Schutztechnische Verfahren zur Erhöhung der Systemsicherheit beim Netzwiederaufbau

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-04-03
Issue Year
2023
Authors
Jaworski, Michael
Editor
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-636-7
Abstract

The electrical power system represents a critical infrastructure our modern society heavily relies on. The network of dependencies that originate from it permeates almost all of the other infrastructure sectors that exist next to it, thereby justifying the fundamental importance of its integrity. The collapse of an electrical power system, known as a blackout, develops considerable negative effects on the economic and humanitarian constitution of a society affected by it, depending on the duration of its effect and its topological dimension. Ultimately, power system restoration reflects the only solution to that problem. However, this is a complex process, during which the system is in a state of significantly increased vulnerability compared to its normal operation. The knowledge base for the same process exists primarily in the form of system restoration plans and dedicated strategy concepts, which are not accessible to the public for good reason. This limited access to publicly available knowledge complicates the progress made within the framework of scientific discourse regarding this subject area. The development and use of a real-time capable, modular power system restoration simulator represent a methodical initiative to deepen the research work on this topic. Based on the scope of investigation that opens up in this way, the focus should be primarily on the development of application experience and increased transparency with regard to the strategic implementation of power system restoration processes. However, scientific history shows that, in addition to some answers, primarily new questions arise from a deeper insight into a situation. Against this background, four problem areas are to be addressed by four developed solution approaches. The first problem subject relates to the aspect of protection technology in the form of a macroscopic perspective. Since protection concepts are usually tailored to a reference operating scenario, which is usually the same as planned normal operation, an analysis of the protection system behavior in the face of power system restoration is essential. A protection security assessment system developed as part of this work is used to evaluate the functionality of the installed protection system during all stages of the restoration process based on simulations in a fully automated procedure. This opens up the possibility of a targeted elimination of identified problem areas.

Abstract

Das System der elektrischen Energieversorgung fungiert als zentrales Element im Gefüge der kritischen Infrastrukturen, und ist damit für die Aufrechterhaltung der Kernprozesse unserer modernen Gesellschaft essenziell. Sein topologisch weiträumiger Zusammenbruch im Kontext eines Blackouts äußert sich in beträchtlichen negativen Auswirkungen auf die wirtschaftliche und humanitäre Konstitution der Gesellschaft. Die erfolgreiche Umsetzung des Netzwiederaufbaus spiegelt die einzige Lösung dieses Problems wider. Die Wissensbasis um selbiges Verfahren existiert hierbei vornehmlich in Form von Netzwiederaufbauplänen und Strategiekonzepten, welche sich aus begründetem Anlass dem Zugriff der Öffentlichkeit entziehen. Jener eingeschränkte Wissenszugriff von Seiten der Allgemeinheit erschwert den im Rahmen des wissenschaftlichen Diskurses erarbeiteten Fortschritt innerhalb dieses Themengebietes. Vor diesem Hintergrund verfolgt diese Arbeit zwei Ziele. Zum einen soll sie einen Einblick in die Methodik des Netzwiederaufbaus eröffnen und auf diesem Wege Transparenz hinsichtlich dessen strategischer Umsetzung schaffen. Dies gelingt anhand der Entwicklung eines echtzeitfähigen Netzwiederaufbausimulators, welcher zur Erarbeitung und Diskussion einer offenliegenden Wissensbasis eingesetzt wird, ohne dabei schützenswerte Informationen zu gefährden. In ihrer zweiten Zielsetzung strebt diese Arbeit die Bereitstellung von vier schutztechnischen Verfahren an, welche die Systemsicherheit beim Netzwiederaufbau erhöhen und somit einen Beitrag zu dessen rascher und zuverlässiger Umsetzung liefern. Hierbei werden unterschiedliche Problemschwerpunkt adressiert. Das entwickelte Protection Security Assessment System wird eingesetzt, um die Funktionsweise der installierten Schutztechnik während sämtlicher Etappen des Netzwiederaufbaus simulationsbasiert zu prüfen, die Schutzreaktion einer Bewertung zu unterziehen und dadurch die zielgerichtete Behebung identifizierter Schwachstellen zu ermöglichen. Der Problematik überlastbedingter Ausfallkaskaden soll durch das Verfahren des Proaktiven Überlastschutzes begegnet werden, um den Rückfall bereits wiederaufgebauter Teilsysteme in den Blackout zu verhindern. Zudem stützt ein neuartiges Verfahren zur Erkennung von Sympathetic-Transformer-Inrush-Ereignissen die Resilienz des Systems durch die Unterbindung unerwünschter Schutzüberfunktionen. Im Zuge der Transformation des Energiesystems verringert sich die Anzahl netzbildend wirkender Synchronmaschinen konventioneller Kraftwerke, wodurch die für den Netzwiederaufbau elementare Ressource der Bereitstellung von Spannungsreferenzsystemen schwindet. Abhilfe bietet hierbei die vorgestellte Orbitalraumregelung, durch welche die Umrichter von HGÜ-Kopfstationen und große Parks aus dezentralen Energieumwandlungsanlagen mit Speicherelementen als netzbildende Elemente mit ausgeprägtem Fokus auf den Aspekt der Systemstabilisierung fungieren.

Series
FAU Studien aus der Elektrotechnik
Series Nr.
19
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-635-0
Faculties & Collections
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