für Netzgebiete für verschiedene Zuwachsszenarien der Lasten in den Versorgungsgebieten
• Identifizierung von Schwachpunkten im Netz und Priorisierung der Netzausbau- und Restrukturierungsmaßnahmen sowie Ermittlung von Einsparungspotential

Das Modul (LD) in PSS®SINCAL ermöglicht, basierend auf den umfangreichen Methoden zur Modellierung und Berechnung des Lastflusses, die Berechnung eines Netzes zu ausgewählten Zeitpunkten im untersuchten mittel- oder langfristigen Zeitraum.

• Umfangreiche Optionen zur Modellierung von Steigerung, Abnahme und Zuwachs der Leistung von Lasten sowie der Zeitpunkte für Inbetriebnahme und Stilllegung von Netzelementen
• Berechnung des Lastflusses zu allen (automatisch ermittelten) Zeitpunkten im Berechnungszeitraum, zu denen Zuwachs bzw. Abnahme auftritt, oder Inbetriebnahme und Stilllegung in einem einzigen Berechnungslauf
• Ergebnisse zu den einzelnen Zeitpunkten sowie über den gesamten Zeitverlauf zur Auswertung

Zur Erhöhung der Genauigkeit der Modellierung von Lasten und Erzeugungsanlagen im Netzmodell können Messwerte zu einzelnen Zeitpunkten oder Zeitverläufe herangezogen werden. Durch Anpassung der modellierten Werte für Lasten und dezentrale Erzeugungsanlagen in Bezug auf die Messwerte sollen auch Aussagen über (unterlagerte) Netzbereiche getroffen werden, für die keine Messwerte vorliegen.

• Ermittlung der Eingabedaten für Lasten / Erzeugungsanlagen sowie Lastflussberechnungen unter Berücksichtigung von Mess- oder Prognosedaten zur Verfeinerung der Modellierung von Lasten und dezentralen Erzeugungsanlagen
• Ermittlung der Arbeitspunkte für nicht gemessene/prognostizierte Lasten unter Berücksichtigung der Mess- oder Prognosedaten an ausgewählten Abgängen und Messtellen
• Verwendung von maximalen oder minimalen Messwerten (z.B. aus Schleppzeigermessung) oder Messwertzeitreihen (z.B. Abgangsmessung mit 15min Auflösung)
• Optimale Ausnutzung der Netzkapazität basierend auf den gemessenen Zeitreihen und Profilen statt Auslegung auf einzelne Betriebszustände
• Validierung von Lastmodellierung und Netzmodell basierend auf Messergebnissen
• Die optimierte Einstellung der Position der Stufensteller von Transformatoren der Mittel- und Niederspannungsstationen soll basierend auf gemessenen oder berechneten Werten für Knoten erfolgen.
• Ermittlung von optimalen Stufenstellungen der Transformatoren zur Einhaltung des zulässigen Spannungsbandes im unterlagerten Netz

Das Modul zur Lasttrimmung und Bestimmung der optimalen Transformatorstufen (LA) in PSS®SINCAL ermöglicht die Skalierung sowie die Trimmung von Eingabedaten der Lasten. Mithilfe der Trimmung kann außerdem basierend auf den minimalen und maximalen Messwerten für Spannungen eine optimierte Stufenstellung von Transformatoren ermittelt werden.

• Anpassung der Eingabedaten (oder Faktoren) der Lastelemente durch Skalierung oder durch Trimmung während der Lastflussberechnung, bis die minimalen oder maximalen Messwerte erreicht sind
• Ermittlung von aufgetretenen oder prognostizierten Last- bzw. Einspeisezuständen des Netzes basierend auf Messwerten
•  Getrennte Berücksichtigung von Lasten und dezentralen Erzeugungsanlagen in der Trimmung
• Volle Integration der Funktionen zum Aufruf der Skalierung oder Trimmung in der Zeitreihenberechnung (Modul LP)
• Ermittlung der Position der Stufensteller von Transformatoren zur Einhaltung des vorgegebenen minimalen und maximalen Spannungsgrenzwertes sowie Visualisierung der Positionen in der Netzgrafik

Ziel der Transportoptimierung im Modul Optimierender Lastfluss (OL) in PSS®SINCAL ist, die durch Regelbänder beschränkten regelbaren Variablen im Netz derart zu variieren, dass die Wirkleistungsverluste minimiert werden. Damit können Netze beurteilt und Varianten ausgearbeitet werden, um eine möglichst zielführende und optimierte Planung eines Versorgungsnetzes zu gewährleisten.

Neben dem Netzzustand mit den geringsten Transportverlusten wird eine Reduktion der verletzten Grenzwerte angestrebt. Diese Zielstellung bewirkt auch eine Verringerung der Varianz der Spannungen in den Knoten des Netzes.

Die Systemvariablen sind dabei die Generatorspannungen, die Generatorblindleistungen sowie die Übersetzungsverhältnisse der Transformatoren. Einschränkungen sind die Auslastung der Betriebsmittel, das Spannungsband, sowie das zulässige P/Q-Diagramm der Generatoren.

Es stehen zwei verschiedene Verfahren zur Lösung zur Verfügung:

Indirektes Gradientenverfahren

• Optimierung erfolgt mit einem indirekten Gradientenverfahren mit äußerer Straffunktion
• Einstellung der zulässigen Lösung und Ermittlung des Optimums für die gewünschte Zielfunktion
• Problemformulierung nach der Modellbildung als Problem der Minimierung einer nichtlinearen Funktion (Ziel- oder Kostenfunktion)
• Definierte technische Beschränkungen der Elemente im Netz durch ebenfalls nichtlineare Nebenbedingungen in Form einer Ungleichung oder Gleichung modelliert

 Generisches Verfahren

• Basierend auf „Ameisen“- Algorithmus (Schwarmintelligenz mit agentenbasierendem Modell)
• Steuerung der Genauigkeit über die Eingabe der Anzahl/Ebene der Generationen erfolgt
• Weitgehende Unabhängigkeit der Lösung vom Startwert

Aus technischen Studien und Berechnungen abgeleitete Maßnahmen zum Ausbau, Umbau oder Rückbau des Netzes sollen auch unter ökonomischen Gesichtspunkten bewertet werden. Diese Betrachtung erfolgt in mittel- und langfristigen Zeiträumen (Jahre) des Planungshorizonts.

• Berechnung und Vergleich der Ausgaben und Kosten von geplanten Varianten für Ausbau und Restrukturierung des Netzes
• Beurteilung der Investitionsausgaben und laufender Kosten (CAPEX und OPEX)
• Berechnung und Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer geplanten Maßnahme mit der Kapitalwertmethode (auch genannt Barwertmethode, Kapitalwertberechnung, NPV)
• Unterstützung bei der Investitionsentscheidung und der Ermittlung eines geeigneten Zeitpunkts (Verzögerung oder Vorziehen von Maßnahmen)

Das Modul (CC) in PSS®SINCAL ermöglicht eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von technischen Ausbaumaßnahmen und -varianten für einen gewählten Entwicklungszeitraum des Netzes und unterstützt den Betreiber in der Vorbereitung und Auswahl von Maßnahmen unter ökonomischen Gesichtspunkten.

• Zusätzliche Modellierungsdimension für einmalige Ausgaben für Errichtung und Stilllegung sowie die laufend entstehenden Kosten der Netzelemente
• Berechnung der Investitionsausgaben und Kosten nach der Kapitalwertmethode (mit oder ohne Diskontierung) für jedes Jahr des Betrachtungszeitraumes und den Gesamtzeitraum
• Optionale Integration der wirtschaftlichen Berechnung mit Verlust- und Erzeugungs- bzw. Verbrauchskosten, die sich aus Lastflussberechnungen ergeben 

Der Betrieb von Asynchronmotoren in Industrie-, Kraftwerks- oder Verteilnetzen erfordert deren Auslegung für den parallelen und sequenziellen Anlaufvorgang. Die Auslegung ist hinsichtlich der Netzbelastung, der Motoren selbst sowie dem Schutzverhalten durchzuführen. Unter anderem gilt es hierbei Folgendes zu untersuchen:

• Beurteilung der Fähigkeit des Anlaufs eines oder mehrerer Motoren gegenüber gegebenen Lastmomentkennlinien und Ermittlung der Hochlaufzeiten
• Berechnung des Spannungseinbruchs und der Netzbelastung bei einzelnen und parallelen Motoranläufen
• Ermittlung von sequenziellen Anlaufzeiten von mehreren Asynchronmotoren
• Ermittlung der stationären Arbeitspunkte

Basierend auf der quasi-dynamischen Lastflussberechnung bietet PSS®SINCAL mit dem Modul Motoranlauf (MA) ein effektives Werkzeug zur Beurteilung von zeitgleichen oder beliebig aufeinander folgenden Motoranläufen und der damit einhergehenden Netzbelastungen. Grundlegend werden dabei die Motorcharakteristiken unter Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften den Lastcharakteristiken gegenübergestellt.

• Gleichzeitige oder zeitlich aufeinander folgende Sequenzen von Anläufen beliebig vieler Asynchronmaschinen
• Verwendung von individualisierbaren Kennlinien für Drehmoment und Anlaufstrom
• Verwendung der Standardcharakteristiken nach NEMA
• Konstante und umschaltbare Stern-/Dreieckschaltung der Statorwicklungen für den Motoranlauf
• Berücksichtigung von Einrichtungen für den Sanftanlauf (Softstarter) von Asynchronmaschinen
• Ergebnisdarstellung für Spannungen und Ströme sowie die ermittelten Kennlinien für jeden berechneten Zeitpunkt in Diagrammen und Netzgrafik

Für die Untersuchung von Fehlern an mehreren Stellen im Netz gleichzeitig (z.B. zur Untersuchung der Spannungsanhebung bei Doppelerdschluss) sowie von Fehlern oder Unterbrechungen entlang von Leitungen ist eine individuelle Platzierung von Fehlern erforderlich.

• Berechnung von gleichzeitig oder von in kurzer Zeit hintereinander auftretenden Fehlern und Unterbrechungen von Leitungen an mehreren Orten
• Platzierung von Fehleruntersuchungen an Knoten oder an verschiedenen Positionen (Fehlerorten) entlang einer Leitung
• Individuelle Nachbildung von vorkommenden Fehlerfällen (z.B. Doppelerdschluss sowie 3- und 1-poliger Kurzunterbrechungen)
• Wiederholte Berechnung gleicher Fehlerkonfigurationen
• Verwendung der Ergebnisse als Grundlage für die Schutzeinstellung

Das Modul zur Berechnung von Mehrfachfehlern (MF) in PSS®SINCAL ermöglicht die Kombination von einzeln definierten Fehleruntersuchungen zu Mehrfachfehlern, deren gleichzeitige Berechnung und die Untersuchung der Auswirkungen.

• Beliebige benutzerdefinierbare Fehlerorte auf Sammelschienen und Leitungen für Kurz- und Erdschluss sowie Unterbrechung von Leitungen
• Beliebige Kombination der individuellen Fehleruntersuchungen (und Fehlerarten) als Fehlerpakete und gleichzeitige Berechnung der auftretenden Fehlerereignisse
• Wechsel zwischen den Ergebnissen der Berechnung von verschiedenen Fehlerkombinationen (Fehlerpaketen)

Zeitreihendaten in elektrischen Netzen und Rohrleitungsnetzen können durch Messungen, Prognosen, Fahrpläne oder aus geplanten oder ungeplanten Ereignissen (wie Schaltvorgängen) gewonnen werden. Die Werte umfassen entweder vergangene, aktuelle oder zukünftige Zeiträume. Die Integration dieser Zeitreihendaten in die Berechnung und Simulation als Eingangsdaten, Zustand oder Randbedingungen adressiert die folgenden Anwendungsfälle: 

• Gewinnung von Mehrwert aus getätigten Investitionen in Messgeräte/Smart Meter und verfügbaren Einspeisedaten von Erzeugungsanlagen für die Netz- und Betriebsplanung, das (strategische) Asset Management und Strategien zur Netzentwicklung 

• Strategische Entscheidungsfindung für die Platzierung von zusätzlichen Messgeräten 

• Integration von Zeitreihendaten (gemessene, prognostizierte oder geplante Werte) für die Netz- und Betriebsplanung 

• Gemessene oder geschätzte Werte: Nachträgliche Analyse des Netzes zur Validierung von Planungsannahmen (z. B. Gleichzeitigkeit) und Ableitung kritischer oder typischer Zeitpunkte als neue Planungsreferenzen 

• Prognostizierte und geplante Werte: Vorrausschauende Analyse des Netzes und Ausgangspunkt für modellbasierte Szenarien-Analyse und Betriebsplanung 

• Genauere Planungsannahmen (datengetriebene Ableitung, lokal in Bezug auf den realen Betrieb) im Vergleich zu Schätzungen oder groben Planungsannahmen mit hohen Sicherheitsreserven 

• Gewinnung von Erkenntnissen über die reale Auslastung sowie Spannungs- bzw. Druckverteilung über die Zeit und die (nicht genutzten) Reserven der installierten Anlagen zur Minimierung zukünftiger Anlageninvestitionen 

• Lokalisierung, Optimierung und Ableitung von Planungs- und Betriebsstrategien auf Basis der simulierten Verluste, um diese strategisch zu reduzieren und potenzielle Stellen zu identifizieren, die nicht-technische Verluste verursachen 

• Nutzung von Messungen als Grundlage für die Anwendung erweiterter Methoden (z. B. skalierte Leistungszuweisung in elektrischen Netzen), um "virtuelle" Messpunkte für Planungs- und Betriebsplanung zu erhalten  

• Grundlage für eine datenbasierte Validierung und Kalibrierung von Netzmodellen (Impedanz oder Topologie) 

Das Modul Time Series Data Interface (TSDI) in PSS®SINCAL bietet eine Schnittstelle zu einer offenen generischen Zeitreihendatenbank für alle Berechnungsmethoden, die auf Zeitstempeln oder Snapshots basieren.

• Generische offene Zeitreihendatenbank für das TSDI als Zielformat für Anwendungen zur Aggregation und Bereitstellung aus verschiedenen Datenquellen wie MDM-, SCADA- oder Prognosedatenbanken

• Integration von Zeitreihendaten (Wirkleistung, Blindleistung, Spannung oder Zustand und gemessenen oder prognostizierten Strömen in Abgängen) in die Berechnungsmodelle von elektrischen Netzen

• Integration von Zeitreihendaten (Verbrauchs- oder Einspeisemengen, Druck und Zustand) in die Berechnungsmodelle von Rohrleitungsnetzen

• Vorverarbeitung und Substitutionsregeln für ungültige oder qualitativ schlechte Daten vor dem Einsetzen der Werte in die Berechnung oder Simulation

• Vollständige und flexible Integration in bestehende Arbeitsabläufe und Module

Das Ziel der Ausfallsimulation ist die Beurteilung des Lastflusses bei Ausfall von Betriebsmitteln und Netzeinspeisungen. Die Ausfallsimulation gibt dem Netzbetreiber Aufschluss über die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Netzes. Dabei soll nicht nur der Ausfall selbst beurteilt, sondern auch mögliche Strategien für die Wiederversorgung aller Verbraucher geprüft werden. Der Netzbetreiber benötigt Informationen in Bezug auf:

• Versorgungsunterbrechungen und Möglichkeiten zu deren zügiger Beseitigung
• Erkennen von unzulässigen Netzzuständen (Spannungsabweichungen, Überlastungen) bei Ausfall von Betriebsmitteln
• Überprüfung des n-1 oder n-1-1 (n-2) - Kriteriums im Netz
• Überprüfung des Netzes bei geplanten Wartungsmaßnahmen/Abschaltung einzelner oder mehrerer Betriebsmittel
• Überprüfen vordefinierter Ausfallszenarien mit Wiederversorgungsmaßnahmen
• Beurteilung der Vorrangigkeit von Netzausbaumaßnahmen in Bezug auf die (n-1) - Sicherheit und Wiederversorgbarkeit des Netzes

Das Modul Ausfallsimulation und Wiederversorgung (CA) in PSS®SINCAL simuliert automatisiert den Ausfall von Betriebsmitteln im Netz und wertet den Netzzustand bei diesen Ausfällen aus.

• Automatische Erzeugung von Ausfällen von Leitungen, Transformatoren, Erzeugungsanlagen, Netzknoten sowie benutzerdefinierten Ausfallgruppen gemäß Benutzervorgaben für den n-1-Fall 
• Automatische Erzeugung von Ausfällen in Abhängigkeit vorgegebener Auslastungsgrenzen von Betriebsmitteln und auf Grund probabilistischer Kenngrößen
• Simulation des n-1-1 (n-2) Falls bzw. von Folgeausfällen aufgrund der geänderten Auslastung von Betriebsmitteln im n-1-Fall
• Umfassende und Interaktive Visualisierung von ausgefallenen und unversorgten Netzelementen, Grenzwertverletzungen und Maximalbelastungen
• Darstellung aller berechneten Ausfälle im Ergebnisbrowser zur Analyse, Nachrechnung und Filterung der Ausfälle

Des Weiteren können optional Wiederversorgungsmaßnahmen in der Ausfallanalyse untersucht werden, hierbei wird versucht, bei Ausfall von Netzelementen alle versorgten Abnehmer (Lasten, Asynchronmaschinen, etc.) in einem gültigen Betriebszustand wieder zu versorgen.

• Automatisierte Wiederversorgung durch Umschaltmaßnahmen, Lastabwurf und Lastreduktion
• Unterstützung von topologischen und abgangsbasierenden Wiederversorgungsstrategien mit benutzerdefinierten Einstellmöglichkeiten
• Benutzerdefinierte Wiederversorgungsmaßnahmen als Szenarien, wodurch z. Bsp. komplette RAS (Remedial Action Scheme) simuliert werden können

Ziel der probabilistischen Zuverlässigkeitsanalyse ist, auf Basis im Netzbetrieb in der Vergangenheit beobachteten Störungen auf das zukünftige Auftreten von Versorgungsunterbrechungen zu schließen. Dazu werden die Kenngrößen der Versorgungszuverlässigkeit des gesamten betrachteten Netzes oder einzelner Kunden aus dem Betriebsverhalten der Komponenten sowie ihrem Zusammenwirken im Netz auf der Grundlage von Ausfallmodellen berechnet.

• Ermittlung der Versorgungszuverlässigkeit unter Berücksichtigung der statistischen Relevanz der Betriebsmittelausfälle im Gegensatz zur klassischen Anwendung des deterministischen (n-1)-Kriteriums
• Quantitativer Vergleich von Anlagen- oder Netzkonzepten, die sich nach dem (n-1)-Kriterium nicht unterscheiden
• Ermittlung von Zuverlässigkeitsgrößen für Lastknoten, Netzbereiche oder das gesamte Netz sowie Beiträge von Betriebsmitteln
• Untersuchung und Ableitung von Maßnahmen zur Erhöhung der Versorgungszuverlässigkeit

Die probabilistische Zuverlässigkeitsanalyse (ZU) in PSS®SINCAL ist eine signifikante Erweiterung des Moduls Ausfallsimulation und Wiederversorgung (CA) und ermöglicht die Berechnung von Zuverlässigkeitsgrößen basierend auf dem topologischen und elektrischen Netzmodell, probabilistischen Fehlermodellen und Betriebsverhalten von Komponenten sowie Wiederversorgungsmaßnahmen im Fall von Versorgungsunterbrechungen

• Detaillierte und quantitative Beschreibung der Versorgungszuverlässigkeit unter Berücksichtigung der statistischen Relevanz der Einfachausfälle im betrachteten Netzgebiet
• Identifikation der Beiträge einzelner Komponenten zum Zuverlässigkeitsniveau und der Analyse der Schwachstellen im Netz
• Berechnung von Zuverlässigkeitskenngrößen je Netzknoten, an denen Lastelemente angeschlossen sind („Verbraucher-Kenngrößen“), sowie Zuverlässigkeitskenn­größen für das gesamte Netz („Netz-Kenngrößen“) wie die Unterbrechungshäufigkeit, mittlere Unterbrechungsdauer und das Produkt aus beiden Größen, die Nichtverfügbarkeit der Versorgung je Netzkunde und Jahr

Um die Integration dezentraler Erzeugungsanlagen (z.B. Photovoltaik, Windenergieanlage, Blockheizkraftwerk) sowie verschiedener Lasttypen (z.B. Ladeinfrastruktur für Elektromobilität, Wärmepumpen, Power2Heat, Power2Gas) in Verteilnetze zu analysieren, ist ein Ansatz zur Ermittlung der Aufnahmekapazität des jeweils aktuellen Netzzustandes gefordert. Die Analyse soll dabei nicht nur den Lastfluss, sondern auch Kurzschluss und Schutzanalysen miteinschließen. Aufbauend auf diese Analysen soll sich der Zubau von Anlagen durch den Netzbetreiber auch proaktiv durch regelmäßige Veröffentlichung der Ergebnisse steuern lassen.

•  Quantitative Analyse ausgewählter Netzbereiche in Bezug auf die maximale Anschlussleistung von Erzeugungsanlagen oder Verbrauchern
• Schnelles und automatisiertes Verfahren, das zur erneuten Analyse nach jeder Änderung von Netzzustand oder -topologie verwendet werden kann
• Ermittlung der Anschlusskapazität basierend auf einzelnen Arbeitspunkten oder auf historischen oder prognostizierten Zeitreihen (Profile) bis hin zu mehreren Jahren
• Vermeidung oder Verschiebung von Netzausbaumaßnahmen durch optimale Ausnutzung der bereits existierenden Kapazität

Das Modul zur Ermittlung der maximalen Anschlussleistung (ICA) in PSS®SINCAL ermittelt automatisch den größten Leistungswert einer dezentralen Erzeugungsanlage oder Last, der an jedem Knotenpunkt eines zu untersuchenden Netzgebietes angeschlossen werden kann, ohne dabei technischen Begrenzungen zu verletzen. Der Benutzer wird dabei schrittweise durch die Einstellung und Durchführung der Berechnung geführt.

• Ermittlung der maximal anschließbaren Leistung an den Knoten, für die die benutzerdefinierten Kriterien eingehalten werden
• Integration der einzelnen Arbeitsschritte in einem effizienten, festgelegtem Arbeitsablauf mit eigener Maske ohne zusätzlichen Modellierungsaufwand im Netzmodell
• Automatische, kombinierte Berechnung einer großen Anzahl an Lastfluss- und Kurzschlussberechnungen sowie Schutzsimulationen in dem Analyseablauf

Die Integration der Ladeinfrastruktur für Elektromobilität oder dezentraler Erzeugungsanlagen führt zu höheren Belastungen der Verteilnetze.

Da diese Belastungen sowohl örtlich und zeitlich variieren, kann in der Planung nicht mit vordefinierten Orten und Zeitpunkten für den Zubau der Ladeinfrastruktur (und vergleichbar zu modellierenden Elementen, wie z.B. Wärmepumpen) oder dezentraler Erzeugung gearbeitet werden. Stattdessen ist ein stochastischer Ansatz zur zufälligen Verteilung der geplanten Abnehmer oder Erzeugungsanlagen im Versorgungsgebiet und der anschließenden Berechnung und Netzanalyse erforderlich.

• Überprüfung der Auslastung von Betriebsmitteln aufgrund der zusätzlichen Ladeinfrastruktur/dezentralen Erzeugungsanlagen
• Überprüfung der zulässigen Abweichungen der Netzspannung aufgrund der zusätzlichen Ladeinfrastruktur/dezentralen Erzeugungsanlagen
• Bereitstellung oder Aufnahme der benötigten Leistung durch die Ortsnetzstation
• Ermittlung der kritischen Durchdringung des Versorgungsgebietes in einen mittel- bis langfristigen Planungszeitraum
• Identifizierung von Schwachpunkten im Netz zur Planung des Netzausbaus

Das Modul zur Durchführung eines Netzbelastungstests (NST) in PSS®SINCAL ermöglicht die Untersuchung der Auswirkungen einer zunehmenden Integration von Lasten und dezentralen Erzeugungsanlagen im Versorgungsgebiet.

• Untersuchung der Aufnahmefähigkeit von Versorgungsgebieten für Lastelemente/dezentrale Erzeuger in probabilistischem Bottom-Up Ansatz durch zufällige Verteilung der Elemente
• Klassifizierung möglicher Anschlusspunkte und der anzuschließenden Lasten/Einspeiser mittels Typen
• Berechnung einer benutzerdefinierten Anzahl von Umläufen und damit jeweils einer Zufallskonfiguration
• Variation (Steigerung) der Netzdurchdringung über den untersuchten Zeitraum
• Interaktive Auswertung und Dokumentation der kritischen Konfigurationen in Bezug auf Grenzwerte für Spannung und Auslastung 

Die steigende Anzahl dezentraler Energieerzeugungsanlagen kann einen Ausbau des Netzes erforderlich machen. Kritische Spannungen oder Auslastungen entstehen dabei nur zu einzelnen Zeitpunkten bzw. in kurz- und mittelfristigen Zeiträumen aufgrund der zeitlich stark variierenden Einspeisung dieser Anlagen. Eine Alternative zum Ausbau des Netzes kann deshalb der Einsatz von Energiespeichern (z.B. Batterien, Pumpspeicherkraftwerken) zum Ausgleich von Last- und Erzeugungsspitzen sein.

• Vermeidung oder flexible zeitliche Verschiebung von Ausbaumaßnahmen im Netz durch den gezielten lokalen Einsatz von (mobilen) Speichern
• Auslegung der Leistung und Kapazität des Speichers und Wahl eines geeigneten Verknüpfungspunktes (Einbauort) im Netz im Rahmen der Netzplanung
• Untersuchung verschiedener Regelstrategien bzw. Arten des Lade- und Entlademanagements eines Speichers in Bezug auf die Spannungsqualität und Betriebsmittelauslastung
• Erhöhung der möglichen Einspeiseleistung oder Last in einem Netzgebiet durch den Einsatz von Speichern
• Berechnung und Auslegung basierend auf historischen oder prognostizierten Zeitreihen von Last- und Erzeugungsanlagen

Das Modul zur Auslegung von Energiespeichern (ES) in PSS®SINCAL ermöglicht mit einem zweistufigen interaktiven Konzept die Auslegung und Platzierung von Speichern im Netz.

• Untersuchung der Platzierung eines Speicherelementes an ausgewählten Knotenpunkten, die mögliche Verknüpfungspunkte darstellen
• Zweistufiges Verfahren zur Ermittlung eines optimalen Anschlusspunktes für Speicher unter Berücksichtigung von Spannungs- und Auslastungskriterien. Darauf aufbauend eine Berechnung der nötigen Speicherzustände und Kapazität für (benutzerdefinierte) Speichermodelle
• Integration der einzelnen Arbeitsschritte in einem effizienten, strukturiertem Arbeitsablauf mit eigener Einstellmaske ohne zusätzlichen Modellierungsaufwand im Netzmodell

Die Überprüfung der Anschlussbedingungen als Modul (EEG) in PSS®SINCAL bietet eine eigene Maske für die einzelnen Schritte einer Anschlussüberprüfung durch den Netzbetreiber. Der Benutzer wird dabei schrittweise durch die Eingabe der Anlagendaten, die Auswahl des Netzgebietes und Verfahrens und die Vergabe der jeweiligen Grenzwerte sowie der Durchführung der Berechnung und Auswertung der Ergebnisse geführt.

• Integration der einzelnen Arbeitsschritte in einem effizienten, festgelegten Arbeitsablauf mit eigener Maske ohne zusätzlichen Modellierungsaufwand im Netzmodell
• Zusammenfassung der für die Überprüfung benötigten Berechnungsarten (Lastfluss, Kurzschluss und optional Oberschwingungen)
• Standardwerte entsprechend der Grenzwerte der Normen und Richtlinien sowie Option zur Anpassung der Werte durch den Anwender
• Automatische Auswertung der Berechnungsergebnisse gegenüber den Grenzwerten und Dokumentation

Die Einbindung dezentraler Erzeugungsanlagen (z.B. Photovoltaikanlagen, Windenergieanlagen, Blockheizkraftwerke) in Verteilnetze erfolgt insbesondere auf Mittel- und Niederspannungsebene. In der Planungsphase bedarf es in vielen Ländern der Überprüfung der Anschlussbedingungen dieser Anlagen basierend auf Verfahren und Kriterien, die in nationalen Normen und Richtlinien verankert sind. Die große Anzahl der (oftmals parallelen) Anfragen an einen Netzbetreiber, erfordert eine sorgfältige, aber zügige Bearbeitung und Dokumentation.

• Abbildung eines standardisierten Verfahrens zur Überprüfung von vorgegebenen Grenzwerten für die Abweichungen der Spannung, dem Kurzschlussverhalten und der Emission von höherfrequenten Spannungsanteilen (Anschlussbeurteilung)
• Automatische Behandlung der Überprüfung, um eine hohe Anzahl an Anfragen in kurzer Zeit abzuarbeiten
• Dokumentation und Sicherung der Ergebnisse der Anschlussüberprüfung für technische und rechtliche Diskussionen

Die Zielsetzung des Optimierungsverfahrens im Modul zur Optimierung von Netzstrukturen (ON) in PSS®SINCAL ist die Bestimmung von optimalen Strukturen für Mittelspannungsnetze. Dabei wird ausgehend vom Stations- und Trassenmodell versucht, eine optimale Anbindung der Netzstationen an die übergeordneten Umspannstationen zu erreichen. Die Grundlage zur Strukturoptimierung sind die in modernen Netzen üblichen Betriebsformen Ring und Spange.

Je nach Optimierungsziel kann die optimale Netzstruktur unterschiedlich sein.

Bei einer Greenfield-Optimierung wird beispielsweise davon ausgegangen, dass noch kein Netz vorhanden ist. D.h. die Optimierung erfolgt in Hinblick auf minimale Verluste unter Einhaltung der technischen Randbedingungen (maximale Abgangslast, maximaler Spannungsabfall usw.). Dabei werden auch die Kosten zur Errichtung dieser Netzstruktur ermittelt.

Für bereits bestehende Netze soll eine Verbesserung der Netzstruktur erreicht werden, wobei die Kosten für diese Maßnahmen dann entsprechend bewertet werden müssen.

• Drei Optimierungsmethoden
• Der erste statische Optimierungslauf bietet die besten Zielnetzplanungen an.
• In einem zweiten Lauf kalkuliert die dynamische Optimierung die optimale zeitliche Netzentwicklung für den Betrachtungszeitraum bei einem Minimum an Kosten.

In vermaschten Netzen kann mit Hilfe des Moduls Optimale Trennstellen (OT) in PSS®SINCAL die Lage der optimalen Trennstellen berechnet und per Knopfdruck in die Netzschaltung übernommen werden.

Das Netz kann dadurch in ein einfaches Strahlennetz zerlegt werden, bei minimalen Übertragungsverlusten. Dazu wird in einer Programmschleife mit Hilfe der Lastflussrechnung der Ort minimaler Spannung ermittelt und an diesem der Zweig mit dem minimalen Strom abgetrennt. Dies erfolgt solange bis das gesamte Netz unvermascht ist. Die Topologieänderungen werden bei jeder neuen Lastflussrechnung berücksichtigt.

Diese Methode eignet sich auch besonders gut, um die richtigen Trennstellen zwischen den verschiedenen Transformatorbereichen zu finden.

• Ermittlung des Strahlennetzes mit den kleinsten Verlusten
• Berechnung über Spannungsebenen hinweg
• Definition von Netzgruppen, die nicht öffnen sollen
• Automatische Übernahme der Trennstellen ins Netzmodell
• Farbige Markierung aller geöffneten Elemente, Abgänge und Versorgungsbereiche in der Netzgrafik

Der optimierte Einsatz von Blindleistungskompensationsanlagen hat positive Auswirkungen auf den Netzbetrieb, z.B.:

• Reduktion der transportierten Scheinleistung im Netz und die Auslastung der Betriebsmittel
• Reduktion der Übertragungsverluste
• Verbesserung der Spannung im Netz und Vermeidung von Verletzungen von Spannungsgrenzen
• Vermeidung des Ausbaus von Transformatorstationen
• Reduktion der Blindleistungsbezugskosten

Das Modul Kompensationsoptimierung (CO) in PSS®SINCAL bietet Verfahren zum optimierten Einsatz von Blindleistungskompensationsanlagen und deren Platzierung.

Optimierte Blindleistungskompensation

Die Ermittlung der benötigten Kompensationsleistung erfolgt mittels einer Aneinanderreihung von Lastflussberechnungen des vollständigen Netzes. In jeder einzelnen Lastflussberechnung wird ein Teil der an Transformatoren auftretenden Blindleistung kompensiert. Die ermittelte Kompensationsleistung kann dabei induktiv oder kapazitiv sein. Die Kompensation erfolgt Netzebene für Netzebene. Die Einspeiseorte der hinzukommenden Kompensationsleistung an Transformatorunterspannungsknoten werden in der Grafik mittels eines automatisch generierten Hilfselements angezeigt.

Als Ergebnisse stehen sämtliche für die Kompensation relevanten Daten (notwendige Blindleistung für Kompensation, Reduktion der Verluste, usw.) zur Verfügung.

Automatische Kondensator-Platzierung

Diese Optimierungsmethode verfolgt den Zweck, Netzwerkverluste durch die Platzierung von Kondensatoren im Netzwerk zu reduzieren. PSS^®SINCAL kann hierfür die optimalen Positionen für Kondensatorinstallationen unter Verrechnung der Kosten und erwarteten Einsparungen reduzierter Verluste identifizieren. Der Ertrag der Investition wird basierend auf den Kosten und Ersparnissen kalkuliert.

Das Modul zur Transfer-Kapazitätsberechnung (TC) in PSS®SINCAL zur Berechnung der Übertragungskapazität basiert auf einer Reihe von Lastflussberechnungen. In jedem Rechenschritt wird die Übergabeleistung variiert, um die Übertragung-Grenze zwischen zwei Netzgebieten zu ermitteln.

Als Ergebnis stehen alle relevanten Daten zur Verfügung (TTC, NTC, TRM, etc.).

Die folgende Grafik zeigt die wichtigsten ENTSO-E-Parameter für die verschiedenen Phasen.

Das System berücksichtigt vordefinierte Übertragungen zwischen Netzgebieten und ermittelt, wie viele Kapazitäten darüber hinaus transportiert werden können.

Optional können auch Ausfälle mitberücksichtigt werden.

Mit dem Modul Spannungs- und Blindleistungsoptimierung (VVO) in PSS®SINCAL können die Spannung und der Leistungsfaktor in radialen Mittelspannungs- und Niederspannungsabgängen, die sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch sein können, so optimiert werden, dass alle Netzknoten innerhalb des definierten Spannungsbereichs liegen und die übertragene Blindleistung möglichst niedrig ist.

Die Spannungsoptimierung wird eingesetzt, um auf Basis vordefinierter Spannungsbereiche für alle Verbraucher einen akzeptablen Netzbetrieb sicherzustellen.

Die Optimierung des Leistungsfaktors reduziert die Übertragung von Blindleistung (und damit die Verluste) am Einspeisepunkt.

Je mehr induktive Verbraucher, desto geringer wird der Leistungsfaktor (die Kabelkapazität wirkt hier leicht entgegen). Das Ziel der Volt/Var Optimierung ist es, zu bestimmen, an welchem Punkt des Abganges ein Kondensator installiert werden sollte und wie der Transformator am Beginn des Abgangs eingestellt werden muss unter Berücksichtigung von Höchstlast- und Mindestlastwerte. 

Das Modul Lastsymmetrierung (LB) in PSS^®SINCAL ist für den Einsatz in unsymmetrisch belasteten Netzen konzipiert und ermöglicht es, die Anschlussphasen von Ein- und Zweiphasenlasten zu optimieren, so dass ein möglichst symmetrischer Netzbetrieb erreicht wird.

Lastsymmetrierung ist ein kombinatorisches Problem, welches in mit einem generischem Optimierungsalgorithmus gelöst wird. Dabei werden die Kombinationen von Anschlussphasen von Einphasenlasten (L1-E, L2-E, L3-E) und Zweiphasenlasten (L1-L2, L2-L3, L3-L1) variiert.

Das Optimierungsergebnis ist die Netzkonfiguration mit dem niedrigsten Symmetriefaktor der analysierten Kombinationen.

Im Ergebnisdialog wird sowohl die derzeit vorhandenen als auch die neu vorgeschlagenen Anschlussphasen von Lasten angezeigt, bei denen durch einen Wechsel der Anschlussphasen eine Verbesserung der Netzsymmetrie erzielt werden kann. Die Ergebnisse werden in einem Ergebnisfenster zusammengefasst, von dem aus bei Bedarf eine Anschlussphasenänderung für ausgewählte Lasten durchgeführt werden kann.

Bei der Arbeit mit mehreren Benutzern oder Teams an komplexen Netzmodellen entstehen Anforderungen an die Verwaltung eines gemeinsamen Netzmodells, um die Änderungen der einzelnen Nutzer zu verfolgen und das Netzmodell konsistent zu halten.

• Abbildung von Prozessen des Unternehmens mit verschiedenen Zugriffsrechten auf ein Netzmodell und Kompetenzen zur Bearbeitung und Freigabe
• Konsistentes Netzmodell zur Synchronisation (und ggf. auch Reduktion) von Arbeitsschritten (z.B. zur Unterstützung beim Projektmanagement)
• Zentrale Ablage des Netzmodells auf einem Netzwerkserver als Repository für die einzelnen Nutzer
• Aktualisierung oder Zurücksetzen auf einen vorherigen Zustand des zentralen Netzmodells basierend auf Änderungen der einzelnen Nutzer im Sinne einer Versionsverwaltung
• Dokumentation der Änderungen und der Historie

Mit dem Modul zur Nutzung einer Mehrbenutzer Master-Datenbank (PM) in PSS®SINCAL ist das synchronisierte und über verschiedene Orte und Arbeitsplätze verteilte Arbeiten an einem Netzmodell möglich.

• Anlegen eines zentralen Netzmodells in einer Master-Datenbank auf einem Server (Repository) aus einem bisher lokal bestehenden Netzmodell
• Benutzermanagement zur Verwaltung verschiedenen Benutzerrollen mit entsprechenden Zugriffsrechten
• Verbindung von dezentralen Benutzern (Clients) zur Master-Datenbank, lokales Bearbeiten und anschließende Veröffentlichung der durchgeführten Änderungen
• Zentrale Verwaltung (Versionsverwaltung) der Master-Datenbank durch einen Administrator mit Funktionen zur Synchronisation und zum Konfliktmanagement in einer grafischen Oberfläche

Die Modellierung von Netzen basiert auf dem Ausgangsdatensatz für ein Basismodell, das durch Konvertierung oder einem Import aus externen Datenquellen (z.B. SCADA, GIS) oder einem anderen Netzdatensatz (z.B. CIM) gewonnen wird. Verändert sich dieser Ausgangsdatensatz, ist eine erneute Konvertierung oder ein Import nötig, um das Basismodell zu aktualisieren. Gleichzeitig sollen aber Erweiterungen des Modells (z.B. Lasten, Schutzdaten, Modelle und Parameter), die in PSS®SINCAL zwischenzeitlich vorgenommen wurden, erhalten bleiben.

• Aktualisierung eines Netzmodells basierend auf Änderungen im Ausgangsdatensatz ohne Verlust der zusätzlich in PSS®SINCAL modellierten Elemente
• Getrennte Bearbeitung von Modellen und deren regelmäßige Zusammenführung nach der Bearbeitung zu einem neuen Basismodell
• Inkrementelle Aktualisierung basierend auf den veränderten, hinzugefügten oder entfernten Elementen der anderen Datenquelle
• Vermeidung zeitaufwändiger, manueller Synchronisation von Netzmodellen

Mit dem Modul Model Merge (MERGE) in PSS®SINCAL können zwei Netzmodelle unter minimalem Eingriff des Anwenders zusammengeführt werden.

• Performante und automatische Zusammenführung zweier Netzmodelle mit Konfliktbehandlung
• Erhaltung der Konsistenz des Simulationsmodells
• Individuelle Konfiguration des Prozesses und Kennzeichnung der Änderungen in der Netzgrafik

Die Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen dem eigenen und den angrenzenden Netzbereichen, also dem Analysebereich und den beeinflussenden Bedingungen, kann im Rahmen von kooperativer Zusammenarbeit Einschränkungen hinsichtlich des Datenschutzes und der Rechenkapazität unterliegen. Während es im ersten Fall insbesondere um den Schutz von Informationen kritischer Infrastruktur bzw. geistigen Eigentums geht, gilt es im zweiten Fall, das Modell durch eine Reduktion hinsichtlich eines bestimmten Untersuchungszwecks zu optimieren. In beiden Fällen besteht der Anspruch, in einem reduzierten Modell an den definierten Randknoten das gleiche Verhalten wie im vollständigen Modell zu erhalten:

• Reduktion von definierten Netzbereichen im Netzmodell zu äquivalenten Teilmodellen
• Ermöglichung der Weitergabe von reduzierten Netzdaten an Dritte mit definierten Randknoten
• Identisches Verhalten von reduziertem und vollständigem Netzmodell an den Randknoten hinsichtlich der Lastflussberechnung und den Kurzschlussdaten (3-, 2- und 1-polig)
• Reduktion des Netzmodells zur Einsparung von Rechenkapazität für Anwendungen wie Echtzeitsimulation

Basierend auf dem Basismodul der Lastflussberechnung bietet die PSS®SINCAL Plattform mit dem Modul Netzreduktion (NR) ein effektives Werkzeug zur Reduktion von definierbaren Bereichen in Netzmodellen. Die Auswahl des Netzbereichs erfolgt dabei grafisch, nach Netzelementgruppen oder anderen Selektionskriterien. Als Ergebnis werden direkt im Netzmodell des Anwenders oder wahlweise in einem zusätzlichen Include-Netzmodell die Ersatzelemente implementiert.

• Statisches Reduktionsverfahren basierend auf der Ward und der Extended Ward Methode
• Berücksichtigung von Lastflussberechnung und Kurzschlussdaten als Referenz
• Verwendung von Ersatzeinspeisungen und Ersatzzweigen an den und zwischen den Randknoten, zur ergebnisgetreuen Reduktion des Netzbereichs
• Einfache Selektion des Reduktionsbereichs durch Polygone, Netzelementgruppen oder eine Reduktionsdatei

Analytische Studien zum Systemverhalten, die auf eine genaue Modellierung von Freileitungen und Kabeln angewiesen sind, erfordern die entsprechenden Eingabedaten in Form von komplexen Ersatzschaltbildern und frequenzabhängigen Elementen. Aus dem Planungs- und Betriebsprozess stehen dem Anwender die Informationen in den physikalischen Kenngrößen der Leiter, Isolatoren und Isolationsmaterialien sowie der geometrischen Anordnung zur Verfügung. Die Überführung der Physik in ein elektrisches Ersatzschaltbild für die verschiedenen Berechnungsarten der PSS®SINCAL Plattform ist erforderlich.

• Ermittlung von Parametern für einzel- und mehrphasige Systeme mit oder ohne Erdrückleitung aus der geometrischen Anordnung und den Materialkennwerten (Leiter, Isolation, Schirm etc.)
• Modelltechnische Abbildung paralleler Systeme und deren wechselseitige Beeinflussung durch Kopplungen
• Individuelle Berücksichtigung von Kabelaufbau und
  -anordnung mit Leitern, Schirmen und Bewehrungen

Die Berechnung elektrischer Kenngrößen von Freileitungen und Kabeln (LEIKA) aus geometrischen Anordnungen und Materialkennwerten wird durch die PSS®SINCAL Plattform ermöglicht. Die ermittelten Kenngrößen dienen als Eingabedaten der Lastfluss-, Kurzschluss-, Beeinflussungsberechnung und anderen Berechnungsverfahren.

• Berücksichtigung beliebiger Anordnungen und Arten von Leiterseilen und Einzelkabel
• Freileitungen werden mit beliebig vielen, parallelen Systemen unterschiedlicher Spannung und beliebiger Anzahl von Erdseilen berechnet
• Berechnung von Kabeln mit konzentrischen Schirmen bzw. Metallmänteln oder Bewehrungen, zusätzlichen gemeinsamen Mänteln um ein Drehstromsystem und parallele Erdleiter
• Es können Leitungs- und Kabelkennwerte bei Betriebsfrequenz sowie bei höheren Frequenzen bis zu mehreren kHz berechnet werden
• Ausgabe der Kopplungsdaten für PSS®SINCAL sowie für den Expertenmodus (ExpMod) in PSS®NETOMAC

Sollen benutzerdefinierte Modelle von Betriebsmitteln, Regeleinrichtungen oder Simulationssteuerungen verwendet werden, deren Verhalten nicht durch die Standardmodelle in der ausgelieferten Modellbibliothek nachgebildet werden kann, ist ein intuitiver und effizienter Modelleditor notwendig.

• Möglichkeit der Modellbildung für benutzerdefinierte Modelle für Regeleinrichtungen in Erzeugungs- und Übertragungssystemen für verschiedene Berechnungsarten sowie individuelle Beeinflussung von Last- und Zweigelementverhalten in Abhängigkeit verschiedener Variablen und Netzgrößen
• Vordefinierte Funktionen und Funktionsgruppen zur Nachbildung von Regeleinrichtungen mit der Option zur Implementierung von eigenem Code
• Vereinfachte Integration von externen DLLs, die herstellerspezifische Algorithmen und Modellverhalten enthalten
• Verschlüsselung von Modellen zum Schutz des geistigen Eigentums
• Verwendung von erstellten dynamischen Modellen in verschiedenen Produkten der PSS®Suite

Mit dem grafischen Modelleditor (GMB) enthält die PSS®SINCAL Plattform eine intuitive Oberfläche zur benutzerdefinierten Modellbildung. Der blockorientierte GMB ist vollständig in der nativen Oberfläche der Dynamik-Engine PSS®NETOMAC integriert und kann über eine bereitgestellte Schnittstelle ohne Kompilierung oder andere Drittanbietersoftware in allen Simulationsprogrammen der PSS®Suite verwendet werden.

• Intuitives Bedien- und Modellierungskonzept sowie automatische Plausibilitätsprüfung während der Modellbildung
• Über 30 verschiedene Modelltypen für Erzeugungs- und Übertragungssysteme sowie zur Ansteuerung von einzelnen Netzelementen und der Simulation
• Erstellung von benutzerdefinierten Modellen für die Verwendung in unterschiedlichen Berechnungsarten
• Über 100 vordefinierte Funktionsblöcke sowie die Möglichkeit der Implementierung von eigenem Code in einer FORTRAN-Syntax
• Vordefinierte Vorlagen für typische Blockdiagramme und Option zur Erstellung benutzerdefinierter Vorlagenbibliothek
• Anbindung von externen DLLs (Modul DLL) als Subsysteme eines Modells
• Ausgabe von ausgewählten Signalen während der Laufzeit des Modells in vordefinierter Dateistruktur
• Testumgebung für die erstellten Modelle mit Analysemöglichkeit direkt im Blockschaltbild des Modells sowie in Diagrammen
• Möglichkeit der Modellverschlüsselung

Bei der Erstellung und Pflege von benutzerdefinierten Modellen von Betriebsmitteln, Regeleinrichtungen oder Simulationssteuerungen im Modelleditor (Modul GMB), ist auch die Integration von als DLL entwickelten Programmteilen und Blöcken als Subsysteme von Interesse, um folgende Anforderungen zu adressieren:

• Funktionale Erweiterung von Modellen um komplexe Datentypen und -strukturen sowie Funktionen, die im GMB nativ nicht zur Verfügung stehen
• Entwicklung, Verwendung und Weitergabe benutzerdefinierter Funktionsblöcke in C, C++ oder anderen Programmiersprachen
• Kopplung von internen Ein- oder Ausgangssignalen der Regler mit parallel (ggf. synchron) laufenden, anderen Anwendungen
• Schutz geistigen Eigentums in Form von Aufbau oder Implementierung von Subsystemen
• Standardisierte Schnittstelle zur Nutzung von Subsystemen in verschiedenen Softwareumgebungen
• Entwicklung und Testen von Regelungsfunktionen in einer "Software in the Loop (SiL)" Umgebung

Die beiden Schnittstellen des Moduls DLL Modell-Schnittstellen (DLL), als Teil der Dynamik-Engine PSS®NETOMAC, erweitern die Simulation von mit dem grafischen Modelleditor (GMB) erstellten Modellen um die Integration benutzerdefinierter Subsysteme als Dynamic Link Library (DLL).

• Integration von externen, bereits kompilierten DLLs als Modell-Subsysteme in mit dem GMB erstellten Modellen
• Schnittstelle IEC DLL, genormt nach IEC 61400-27-1 F
• Schnittstelle EXTERN DLL der PSS®SINCAL Plattform mit vereinfachter Definition
• Nutzung der Schnittstelle in den Berechnungsverfahren LF, LP, ST, EMT

Zur Analyse des dynamischen Verhaltens von elektrischen Energiesystemen werden durch unterschiedliche Normungsgremien (IEC, VDE, IEEE etc.) Standardmodelle definiert, die in unterschiedlichen Programmumgebungen einheitlich zu behandeln und lediglich durch Parametervariation zu individualisieren sind. Während die klassische Standardisierung dynamischer Modelle vor allem Regeleinrichtungen für konventionelle Erzeugungseinheiten adressiert, gewinnen die Typ 2 Erzeugungseinheiten an Bedeutung und erfordern die Berücksichtigung deren Modelle in der dynamischen Simulation.

Die PSS®SINCAL Plattform enthält eine Bibliothek dynamischer Modelle (DML) für unterschiedliche Netzelemente und Berechnungsarten, die vom Anwender an das jeweilige Netzmodell angebunden werden können.

In der globalen Bibliothek der Plattform sind folgende dynamische Modelle enthalten:

• Modelle von Synchronmaschinen und deren Regeleinrichtungen gemäß IEC61970-302, IEEE421.5, IEEE PES-TR1 und anderen Normen und Richtlinien.
• Inhärente Modelle, die bei Fehlen von benutzerdefinierten dynamischen Modellen an den Netzelementen in PSS®SINCAL standardmäßig eingesetzt werden, um somit eine Grunddynamik der Netzelemente nachzubilden
• Generische Modelle zur Abbildung des dynamischen Verhaltens von Lasten, allgemeinen Quer- und Längszweigen sowie dezentralen Erzeugungsanlagen. Diese können sowohl als Äquivalent des komplexen Verhaltens als auch als Ausgangspunkt für die Erstellung benutzerdefinierter, dynamischer Modelle verwendet werden
• Modelle von Maschinenregeleinrichtungen

In der Anwenderbibliothek im Dokumentenverzeichnis des Anwenders sind folgende dynamische Modelle enthalten:

• Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Modelle für Lastfluss- und Stabilitätsberechnungen:
• Vereinfachtes dreiphasiges Photovoltaik-Modell
• Dynamische Modelle von Windenergieanlagen mit unterschiedlichen Generatorkonzepten

In elektrischen Energiesystemen ist das Zusammenwirken aller Komponenten aus Erzeugungs-, Übertragungs- und Umwandlungssystemen nicht nur bei Fehlerzuständen komplex. Generatoren, Regeleinrichtungen, HGÜs, FACTS, dezentrale Erzeugungsanlagen und Lasten interagieren auch im quasi-stationären Zustand miteinander, was sich beispielsweise in den energiereichen dominanten elektromechanischen Moden äußert und die Systemstabilität z.B. durch Abschaltungen gefährdet.

Die Komplexität der Systeme nimmt aufgrund der Digitalisierung sowie der struktur- und marktbedingten Entwicklungen stetig zu. Dieser Umstand erfordert innovative Methoden, die die Stabilität solcher Systeme systematisch beurteilen können und die Ableitung wirkungsvoller Gegenmaßnahmen unterstützen.

Verlagert sich die Dynamik des Netzes in die dem Übertragungsnetz unterlagerten Netzebenen, steigt die Komplexität der Anforderungen an die Betreiber solcher Systeme.

• Systematische Analyse der Kleinsignalstabilität elektrischer Energiesysteme mit dem Fokus auf elektromechanischen Moden und Interaktionen mit Regeleinrichtungen der Betriebsmittel
• Schnelle Identifikation von lokalen (local), regionalen (intra-area) und globalen (inter-area) elektromechanischen Moden sowie von Reglerinteraktionen
• Unterstützung bei der Ermittlung geeigneter und effizienter Gegenmaßnahmen für schwach gedämpfte, niederfrequente Leistungspendelungen

Die PSS®SINCAL Plattform bietet mit ihrer Dynamik-Engine PSS®NETOMAC dem Anwender in diesem Modul (EVA) die innovative Modalanalyse, die den oben genannten technischen Anforderungen gerecht wird und die Beurteilung des Zusammenwirkens aller Komponenten mit dem Fokus auf elektromechanischen Moden und Reglerinteraktionen ermöglicht. Die Engine verwendet neben den dynamischen Modellen der Stabilitätsberechnung effiziente Methoden zur vollständigen Beschreibung des inhärenten Schwingungsverhaltens eines elektrischen Energiesystems.

• Schnelle und einfache Identifikation von schwach gedämpften, dominanten Moden im elektrischen Energiesystem und deren Einflussgrößen, die die Stabilität des Systems hinsichtlich Spannungen und Synchronismus gefährden können
• Bestimmung der Eigenwertlösung eines gesamten dynamischen Netzmodells mit Maschinen, Reglern, Übertragungstechnologien sowie Lasten und damit der inhärenten elektromechanischen und reglerbedingten Schwingungsfähigkeit eines Systems für einen gegebenen stationären Fall
• Option für vereinfachtes Eigenwertscreening basierend auf Signalanregung und -auswertung im Zeitbereich für sehr große Netzmodelle
• Unterstützung des Anwenders bei der Suche nach effektiven Gegenmaßnahmen für dominante Moden

Der Einsatz von Serienkompensation zur Erhöhung der Übertragungskapazität und Stabilisierung des Netzbetriebs kann zu dem Phänomen der subsynchronen Resonanzen (SSR) mit Antriebswellen von konventionellen Erzeugungsanlagen und damit zu Schäden an Anlagen und Schutzauslösungen führen. Auch umrichterbasierte Technologien können zu subsynchronen Interaktionen (SSTI) mit den Antriebswellen führen. Diese Gefahren gilt es bereits in der Planungsphase solcher Anlagen aber auch bei Erkennung der Resonanzen im Betrieb abzuschätzen und erforderliche Gegenmaßnahmen zu ergreifen, um Schäden und Zerstörungen zu vermeiden.

• Beurteilung der inhärenten Schwingungsneigung von Antriebswellen mit mehreren Druckstufen, Maschinen und Erregersystemen, die durch Serienkompensation und umrichterbasierte Technologien (HGÜ, FACTS etc.) angeregt werden kann
• Bewertung der mechanischen Beanspruchung der Antriebswellen in Kraftwerken bei Fehlerzuständen
• Abschätzung der Lebensdauer von Antriebswellen bei regelmäßiger Beanspruchung durch Torsionsschwingungen
• Analyse der mit den auftretenden Resonanzen einhergehenden elektromagnetischen Ausgleichsvorgänge und deren Auswirkungen

Basierend auf der Transienten-Engine PSS®NETOMAC ist im Expertenmodus in diesem Modul (TOR) die Erweiterung der Modelle der Drehfeldmaschinen um die Definition der Antriebswelle möglich, um den Einfluss von Druckstufen und Erregersystem im mechanischen Teil eines Kraftwerks zu berücksichtigen. Dies unterstützt den Anwender auf der einen Seite bei der Beurteilung von mechanischen Beanspruchungen der Antriebswellen bei Auftreten von subsynchronen Resonanzen (SSR) und Interaktionen (SSTI) sowie bei der Entwicklung entsprechender Gegenmaßnahmen bei Anlagenauslegung und Inbetriebnahme. Auf der anderen Seite ermöglicht es dem Anwender die Bewertung der elektromagnetischen Auswirkungen der Ausgleichsvorgänge.

• Verwendung erprobter und erfolgreich validierter Modelle und Simulationsmethoden der Transienten-Engine PSS®NETOMAC
• Unterstützung detaillierter Massendefinitionen zur realitätsgetreuen Nachbildung von Turbinenstufen
• Vielfältige Möglichkeiten bei der Modellierung der Antriebswelle durch Verteilung von Massen, Momenten und des Park-Transformationswinkels
• Möglichkeit der Verwendung der Torsionsdaten im aktiven Frequenzgang (Modul FRD)

Bei der Auslegung von Betriebsmitteln in elektrischen Energiesystemen besteht die Notwendigkeit einer effizienten Ermittlung potenzieller Resonanzstellen des Netzes sowie der aktiven Netzelemente über einen breit definierten Frequenzbereich, um durch passive und aktive Gegenmaßnahmen möglichen Schäden durch Resonanzen im Netzbetrieb vorzubeugen.

• Untersuchung des Frequenzgangs von passiven Netzelementen, um elektrisch bedingte Resonanzstellen zu ermitteln
• Unterstützung in der Auslegung von Filtern anhand von Ergebnissen aus der Frequenzgangsermittlung
• Berücksichtigung dynamischer Betriebsmittel wie Maschinen, deren Torsionsstränge, deren Regeleinrichtungen und regelbarer Netzelemente im Frequenzgang
• Berücksichtigung des Arbeitspunktes in der linearisierten Antwort des Frequenzgangs eines nichtlinearen Systems

Zusätzlich zu dem Modul Oberschwingungen (OB) ist im Expertenmodus (ExpMode) der Transienten-Engine PSS®NETOMAC die Betrachtung des passiven (Module ST, EMT) als auch des aktiven (Modul EMT) Systemverhaltens im Frequenzbereich durch dieses Modul (FRD) möglich. Es unterstützt den Anwender bei der Erkennung potenzieller Resonanzstellen sowie in der Entwicklung entsprechender Gegenmaßnahmen in Auslegung und Parametrierung.

• Schnelle und einfache Identifikation von Resonanzbereichen des Netzes
• Verwendung erprobter und erfolgreich validierter Modelle und Simulationsmethoden der Transienten-Engine PSS®NETOMAC unter Berücksichtigung der Torsionsdaten (Modul TOR) und verwendeter Modelle
• Anwendung effizienter Linearisierungsvorschriften für Modellblöcke zur Ermittlung des Frequenzgangs
• Berücksichtigung von Modellen für Netzelemente im passiven Frequenzgang
• Unterstützung bei der Auslegung von Filtern zur Unterdrückung bzw. Verschiebung von Resonanzbereichen

Die analytische Betrachtung von elektrischen Netzen erfordert neben der Entwicklung von Modellen auch deren Parametrierung. In der aufwändigen Datensammlungsphase stehen dem Anwender teilweise die Angaben der Anlagenhersteller zur Verfügung (Typenschild und Datenblätter). Darüber hinaus werden Messwerte bereitgestellt bzw. durch Messungen vor Ort ermittelt, aus denen die Parameter für verschiedene Arten von Modellen abgeleitet werden sollen.

• Ermittlung der Ersatzschaltbildgrößen von Asynchron- und Synchronmaschinen
• Identifikation von Betriebsmittelmodellparametern auf Basis von Messwerten
• Ermittlung von dynamischen Ersatznetzen
• Reduktion der Modelle von dynamischen Lasten
• Bestimmung von eingestellten Werten der Reglerparameter in offenen und geschlossenen Regelkreisen

Bei der Auslegung von Betriebsmitteln und Regeleinrichtungen sollten zudem ihre Bemessung und Parametrierung hinsichtlich vorgegebener Ziele optimiert werden. Hierbei besteht die Anforderung effizienter Algorithmen zur Formulierung von Optimierungszielen, Nebenbedingungen und der zu variierenden Größen.

• Optimierung jeglicher Parameter des Netzmodells bzw. von Regeleinrichtungen hinsichtlich einer Zielfunktion
• Definition von Nebenbedingungen, die neben der Zielfunktion in der Optimierung berücksichtigt werden
• Berücksichtigung der Optimierungsfunktionen in verschiedenen Berechnungsarten des Zeit- und Frequenzbereichs

Die Optimierungsalgorithmen (OPT) der Dynamik-Engine PSS®NETOMAC werden innerhalb der nativen Oberfläche (ExpMode) sowohl zur Identifikation von Parametern aus Messwerten als auch zur Ermittlung von optimalen Einstell- und Bemessungswerten in verschiedenen Berechnungsarten anhand von Zielfunktionen verwendet.

• Identifikation der Ersatzschaltbildgrößen von Asynchronmaschinen aus Basisdaten und bereitgestellter Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien sowie die Ausgabe der Maschinendefinition
• Parametrierung von Netzmodellen und deren dynamischen Betriebsmitteln sowie Regeleinrichtungen aus Messwerten im Zeit- und Frequenzbereich
• Optimierung von Parametern von Netzelementen, dynamischen Betriebsmitteln und Modellen hinsichtlich einer Zielfunktion und Nebenbedingungen in den Berechnungsarten Lastfluss (Modul PF), Stabilität (Modul ST), Elektromagnetische Transienten (Modul EMT), aktiver und passiver Frequenzgang (Modul FRD) und in der Eigenwertberechnung (Modul EVA)