Protection concepts in distribution networks with decentralised energy resources

Abstract

Die stetig steigende Anbindung von dezentralen Energieerzeugern (DER) an Mittel- (MS) und Niederspannungsnetze (NS) fordert eine Analyse der bestehenden Netzschutzkonzepte. Die Beeinflussung der Netzschutzkonzepte ist abhängig davon, wie die DER an das Mittelspannungsnetz angebunden sind. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Analyse von Beeinflussungen durch kleine DER, die an das Mittelspannungsnetz über einen Umrichter angebunden sind.
Das erste Problem, das in dieser Arbeit untersucht ist, ist die Beeinflussung der unterschiedlichen Schutzalgorithmen durch hohe Anteile von Harmonischen. Diese werden verursacht durch die steigende Zahl elektrischer Geräte, sowohl auf der Verbraucherseite als auch auf der Seite der Energieerzeuger. Die Beeinflussung, entsprechend der Norm IEC 61000-3–2, wurde an unterschiedlichen Typen von Netzschutzsystemen untersucht. Die getesteten Distanzschutzalgorithmen basierten auf konventionellen Methoden zu Berechnung der Impedanz wie: SinusAlgorithmen, Algorithmen basierend auf der Leitungs-Differentialgleichung erster oder zweiter Ordnung, Filteralgorithmen für Berechnung komplexer Zeiger, und Algorithmen, die auf künstliche Intelligenz basieren, wie harmonisch aktivierte neuronale Netze. Die unterschiedlichen Typen von Netzschutzprinzipien, die untersucht wurden sind: Überstrom, Distanz und Differenzial. Einige Untersuchungen wurden auch im Netzschutzlabor der Universität durchgeführt. Bei beiden Tests konnte nachgewiesen werden, dass die heutigen state-of-the-art Netzschutzsysteme durch Harmonische entsprechend IEC 61000-3–2, praktisch nicht beeinflusst werden. Der zweite Problemkreis der in dieser Arbeit diskutiert wird sind die Anforderungen, welche die Anbindung von DER an das Netz, an moderne Netzschutzsysteme stellen. Einige Beispiele illustrieren die Lage der Energieversorgung der Zukunft und zeigen Selektivitätsprobleme auf, sollten nur konventionelle Netzschutzsysteme benutzt werden. In dieser Arbeit wird ein neues Schutzkonzept für Mittelspannungsnetze mit hohem Anteil an DER vorgestellt und analysiert. Das Konzept beruht auf der neuen Norm für „Substation Automatisation System - IEC 61850“ und einem Netzschutz-Managementsystem. Die Methode der zusätzlichen Signal-Einspeisung wurde ebenfalls vorgestellt.
Die Basis eines effizienten Netzschutz-Managementsystems ist das Wissen vom Verhalten des Systems in normalen Betrieb und unter Fehlerbedingungen. Die Computer- und Internettechnologie, die moderne Kommunikation, der interdisziplinäre Datenaustausch stellen ganz neue Anforderungen an die Wissensbasis energietechnischer Ingenieure. Mit dem Ziel neue Medien in der Ingenieurausbildung einzusetzen ist, im Rahmen dieser Arbeit ein E-learning Kurs entwickelt worden. Dabei ermöglicht das Internet neue Methoden zur Wissensvermittlung zu entwickeln. Die Unabhängigkeit von Zeit und Ort, die große Anzahl von Lehrmöglichkeiten und die Online-Diskussionen sind nur einige zu nennende Vorteile. In dieser Arbeit ist die Idee zur Realisierung sowie Ergebnisse des E-learning Kurses im Bereich digitaler Netzschutztechnik, als Erweiterung der konventionellen Lehrveranstaltung präsentiert worden. Dieser Kurs wird den Studenten der Universität in einem speziell gestalteten Multimedialabor angeboten. Es besteht via Internet die Möglichkeit den Kurses z.B. zu Hause zur Wiederholung und Prüfungsvorbereitung nochmals zu bearbeiten.