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Untersuchung der Lastprofile von Niederspannungsnetzbezirken

Dipl.-Ing. N. Dyussembekova1, Prof. Dr.-Ing. M. Kurrat1, Dr.-Ing. H. Waitschat2 Technische Universität Braunschweig, Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energieanlagen, Schleinitzstr. 23, 38106 Braunschweig, Germany, Tel.: +49 531 391 7737, E-Mail: [email protected], www.htee.tu-bs.de EN|BS Energienetze Braunschweig GmbH, Taubenstraße 7, 38106 Braunschweig, Germany, Tel.: +49 531 383 2136, www.enbs.de

Kurzfassung: Zukünftig wird eine verstärkte Einbindung von Erneuerbaren Energien und dezentralen Erzeugern mit Kraft-Wärme-Kopplung in das Niederspannungsverteilnetz erwartet. Die Auswirkungen auf die Lastflüsse können z.B. durch Verringerung der Lastspitzen durchaus positiv sein. Es kann aber auch durch zeitgleiche Einspeisung zu Lastflussverschiebungen und sogar zu Rückspeisungen in das Mittelspannungsnetz führen. Um die Effekte in Niederspannungsbezirken quantifizieren zu können, müssen Annahmen über Lastprofile getroffen werden. Dazu werden üblicherweise die VDEW Lastprofile herangezogen. Ziel dieser Arbeit ist der Vergleich von gemessenen Lastprofilen in Niederspannungsbezirken mit den VDEW-Haushalts-Standardlastprofilen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Verbrauchergruppen. Damit können Aussagen zur Qualität der Modellbildung hinsichtlich der Lastprofile für zukünftige Untersuchungen getroffen werden. Schlüsselwörter: VDEW Lastprofile, Verbrauchergruppen, Niederspannungsbezirk Daten des untersuchten Netzes Der untersuchte Netzbezirk besteht aus fünf Teilnetzen einschließlich der Verkabelung von 468 Hausanschlüssen mit insgesamt 646 Zählern. In diesem Netzbezirk wurden im Jahr der Messung ca. 2 Mio. kWh elektrische Energie verbraucht. Die Besonderheit dieses Netzbezirks ist das Vorhandensein von Nachtspeicherheizungen. Für die genauen Untersuchungen des Lastflusses eignet sich in besonderer Weise ein begrenztes Siedlungsgebiet, von dem die Verbrauchsdaten während eines ganzen Jahres aufgezeichnet vorlagen. Es wurden aus der kartographischen Darstellung des Netzbezirks (Bild 1) die für die elektrische Simulation benötigten Daten ermittelt und für das in dieser Arbeit verwendete Netzberechnungsprogramm NEPLAN aufbereitet.

2 1

Bild 1: Kartografische Darstellung des Netzbezirks Tabelle 1: Anzahl aller Zählerstelle und der mit Nachtspeicherheizungen in den Teilnetzen Teilnetz Gesamte Anzahl der Davon Anzahl der darunter Zählerstelle Zählerstelle für Gewerbebetriebe Nachtspeicherheizungen Teilnetz 1 153 15 12 Teilnetz 2 111 1 Teilnetz 3 104 Teilnetz 4 136 7 8 Teilnetz 5 142 11 2 Die Tabelle 1 zeigt die Anzahl der Hausanschlusszähler, Nachtspeicherheizungen und Gewerbebetriebe für jedes Teilnetz. Der Leistungsbedarf jedes Teilnetzes an einem Wintertag wird im Bild 2 vorgestellt. An dem großen Leistungsbezug der Teilnetze 1, 4 und 5 im Zeitraum 22.00-06.00 Uhr kann man erkennen, dass dort Nachtspeicherheizungen vorhanden sein müssen.

250 kW 200

Teilnetz 1 Teilnetz 2 Teilnetz 3 Teilnetz 4 Teilnetz 5

Leistung

150

100

50

0 0:15

4:00

7:45

11:30 Uhrzeit

15:15

19:00 hh:mm 22:45

Bild 2: Leistungsbedarf der Teilnetze an einem Winterwerktag (Viertelstundenwerte) Untersuchungen der Lastprofile von verschiedenen Verbrauchern Die Untersuchungen der Lastprofile der Niederspannungsteilnetze wurden unter Berücksichtigung der Verbraucherstruktur durchgeführt. Die Art der Kunden ist unterschiedlich. Es gibt verschiedene Arten von Verbrauchern mit unterschiedlichen Leistungsbedarf: Haushalt, Gewerbebetriebe, sonstige und Wärmespeicheranlagen. In dieser Arbeit wurden nur Haushalte als Verbrauchergruppe (VG) betrachtet, die sich wie folgt zusammensetzen [1], [3]: Grundbedarf (VG1): Die elektrische Energie wird für Beleuchtung sowie für größere Verbraucher wie Waschmaschinen verwendet. Teilelektrisch (VG2): Zusätzlich zum Grundbedarf wird elektrische Energie zum Kochen verwendet. Die Spitzenleistung beträgt 8 kW. Vollelektrisch (VG3): Der elektrische Energiebedarf entspricht der teilelektrischen Verbrauchergruppe. Zusätzlich wird Trinkwarmwasser mit einer elektrischen Trinkwarmwasserbereitung bereitgestellt. Der elektrische Energiebedarf erhöht sich dadurch am Morgen und am Abend. Die Spitzenleistung kann bis 30 kW betragen. Allelektrisch (VG4): Der elektrische Energiebedarf ist wie bei vollelektrischer Versorgung und wird zusätzlich durch Nachtspeicherheizungen ergänzt. Der Spitzenlastanteil einer Wohneinheit in Wohngebieten kann nach praktischen Erfahrungen im Durchschnitt wie folgt entsprechend der Verbrauchergruppen angenommen werden (Tabelle 2).

Tabelle 2: Spitzenleistung einer Wohneinheit und Gleichzeitigkeitsfaktor [1] Die Verbrauchergruppe Spitzenleistung Gleichzeitigkeitsfaktor P in kW g Grundbedarf (VG1) 5 0,15 ... 0,20 Teilelektrisch (VG2) 8 0,12 ... 0,15 Vollelektrisch (VG3) 30 0,006 ... 0,007 Allelektrisch (VG4) 15...18 ca. 0,7

Für eine Berechnung und Simulation des Netzbezirkes wurden die Verbrauchergruppe VG2 und VG4 ausgewählt. Der Spitzenlastanteil PS(n) wurde unter Berücksichtigung der Spitzenleistung einer Wohneinheit P und des von der Zahl der Wohneinheiten abhängigen Gleichzeitigkeitsfaktors g(n) berechnet [2]. Für ein Teilnetz mit n Verbrauchern wendet man die folgenden Formeln an: PS(n)= g(n) *P *n, g(n)=g + (1 - g)* n-3/4 Für ein Mehrfamilienhaus (MFH) ergibt sich dann der Spitzenlastanteil näherungsweise zu PS(m) = g(n)*P*m, mit n: Anzahl der betrachteten Wohneinheiten im Teilnetz; m: Anzahl der Wohneinheiten in einem Mehrfamilienhaus. Untersuchungen von Niederspannungsnetzbezirken mit NEPLAN NEPLAN wird bei der Analyse, der Planung, der Optimierung und der Verwaltung von Energieversorgungsnetzen, Gas- und Wassernetzen verwendet. Durch die Verwendung zeitabhängiger Skalierungsfaktoren und den VDEW-Lastprofilen kann das Verfahren der Lastflussberechnung noch weiter verfeinert werden. Weiterhin gibt es die Möglichkeit Kurzschlussstromberechnungen, Spannungsstabilitätsprüfungen, Ausfallrechnungen und Zuverlässigkeitsanalysen durchzuführen. Mit Hilfe von NEPLAN soll zu einem späteren Zeitpunkt die Veränderung des Lastflusses untersucht werden, wenn die Teilnetze mit Blockheizkraftwerken ausgestattet werden. Aus diesem Grund werden Lastflussberechnungen unter Berücksichtigung der Lastprofile des VDEW für jede Jahreszeit (Winter, Sommer und Übergangszeit) und für unterschiedliche Wochentage (Werktag, Samstag und Sonntag) durchgeführt. Beispielhaft werden im folgenden Bild die sich ergebenden Elemente von NEPLAN beschrieben. (Bild 3). (3) (1) (2)

u=100,00 %

P=-16,113 kW

3

u=99,94 %

NAYY 4x150 0,025 km

u=99,91 %

u=99,87 %

1 4

NAYY 4x150 0,038 km

NAYY 4x150 0,051 km

2

A

P=10,500 kW

B

P=1,120 kW

C

P=4,480 kW

Bild 3: Darstellung eines Beispielsnetzausschnittes in NEPLAN 1: Netzeinspeisung 20/0,4 kV 2: Last oder Verbraucher 3: Knotenspannung in % gemäß der Lastflussberechnung 4: Typ und Länge der Kabel. Verbraucher A stellt ein Einfamilienhaus dar und gehört zur allelektrischen Verbrauchergruppe VG4. Die Spitzenleistung und der Gleichzeitigkeitsfaktor sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der Spitzenlastanteil wurde mit den Formeln (1.1) und (1.2) berechnet. Die Spitzenleistung liegt bei 15 kW und der Gleichzeitigkeitsfaktor wird mit 0,7 angenommen. Verbraucher B stellt ein Einfamilienhaus (EFH) der VG2 (Teilelektrische Verbrauchergruppe) dar. Die Spitzenleistung liegt bei 8 kW und der Gleichzeitigkeitsfaktor g (n) beträgt in diesem Fall 0,14 ( g () = 0,12 und n = 104 Wohneinheiten in Teilnetz 3). Der Spitzenlastanteil beläuft sich auf 1,12 kW wie im Bild 3 veranschaulicht wird. Bei Verbraucher C handelt es sich um ein Mehrfamilienhaus (MFH) mit 4 Wohneinheiten der VG2 (Teilelektrische Verbrauchergruppe). Der Spitzenanteil wurde erneut gemäß den Formeln (1.1) und (1.2) sowie unter zusätzlicher Verwendung der Formel (1.3) berechnet und beträgt 4,48 kW. Vergleich der gemessenen und simulierten Daten Die von der Energienetze Braunschweig GmbH gemessenen Daten wurden mit den simulierten Ergebnissen verglichen und einer Korrelationsrechnung unterzogen. Der Korrelationskoeffizient (rxy) ist ein dimensionsloses Maß für den Grad des linearen Zusammenhangs zwischen zwei Kurven. Er kann lediglich Werte zwischen -1 und +1 annehmen [4].

n

rxy =

(x

i =1 n

i

- x)( y i - y )

n 2

(4)

i

(x

i =1

i

- x)

(y

i =1

- y)

2

Das Ergebnis der Korrelationsrechnung wird einem der folgenden drei Bereiche zugeordnet:

rxy <0,5

0,5 rxy <0,8

Schwacher Zusammenhang Mittlerer Zusammenhang Starker Zusammenhang

rxy 0,8

140,0 kW 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0:15

Leistung

Gemessene Daten Simulierte Daten 4:00 7:45 11:30 Zeit 15:15 19:00 hh:mm 22:45

Bild 4: Vergleich der gemessenen und simulierten Daten vom Teilnetz 3 der VG2 Im Bild 4 wurden die gemessenen und simulierten Daten von Teilnetz 3 für einen Winterwerktag verglichen. Das Teilnetz 3 gehört zur teilelektrischen Verbrauchergruppe (VG2), das bedeutet keine Nachtspeicherheizung ist vorhanden. Weiterhin ist wichtig, dass es in diesem Teilnetz keine Gewerbebetriebe gibt. Deshalb wurde das Teilnetz 3 als Modellteilnetz ausgewählt. Die Ergebnisse nach dem Vergleich der gemessenen mit den VDEW-Lastprofilen im Teilnetz 3 werden für die Untersuchungen anderer Teilnetze verwendet. Bei der Berechnung wurden die Spitzenleistung gleich 8 kW (Tabelle 2), der Gleichzeitigkeitsfaktor g(n) = 0,147 (Formel 2) und die Anzahl der Wohneinheiten zu 104 gewählt. Für die anderen Typtage nach VDEW wurden ebenfalls die Lastprofile ermittelt.

1,00 0,90 0,80 Korrelationskoeffizient 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 We Winter Sa So We Übergang Sa So Typtage We Sommer Sa So

Bild 5: Korrelationskoeffizienten der gemessenen und simulierten Daten vom Teilnetz 3 der VG2 Bild 5 zeigt die Mittelwerte der Korrelationsrechnungen zwischen allen gemessenen und simulierten Kurven der teilelektrischen Verbrauchergruppe VG2 (Bild 4) für Winter-, Übergangs- und Sommertage. Die Korrelationskoeffizienten betragen zwischen 0,82 und 0,94. Diese gute Übereinstimmung bestätigt wie erwartet die VDEW-Lastprofile und erlaubt ihre Anwendung ohne Einschränkungen. Allerdings sind in den VDEW Lastprofilen keine Nachtspeicherheizungen vorgesehen. Diese ergeben jedoch in einigen Teilnetzen einen deutlichen Beitrag zum Lastprofil. Daher wurde aus den gemessenen Daten von Teilnetzen mit Nachtspeicherheizung ein Nachspeicherlastprofil abgeleitet. Dieses soll zur Bestimmung des Gesamtlastprofils zusammen mit den VDEW-Lastprofilen eingesetzt werden. In Teilnetzen 1, 2, 4 und 5 wurde das Vorhandensein von Nachtspeicherheizung festgestellt. Für die Ableitung der Nachtspeicherheizungslastprofile wurde Teilnetz 5 gewählt, weil dort die Anzahl der Gewerbebetriebe geringer ist, als in den Teilnetzen 1, 4 und die Anzahl von Nachtspeicherheizungen ist um ein Vielfacher größer, als in den Teilnetzen 2 und 4. Nach dem Vergleich der Kurven von Winter- und Übergangstagen zwischen Teilnetz 3 (teilelektrische Verbrauchergruppen VG2) und Teilnetz 5 (allelektrische Verbrauchergruppe VG4) wurde die folgende Kurve für Nachtspeicherheizungen im Zeitraum von 22.00 Uhr bis 06.00 Uhr festgestellt, weil in dieser Zeit die Nachtspeicherheizung betrieben wird. Diese Verläufe sollen nach der Glättung für weitere Simulationen der allelektrischen Verbraucher verwendet werden.

200 kW 160 Leistung der Teilnetze 3 und 5

Teilnetz 3 Teilnetz 5 Nachtspeicherheizung

10 kW 8 Leistung der Nachtspeicherheizung

120

6

80

4

40

2

0 0:15 -40

0 4:45 9:15 13:45 18:15 hh:mm 22:45 -2 Zeit

Bild 6: Die gemessenen Daten von Teilnetzen 3 und 5 und das abgeleitende Lastprofil der Nachtspeicherheizung für einen Wintersonntag. Das Lastprofil für die Nachtspeicherheizung ist das Ergebnis der Differenz zwischen den Leistungen von Teilnetz 5 und 3 unter Berücksichtigung der Anzahl der Wohneinheiten in diesen Teilnetzen, geteilt durch die Anzahl der Zählerstelle mit Nachtspeicherheizungen.

PNSP =

mit

P5 -

n5 * P3 n3

nNSP

(5)

P3 , P5 und PNSP : die Leistungen von Teilnetz 3, 5 und der Nachtspeicherheizungen, kW; n3 , n5 und nNSP : die Anzahl der Wohneinheiten der Teilnetzen 3, 5 und der mit

Nachtspeicherheizungen. Die Lastprofile für alle Wintertage und Übergangstage werden gemittelt. Die Differenz zwischen den Leistungen von Teilnetz 5 und 3 wird aus den gemittelten Lastprofilen nach Formel 5 ermittelt. In der Zeit zwischen 6 Uhr und 22 Uhr zeigt dann die Kurve einen wesentlich ruhigeren Verlauf, als im Bild 6. Die Lastprofile für die Nachtspeicherheizungen wurden auf Basis der gemessenen Daten der Winter- und Übergangszeittyptage eines Jahres für die Zeit zwischen 22 Uhr und 6 Uhr ermittelt. Die Kurven werden im folgenden Bild 7 vorgestellt.

1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 P/Pmax 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 0:00

Winter, Werktag Winter, Samstag Winter, Sonntag Übergangszeit, Werktag Übergangszeit, Samstag Übergangszeit, Sonntag

3:45

7:30

11:15 Zeit

15:00

18:45 hh:mm 22:30

Bild 7: Die Lastprofile von Nachtspeicherheizungen für den Winter und die Übergangszeit Bild 7 zeigt, dass die Lastprofile für Winterwerktag, Wintersamstag und Wintersonntag einen ähnlichen Verlauf aufweisen. Deshalb kann man einen Mittelwert von diesen Kurven für Wintertage bilden. Dasselbe kann man für die Übergangszeit machen. Die Ergebnisse zeigt folgendes Bild 8.

1 0,9 0,8 0,7 Übergangszeit 0,6 P/Pmax 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0:00 3:45 7:30 11:15 Zeit 15:00 18:45 hh:mm 22:30 Winter

Bild 8: Durchschnittliche Lastprofile für Nachtspeicherheizungen. Mit den Lastprofilen für Nachtspeicherheizungen (Bild 8) und den VDEW-Lastprofilen für Haushalte wurden die Daten von Teilnetz 5 in NEPLAN simuliert und mit gemessenen Daten verglichen. Die Spitzenleistung für Nachtspeicherheizungen beträgt 15 kW. Der

Gleichzeitigkeitsfaktor ist Nachtspeicherheizungen.

180 kW 160 140 120 Leistung 100 80 60 40 20 0 0:15 4:00

gleich

0,137

für

den

Haushaltsteil

und

0,75

für

die

Simulierte Daten mit Nachtspeicherheizungslastprofil Gemesene Daten Simulierte Daten ohne Nachtspeicherheizungslastprofil

7:45

11:30 Zeit

15:15

19:00 hh:mm 22:45

Bild 9: Vergleich gemessener und simulierter Daten mit und ohne Nachtspeicherheizungen des Teilnetzes 5 (VG4) für einen Winterwerktag Bild 9 zeigt die gemessenen Lastprofile und simulierten Kurven des Teilnetzes 5 mit einem ergänzten Nachtspeicheranteil zum Vergleich mit simulierten Daten ohne Nachtspeicherheizung. Auch für dieses Teilnetz wurden die Korrelationskoeffizienten bestimmt (Bilder 10,11).

1,00 0,90 0,80 Korrelationskoeffizient 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 We Winter Sa So We Übergang Sa So Typtage We Sommer Sa So

Bild 10: Korrelationskoeffizienten der gemessenen und simulierten Daten mit den Nachtspeicherheizungen des Teilnetzes 5 für die allektrische Verbrauchergruppe (VG4)

In Bild 10 werden die Mittelwerte der Korrelationskoeffizienten für ein ganzes Jahr entsprechend den VDEW-Typtagen dargestellt. Im Sommer steigt der Korrelationskoeffizient bis 0,92 an, deshalb wurde kein Lastprofil für Nachtspeicherheizungen im Sommer vorgesehen. In den Winter- und Übergangszeiten liegt der Korrelationskoeffizient zwischen 0,7 und 0,84. Dieser Wert wird als ausreichend gut bei geringem Mehraufwand für die Definition der Lastprofile angesehen. Dieser Wert ist deutlich besser, als der Korrelationskoeffizient der gemessenen Daten und simulierten Daten ohne Nachtspeicherheizungslastprofile des Teilnetzes 5. Dieser beträgt durchschnittlich 0,4. Zur Überprüfung der Datenqualität wird ein getrennter Vergleich der Korrelationskoeffizienten für den Zeitraum von 22 Uhr bis 6 Uhr vorgenommen. Der Korrelationskoeffizient zwischen den Kurven der gemessenen und simulierten Daten mit Nachtspeicherheizungen für den Zeitraum von 22.00 bis 06.00 Uhr ist im nachfolgenden Bild 11 dargestellt.

1

0,8 Korrelationskoeffizient

0,6

0,4

0,2

0 We Winter Sa So We Übergang Sa So

Bild 11: Die Korrelationskoeffizienten von Nachtspeicherheizungskurven im Zeitraum 22.0006.00 Uhr. Die Korrelationskoeffizienten von reiner Nachtspeicherheizung im Bild 11 sind höher, als im vorgehenden Bild 10. Die Übereinstimmung der Kurven mit der Nachtspeicherheizung hängt nicht nur von Lastprofilen, sondern auch von der Außentemperatur ab. Mit diesen Korrelationskoeffizienten ist es zulässig, die Nachtspeicherheizungslastprofile für weitere Untersuchungen zu verwenden. Zu einem späteren Zeitpunkt soll untersucht werden, wie sich der Einsatz von BHKW in verschiedenen Teilnetzen auf die Lastflüsse auswirkt. Zusammenfassung Nach dem Vergleich der gemessenen Daten von Teilnetz 3 und Teilnetz 5 wurde ein Lastprofil für Nachtspeicherheizungen für Winter- und Übergangstyptage abgeleitet. Diese kann man für weitere Untersuchungen der allelektrischen Verbrauchgruppe (VG4) verwenden. Mit den VDEW-Lastprofilen und Lastprofilen für Nachtspeicherheizungen sollen in Zukunft die Auswirkungen der dezentralen Erzeuger auf das Nieder- und Mittelspannungsnetz bestimmt werden.

-

-

-

Die gute Übereinstimmung von den Ergebnissen von den Vergleichen der gemessenen und simulierten Daten gibt eine Möglichkeit zur Untersuchung der Teilnetze mit BHKW im Programm NEPLAN. Der Fehler für die Spitzenleistung ist durch die Verwendung des Gleichzeitigkeitsfaktors in den Stichleitungen nahe den Hausanschlüssen am größten. Allerdings ist die Auslastung der Zuleitung dort am geringsten und der Fehler somit tolerierbar. Für die Hauptringleitungen wird dahingegen durch die Bündelung aller Stichleitungen der Fehler vernachlässigbar. Die Auslastung kann dort bei Verwendung des Gleichzeitigkeitsfaktors bestimmt werden.

Literaturverzeichnis 1. Kaufmann Wolfgang , Planung öffentlicher Elektrizitätsverteilungs-Systeme, VDEVerlag GMBH, 1995 2. Hartig Ralf, Untersuchungen zur Optimierung des Energiemanagementes im Privatkundenbereich, Dissertation, Technische Universität Chemnitz, 2001 3. Planung und Betrieb städtischer Niederspannungsnetze, VDEW-Verlag Frankfurt am Main, 1984 4. Schulz Christian, Systembetrachtung zur Integration von Mini-Blockheizkraftwerken in das elektrische Versorgungsnetz, Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2007

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