Ein leistungsfahiges Rechenprogramm zur automatischen Planung von Verteilungsnetzen. Teil I

W. Schulz, KDT, Leipzig; E. Kosse, KDT; D. Blumel, KDT, Dresden
"ELEKTRIE 35" (1981) H.5

       Die Planung elektrischer Netze fur die Verteilungsebene wird im allgemeinen auf der Basis des Variantenvergleichs durchgefuhrt. Dabei werden fur einen bestimmten Betrachtungszeitraum Netzausbauvarianten ermittelt, die folgende Forderungen zu erfullen haben:
   — Einhaltung von vorgegebenen Spannungsgrenzwerten bei allen Belastungsfallen der Spitzen- und Schwachlast
   — Einhaltung der zulassigen Grenzbelastungen der Leitungen und Transformatoren bei allen Belastungszustanden im normalen und gestorten Betrieb
   — Einhaltung der zulassigen Kurzschlußstrom-Grenzwerte an allen Netzknotenpunkten
   — minimaler okonomischer Aufwand fur Investitionen und fur die Betriebsfuhrung.

    Fur die Ermittlung einer in diesem Sinne als optimal anzusehenden Netzausbauvariante sind umfangreiche technische und okonomische Berechnungen durchzufuhren, die bei großeren Problemen nur noch mit Hilfe elektronischer Rechenanlagen zu bewaltigen sind. Dabei werden zuerst die Strom- und Spannungsverhaltnisse eines jeden Ausbaustandes im Normalschaltzustand untersucht. Werden durch die Ergebnisse der Leistungsflüßberechnung vorgegebene Beschrankungen verletzt, so erfolgt eine Anderung der Netz- und Betriebsdaten, und die Berechnung wird wiederholt.
     Oft sind bereits fur den Normalschaltzustand eines Ausbaustandes zahlreiche Datenanderungen notwendig, um die vorgegebenen technischen Bedingungen zu erfullen.
     Fur die Untersuchung von Storungsfallen — Ausfall einer Leitung oder eines Transformators — sind weitere Leistungsflüßberechnung durchzufuhren.
     Die sich daran anschließenden Kurzschlußstromberechnungen fuhren im Bereich der Verteilungsnetze im allgemeinen schneller zu brauchbaren Ergebnissen und sind mit weniger Bearbeitungsaufwand verbunden.

     Sind die technischen Berechnungen abgeschlossen, werden die ermittelten Netzausbauvarianten einer okonomischen Bewertung unterzogen. Der Vergleich der einzelnen Varianten hinsichtlich Wirtschaftlichkeit erfolgt uber die Aufwandskennziffer, in die sowohl die Investitionskosten als auch die Aufwendungen fur die Betriebsfuhrung eingehen. Hierbei erfordert besonders die exakte Verlustkostenermittlung zeitaufwendige Berechnungen. Aus dem Arbeitsablauf fur den Planungsprozeß ist zu ersehen, daß zur Auffindung einer gunstigen Netzausbauvariante zahlreiche Berechnungen durchzufuhren sind, die durch zeitaufwendige manuelle Zwischenschritte (Aufbereitung, Auswertung und Korrektur der Daten fur die einzelnen Teilprobleme) gekoppelt werden mussen.. Mittlerweile hat der Bedarf an Planungsuntersuchungen jedoch einen Punkt erreicht, wo diese Vorgehensweise zu muhselig, zu umstandlich und auch zu teuer geworden ist. Aus diesem Grunde wurde in Gemeinschaftsarbeit zwischen dem Institut fur Energetik/Zentralstelle fur rationelle Energieanwendung (IfE/ZRE), Leipzig, und dem Institut fur Energieversorgung (IEV), Dresden, ein Rechenprogramm entwickelt, das der Rationalisierung der Bearbeitung von Netzplanungsaufgaben in der Elektroenergieversorgung dient.

     Variantenvergleiches, aus einer Menge von vorgegebenen Netzausbauvarianten die okonomisch und technisch gunstigsten Ausbaumaßnahmen fur ein Verteilungsnetz nach den oben genannten Forderungen in einem einzigen Arbeitsschritt ohne manuelle Zwischeneingriffe zu ermitteln. Die langwierigen Arbeiten der Vorbereitung, die Durchfuhrung der Berechnung und die Auswertung der Ergebnisse fur die einzelnen Teilprobleme reduzieren sich damit in spurbarem Umfang. Die gewonnene Zeit kann der Planungsingenieur fur eine grundliche Analyse und Einschatzung der Netzentwicklung und der Ausbaumaßnahmen verwenden.

        

1. Allgemeiner Uberblick

        

1.1. Programmaufbau

    Das in [1] und [2] ausfuhrlich dargestellte Rechenprogramm ist ein Hilfsmittel zur kombinierten technisch-okonomischen Planung von Elektroenergieversorgungsnetzen mit Hilfe des Variantenvergleichs. Unter Berucksichtigung des bereits vorhande¬nen Netzes werden alle bis zum Endausbaustand benotigten Netzelemente (Stationen, Leitungen, Transformatoren) in Form von konkret definierten Ausbaumaßnahmen vorgegeben. Diese Ausbaumaßnahmen mussen vorher vom Planungsingenieur genau uberlegt, analysiert und nach bestimmten Aufbereitungsvorschriften [2] zusammengestellt werden. Das Programm uberpruft die Wirkung der einzelnen Ausbaumaßnahmen hinsichtlich der Einhaltung okonomischer und technischer Bedingungen, ubernimmt dabei den automatischen Ablauf aller zur Netzplanung notwendigen Rechenvorgange und wahlt aus den vorgegebenen Netzrealisierungen die optimalen und technisch zulassigen Varianten aus.
    Das gesamte Programm besteht aus zehn Teilkomplexen:
         1. Eingabe, Aufbereitung und Fehlerkontrolle der Eingabedaten fur das Ausgangsnetz (Grundnetz), fur die vorgegebenen Ausbaumaßnahmen und fur die zusammengestellten Varianten und Ausbaustande
         2. Speicherplatzorganisation fur die Ein- und Ausgabedaten
         3. Ermittlung der gunstigsten Ausbaufolge durch automatische Kombination der vorgegebenen zeitabhangigen Ausbaumaßnahmen
         4. reelle Leistungsflußberechnung unter Berucksichtigung der Vorgabe von Knotenpunktleistungen, mehreren Einspeisepunkten, mehreren Spannungsfestpunkten und der Transformatorregelung
         5. dreipolige Kurzschlußstromberechnung unter Einbeziehung ubergeordneter Netze, einspeisender Generatoren und motorischer Belastung (Asynchron- und Synchronmotoren)
         6. Untersuchung des einfachen Storungsfalles unter Berucksichtigung des Schließens von Trennstellen
         7. Uberprufung der Varianten und Ausbaustande auf Einhaltung der vorgegebenen technischen Bedingungen
         8. Berechnung der Aufwandskennziffer fur jede Variante
         9. Vergleich der Varianten hinsichtlich Gesamtaufwand und Auswahl der gunstigsten Varianten
         10. Ausgabe und Darstellung der Ergebnisse der einzelnen Programmteile.
        

1.2. Programmablauf

    Die Programmabarbeitung erfolgt in drei Phasen:
         1. Durchrechnung des Ausgangsnetzes
                 — Leistungsflußberechnung
                 — Kurzschlußstromberechnung
                 — Storungsfallberechnung
                 — Ergebnisausgabe.
         2. Automatische Kombination der vorgegebenen zeitabhangigen variablen Maßnahmen zur Ermittlung des optimalen Netzausbaus. Hierbei werden die technischen und okonomischen Berechnungen in verkurzter Form ohne Ergebnisdarstellung durchlaufen und die optimale Ausbauvariante zusammengestellt.
         3. Komplette und exakte Durchrechnung der endgultigen Ausbauvariante
                 — Leistungsflußberechnung
                 — Kurzschlußstromberechnung
                 — Storungsfallberechnung
                 — Aufwandsberechnung
                 — Variantenvergleich
                 — Ausgabe der Ergebnisse.
    

2. Mathematisches Modell

2.1.Leistungsflüßberechnung

2.1.1 Rechenverfahren

    Die Leistungsfluszlig;berechnung, d.h. die Ermittlung der Strom und Spannungsverteilung, ist die allgemeine Grundlage fur Planungsuntersuchungen. Fuhrt man eine geeignete Impedanzumrechnung ein, erhalt man auch bei unterschiedlichen R/X-Verhaltnissen der Verbindungselemente (Freileitungen, Kabel, Transformatoren) fur Netze der Verteilungsebene nur geringe Abweichungen zwischen den Ergebnissen der reellen Leistungsflußberechnung und den Ergebnissen der exakten komplexen Berechnungsmethode.     

Grundlage des mathematischen Verfahrens sind bei vorgegebenen Leistungen Si an den Knotenpunkten mit dem Index II (meist Verbraucherknotenpunkte) und festen Spannungswerten Uj an den Knotenpunkten mit dem Index I (meist Einspeiseknotenpunkte) folgende Gleichungen der Knotenpunkt-Iterationsmethode [3]:

     Wird (1) aufgelost nach den unbekannten Vektoren SI und UII, so ergeben sich daraus die Matrizengleichungen des Leistungsflußmodells, wie sie im Programm verwendet werden.

    v - Iterationsindex,
     UD, I, UD, II - Diagonalmatrizen mit den Elementen der Spannungsvektoren uI bzw. uII in der Hauptdiagonale.
     Die Elemente der Leitwertmatrix Y werden aus den Impedanzwerten Zik der Verbindungselemente gebildet:

    Wegen des nichtlinearen Charakters von (1) bei Vorgabe von SII und uI erfolgt die Losung von (2) und (3) jeweils innerhalb eines Iterationsprozesses. Fur die direkte Losung von (2) wird der Gaußische Algorithmus in Verbindung mit dem Verfahren der "Geordneten Elimination" verwendet und damit die explizite Berechnung der inversen Admittanzmatrix

umgangen.

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