Netzmodell am Campus Jülich

Eine Nachbildung des Stromnetzes mit allen notwendigen Komponenten.

Das Vorbild: Die Realität

Unser Vorbild: Systemführung für den nördlichen Teil des europäischen Übertragungsnetzes (Amprion)
Die Systemfrequenz 50 Hz ist nicht konstant, aber sehr genau geregelt
Vorbild: Sammelschiene

Nichts ist spannender als die Realität.

Unser elektrisches Verbundnetz ist vielschichtig. Die Tatsache, daß elektrische Energie an jedem Ort und zu jeder Zeit nutzbar ist, ist keineswegs selbstverständlich.

Viele sehr unterschiedliche Komponenten müssen am Netz gemeinsam funktionieren.

Damit Studierende dieses komplexe System schrittweise verstehen und beherrschen können, bauen wir ein Modell des echten Netzes mit allen wichtigen Komponenten nach. Alle Versuchsstände sind vernetzt und die Versorgungssicherheit im Modell ist nur dann gewährleistet, wenn alle gut zusammenarbeiten.

Der Laborleiter kann Aufgaben erteilen oder Fehler auftreten lassen oder von der Norm abweichende Betriebszustände und Störungsszenarien einspielen. Die Studierenden müssen diese Lage analysieren und entsprechende Maßnahmen einleiten, vollziehen und überwachen, um auch im Modell die Versorgungssicherheit zu garantieren. Dabei wird ihnen vermittelt, daß hier technische Einrichtungen und menschliches Fachwissen im Zusammenspiel als Garant für ein funktionierendes Versorgungsnetz unabdingbar sind.

 

 

 

 

Netzmodell Smart Grid

Gesamtübersicht
Modell einer Windenergieanlage
Intelligentes Endgerät
Schaltanlage, Hochspannungsnetz und Verbraucher
Omicron CMC 353 Prüfgerät
Arbeitsplätze im Erweiterungsraum

Es ist keine Simulation am PC!

  • Im Netzmodell drehen echte Maschinen
  • Tatsächliche Netzgrößen ( 400V,  1A )
  • Schutzgeräte, Mess- und Fernwirktechnik aus aktueller Serienfertigung
  • Lange Leitungen werden durch eine Ersatzschaltung gebildet

An einzelnen Arbeitsplätzen können Studierende jetzt ihr erlerntes theoretisches Wissen praktisch anwenden. Hierbei stehen nicht nur die einzelnen Komponenten, sondern auch die erforderliche Informatik und das Zusammenwirken der Elemente als System im Vordergrund. Auch Szenarien für eine intelligente Nutzung der Energie können durchgespielt werden.

Die Versuche laufen nicht "wie auf Schienen", sondern angepasst an das wahre Leben im Netz. In den ersten Betriebsdurchläufen haben sich auch stringent disziplinierte Kommunikation und permanentes Sicherheitsdenken als wichtige Lernergebnisse ergeben. Höchste Aufmerksamkeit muss der Personensicherheit und der Versorgungssicherheit gewidmet werden.

Studierende waren nicht schlecht erstunt, wie schwierig es sien kann, einen einfachen Schater zu bedienen. Probieren ist zwar im Modell gefahrlos möglich, aber Ziel ist es, fehlerfrei zu arbeiten. Da muss man schon mal doppelt überlegen, welche Folgen eine Schathandlung im vernetztes System hat.

 

Die einzelnen Arbeitsplätze umfassen diese Haupt-Themen:

» Systemführung  |  Von dieser Zentrale werden das Netz und die Einzelplätze überwacht und gesteuert. Weitere Aufgaben: Abrufe von Kraftwerkseinsätzen, Koordination von Energieübertragung zwischen den Bilanzkreisen, Sicherstellen des Gleichgewichts Erzeugung-Verbrauch. Der Arbeitsplatz des Dispatchers hat einen Desktop von 5 Monitoren und die braucht er auch für seine Aufgaben.
Also kurz: Sicherstellen der Versorgung und der Netzqualität.

» Netzsteuerstelle  |  Im Netzmodell gilt das Prinzip der Trennung von Befehlsgabe und Ausführung. Ein Team führt die Schaltbefehle aus, die in der Systemleitung gegeben werden. So lernen sie Studierenden, dass vier Augen mehr sehen, als zwei und wie schwierig kompakte und verbindliche Kommunikation ist. Ferner ist im Netzmodell absichtlich nicht jeder Schater automatisiert und fernüberwacht. So wird schnell klar, dass Zeit verstreicht, bis eine Schaltung durchgefügrt werden kann. Wie im echten Netz eben. 

Windenergie  |  Die Stromerzeugung wird an einem Arbeitsplatz für regenerative Energiesysteme am Beispiel einer Windenergieanlage demonstriert. Sowohl das Funktionsprinzip des Generators als auch verschiedene Windprofile können durchgespielt werden, um den Einfluss auf die Lastbilanz des Gesamtnetzes zu begreifen. Die Problematik der Regelung mehrerer Erzeuger als Verbund kann erfahren werden.

» Transportnetz  |  An mehreren Komponenten kann wird der Einfluss der Transportstrecke mit parallelen oder sehr langen Leitungswegen in Kabel oder Freileitung und entsprechenden Fehlerszenarien nachgebildet werden. Auch eine HVDC (Hochspannungs-Gleichstromübertragung) steht zur Verfügung. Diese kann passend zur modernsten Technik im realen Netz zum gezieliten Energietransport eingesetzt werden.

» Verbraucher |  Sowohl induktive als auch kapazitive und motorische Verbraucher können das Musternetz belasten, sodass es ständig zu Veränderungen im Gleichgewicht kommt.

» Hardware in the Loop |  So bezeichnet man beispielsweise Modelle, bei denen eine Mischung aus echten Komponenten/Betriebsmitteln und simulierten Parametern mit Rückwirkung auf die Hardware eingesetzt werden. Im Netzmodell können zukünftig beispielsweise Teile des Verteilnetzes auf einem PC simuliert werden. Die Auswirkungen der Simulation werden im Modell als reelle Größen übergeben, so dass deren Einfluss im Modell auch wirksam und messbar ist. Würde beispielsweise in der Simulation ein großer Verbraucher eingeschaltet, so würde auch das Licht im Modell tatsächlich auch flackern. So ist es möglich, ausgedehnte Verteilnetze mit vielen Häusern beispielsweise nicht durch unnötig viele echte Komponenten nachzubilden. Hier ist die Simulation wirtschaftlicher. Dennoch kann die Wirkung der Simualtion auf das Modell erfahren werden.

» Großkraftwerk und Pumpspeicherkraftwerk  |  Einer der beiden Versuchstände kann wahlweise als Großkraftwerk oder als Pumpspeicherkraftwerk betrieben werden. Mit diesen Komponenten haben sowohl die Techniker als auch die Kaufleute ein Werkzeug zum Stabilisieren des Netzes bzw zum Handeln von Energie. Für diese Anlagen wurde auch ein Regelkreis programmiert, das Netzmodell als Smart-Grid autark und ohne Verbindung zum Netz der Stadtwerke zu betreiben. Hier wird leicht erkennbar, dass Spannungs und Frequenzregelung nicht trivial sind.  

» Photovoltaik  |  Es existieren im Netzmodell zwei unterschiedliche PV-Anlagen. Beide bestehen aus echten Serien-Wechselrichtern, die in ihrer relativen Dimensionierung zum Modell entweder einen Haushalt oder einen große PV-Park nachbilden. Beide sorgen für fluktuierende Einspeisung in das Modellnetz, so dass Kraftwerksplaner und Dispatcher immer wieder die Stabilität des Netzes neu beurteilen müssen.

  Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung HGÜ  |  Eine voll funktionsfähige HGÜ vervollständigt das Netzmodell. Sie kann entweder dem Dispatcher als strategisches Betriebsmittel dienen, um die Lastflüsse im Netz getielt zu beeinflussen. Alternativ kann sie vom Ausbilder als Ursache für Transfer-Leistung im Verbundnetz eingesetzt werden. In diesem Fall muss der Dispatcher Energietrasport durch seinen Bilazkreis (Zuständigkeitsbereich) managen. So passiert es täglich im länderübergreifenden Energietransport in Europa. Schließlich ist sie wesentlciher Bestandteil im Konzept "Hardware in the loop" , denn sie kann auf dem PC errechnete Simulationsergebnisse sofort im Netzmudell zu einem echten Lastzustand umwandeln.

» Brennstoffzelle  |  In einem Platz ist eine Brennstoffzelle integriert, welche das Pronzip der direkten Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserstoff und Luft demonstriert. Diese Zelle ist als einzige Komponente nicht mit dem Nodellnetz verbunden.

» Inselnetz  |  Ein Versuchsstand beherbergt ein kleines Netz, welches auch autark ohne Verbindung zum Verbundnetz aus einer Batterie betrieben werden. Inselnetz: zB Almhütte

» Leistungsschalter  |  Das zweifellos größte und schwerste Einzelelement im Netzmodell ist eine echte 20-kV-Schaltzelle mit Sammelschiene und Leistungsschalter (1000 A), die bis vor kurzem noch im Verteilnetz ihren Dienst getan hat. Hier kann die Komplexität eines Schalters zur Kontrolle höherer Spannungen und größerer Ströme ungefährlich erlebt werden. Die Zelle ist in Funktion, natürlich nicht mit ihrer urspünglichen Spannung.

» Intelligente Endgeräte  |  An diesem Platz können diverse Fehlerszenarien (Kurzschluss, Erdfehler, Überlastung, Trafofehler, Leiterabriss, Inselnetzbildung) in dem Dreiphasennetz gefahrlos ausprobiert und deren Erkennung und Behandlung erarbeitet werden.

» Home Automation  |  Der intelligente Einsatz von Energie und das Vermeiden von unnötigen Verlusten stehen im Fokus dieses Themenfeldes nach der Devise: "Energiesparen kann nur, wer seinen Verbrauch kennt"

 

» Energiehandelsplatz  |  Nicht nur technische Komponenten kennzeichnen das Stromnetz. Von großer Wichtigkeit sind die Mechnanismen des Energiehandels, der Kraftwerklplanung und der Bilanzkreise, um nur wenige Komponenten zu erwähnen. Nahezu alle Rollen und Aufgaben des Marktes können mit den Im Netzmodell gewonnenen Daten und Aktionen nachgebildet werden. Im Zusammenhang mit dem Studiengang Energiewirtschafts-Infiomatik entsteht in Netzmodell ein kompletter Handelsplatz mit der Strombörse als Vorbild.

 

 

NEU Regelbarer Ortsnetztrafo

Regelbarer Ortsnetztrafo
Versuchsstände Erweiterung
HGÜ und PV
Verbraucher und Arbeitsplatz der Netz-Steuestelle / Netzmeister
Arbeitsplatz des Dispatchers:
Systemleitung mit 5 Monitoren
Prinzipschaltbild