Optimierung der Umbauplanung großstädtischer Mittelspannungsnetze - Consentec
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ENERGIEMARKT – KONZEPTE UND MODELLE
Optimierung der Umbauplanung großstädtischer
Mittelspannungsnetze
Mustafa Akgül, Thomas Gündel, Christian Linke und Jessica Reher
Wie viele Verteilungsnetzbetreiber steht auch Stromnetz Hamburg vor der Herausforderung, die zu wesentlichen Teilen
in den 1960er und 1970er Jahren verlegten Stromleitungen in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten zu erneuern. Der
umfangreiche Modernisierungsbedarf bietet die Chance, optimierte Netzkonzepte zu erarbeiten und in vergleichsweise
überschaubarer Zeit im Rahmen der Erneuerung auch tatsächlich umzusetzen.
Grundsätzliche aktuelle bend hohe Anspruch an eine zuverlässige dingungen für die Umsetzung der Erneue-
Anforderungen und kostengünstige Stromversorgung füh- rungsmaßnahmen. Diese drücken sich z. B.
ren dazu, dass die Aufgabe der Netzpla- in einer Begrenzung der Zahl der zeitgleich
Der rechtliche Handlungsrahmen der Ver- nung zunehmend komplexer wird. Für den zulässigen Baustellen aus.
teilungsnetzbetreiber wird in hohem Maße Umgang mit diesen Herausforderungen
durch das Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) setzt Stromnetz Hamburg (SNH) verstärkt Wie erste Erfahrungen aus der Planungs-
und nachgelagerte Verordnungen bestimmt. auf Digitalisierung und sucht nach Möglich- praxis zeigen, ist die Bestimmung eines
Neben den Anforderungen im EnWG beste- keiten, die vielfältigen Planungsaufgaben in technisch zulässigen und kostengünstigen
hen Anforderungen seitens der Konzessi- effizienter Weise bewältigen zu können. Umbauplans zum Übergang von bestehen-
onsgeber, in diesem Fall der Freien und Han- den auf angepasste Zielnetzstrukturen sehr
sestadt Hamburg [1, 2]. Hamburg ist eine Bereits seit den 1990er Jahren wird zuneh- herausfordernd und mit erheblichem manu-
wachsende Stadt, dies wurde bereits 2001 mend an Verfahren zur rechnergestützten ellen Planungsaufwand und entsprechend
im Stadtentwicklungskonzept dargestellt. Zielnetzoptimierung gearbeitet. Diese mitt- hohem Personalaufwand verbunden. Vor
Bevölkerungszuwachs und Schaffung neuer lerweile vielfach praxiserprobten Anwen- dem Hintergrund dieser Überlegungen und
Arbeitsplätze erfordern eine Erweiterung dungen liefern wertvolle Hinweise für eine Erkenntnisse arbeiten SNH und Consentec
und Anpassung der bestehenden Stromnetze. langfristig optimale Netzgestaltung, bieten aktuell gemeinsam an Methoden für eine
allerdings keine Unterstützung beim Auf- rechnerbasierte Unterstützung der Netz-
Parallel dazu führt die Energiewende, die finden eines konkreten Umbauplans. Bis- umbauplanung, wobei der Fokus auf den
mit verstärktem Einsatz von Sektorkopp- her war hierfür auch kaum Bedarf vorhan- Netzen der Mittelspannungsebene liegt.
lungsanwendungen einhergeht, zu deutli- den, da bislang in den meisten Fällen nur
chen Veränderungen der Versorgungsauf- ein punktueller Ersatz von Betriebsmitteln Übergang von Mehrstrang-
gabe. Neben der Integration einer Vielzahl im Netz notwendig war. auf Einstrangspeisung
dezentraler Erzeugungsanlagen sind in den
nächsten Jahren und Jahrzehnten netzsei- Wie viele Verteilungsnetzbetreiber steht Ausgangspunkt waren optimierte Planungs-
tige Anpassungen infolge der Elektrifizie- nun aber auch SNH vor der Herausforde- grundsätze, die SNH und Consentec in der
rung des Verkehrs, des verstärkten Über- rung, die zu wesentlichen Teilen in den Vergangenheit erarbeitet haben. Diese opti-
gangs auf strombasierte Heizungstechnolo- 1960er und 1970er Jahren verlegten Strom- mierten Grundsätze sollen sukzessive im
gien, des verstärkten Einsatzes dezentraler leitungen in den nächsten ein bis zwei Jahr- Zuge altersbedingter Erneuerungen, lastzu-
Stromspeicher und der Nutzung von Flexibi- zehnten zu erneuern. Der Umfang der not- wachsbedingter Erweiterungen oder ander-
litätsoptionen erforderlich. wendigen Erneuerungsmaßnahmen und die weitig veranlasster Maßnahmen (z. B. auf-
Anzahl der Netzverstärkungsmaßnahmen grund von städtebaulichen Maßnahmen)
Gleichzeitig werden seitens der Bevölkerung infolge der oben genannten Veränderungen umgesetzt werden. Ein wesentlicher Unter-
stetig wachsende Anforderungen bezüglich der Versorgungsaufgabe werden damit im schied der neuen gegenüber den früheren
einer möglichst geringen Beeinträchtigung Vergleich zu den letzten Jahren erheblich Planungsgrundsätzen besteht in der Art und
des täglichen Lebens gestellt, beispiels- ansteigen. Insbesondere der umfangreiche Weise der Anbindung der unterlagerten Orts-
weise durch weniger Baustellen, sichtbare Erneuerungsbedarf bietet die Chance, die netze. Bei dem aktuell verfolgten Konzept der
Leitungstrassen und Eingriffe in die Natur. bestehenden Netzkonzepte zu überarbeiten Einstrangspeisung werden räumlich neben-
und tatsächlich in vergleichsweise über- einander liegende Ortsnetzstationen aus
Anforderungen an die schaubarer Zeit im Rahmen der Erneuerung ein und demselben Mittelspannungsabgang
Netzplanung umzusetzen. Gleichzeitig setzen allerdings versorgt, während sie bei dem früher ange-
– neben finanziellen Aspekten – vor allem wandten und in wesentlichen Teilen der heu-
Diese vielfältigen und kleinteiligen Verän- auch die zur Verfügung stehenden Pla- tigen Netze noch vorzufindendem Konzept
derungen sowie der weiterhin gleichblei- nungs- und Baukapazitäten harte Randbe- der Mehrstrangspeisung aus verschiedenen
ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE TAGESFRAGEN 71. Jg. (2021) Heft 4 13
ENERGIEMARKT – KONZEPTE UND MODELLE
lassen sich die Zuverlässigkeitseinbußen
eines Übergangs auf die Einstrangspeisung
bereits durch die gezielte Automatisie-
rung von drei Ortsnetzstationen pro Ring
(„3-Punkt-Automatisierung“) sehr weitge-
hend kompensieren. Die hierdurch entste-
henden Mehrkosten sind um ein Vielfaches
geringer als die Einsparungen, die sich
durch die verschlankten Netzstruktu-
ren erzielen lassen. Aus diesen Gründen
hat sich SNH, wie andere großstädtische
Verteilnetzbetreiber auch, entschieden,
zukünftig das Konzept der Einstrangspei-
sung in Verbindung mit verstärkter Auto-
matisierungstechnik umzusetzen.
Abb. 1 Gegenüberstellung eines Mittelspannungsnetzausschnitts (drei Ringe) in Mehrstrang- und Einstrang-
speisung
Gliederung der Zielnetz-
und Umbauplanung in
Mittelspannungsabgängen gespeist werden strangkonzept bietet also zumindest kon- drei Phasen
(Abb. 1). zeptgemäß ein höheres Zuverlässigkeits-
niveau als das Einstrangkonzept. Wie die Um die mit einem solchen Konzeptwechsel
Bei der Mehrstrangspeisung sind die erfor- Erfahrungen verschiedener Verteilnetz- verbundenen Umbauplanungen effizient vor-
derliche Ringlänge und damit auch die sich betreiber zeigen, treten allerdings in der nehmen zu können und dabei die im Zuge der
ergebenden Netzkosten systematisch erheb- Praxis hin und wieder Fehlfunktionen der Digitalisierung entstehenden Möglichkeiten
lich höher als bei der Einstrangspeisung. Dar- Maschennetzrelais auf, was in Kombinati- zu nutzen, wurde der in Abb. 2 dargestellte
über hinaus sind bei der Mehrstrangspeisung on mit einer nichtselektiven Sicherungs- dreiphasige Planungsprozess entwickelt.
aufwändigere Schutzeinrichtungen in den auslösung in den Ortsnetzen zu einem
Ortsnetzstationen (sog. Maschennetzrelais) Ausfall der gesamten von mehreren Mittel- Die erste Phase dient der Bestimmung op-
erforderlich, um eine rückwärtige Speisung spannungssträngen gemeinsam gespeisten timaler Netzstrukturen mit dem Ziel, die
von Fehlern in einem Mittelspannungsab- Ortsnetze führen kann, in dessen Folge benötigte Trassen-/Leitungslänge zu mini-
gang über die Ortsnetze aus einem anderen unter Umständen stunden- bis tagelange mieren. Die Abweichungen zwischen den
Mittelspannungsabgang zu verhindern. Fehlersuch- und Netzaufbaumaßnahmen bestehenden mehrstranggespeisten Netzen
erforderlich sein können. und den für die Zukunft gemäß aktuellen
Wenn das Niederspannungsnetz – wie in Planungsgrundsätzen angestrebten ein-
solchen Fällen üblich – als Maschennetz Ein Übergang von der Mehrstrang- auf die stranggespeisten Zielnetzstrukturen fallen
aufgebaut ist und vermascht betrieben Einstrangspeisung eröffnet also die Möglich- je nach Umspannwerks-Netzbereich deut-
wird, ergibt sich bei der Mehrstrangspei- keit, erhebliche Leitungslängen und damit lich unterschiedlich aus. Ein beispielhaftes
sung betriebliche Redundanz für Fehler in Kosten einzusparen, geht jedoch grundsätz- Ergebnis ist in Abb. 3 dargestellt. Mit Blick
der Mittelspannungsebene. Insbesondere lich mit einer Einbuße an Netzzuverlässig- auf die künftigen Erneuerungsplanungen
Einfachfehler auf Mittelspannungsleitun- keit einher. Letzterem kann allerdings durch nutzt SNH die Ergebnisse dieser ersten
gen führen hierbei nicht zu einer Versor- den Einsatz von Fernwirktechnik, der in den Phase auch dazu, eine Priorisierung dahinge-
gungsunterbrechung der an die Ortsnetze letzten Jahren üblicher und kostengünstiger hend vorzunehmen, welche Umspannwerks-
angeschlossenen Verbraucher. Das Mehr- geworden ist, entgegengewirkt werden. So bereiche vorrangig erneuert und auf die
neuen schlankeren Strukturen umgestellt
werden sollen. Diese Priorisierung erfolgt
u. a. danach, welcher Umfang an Kabeltras-
sen bei einer vollständigen Anpassung der
Netzstruktur an die optimierte Struktur
(theoretisch) eingespart werden kann.
Die zweite Phase dient einem Abgleich der
bestehenden Netze mit den Zielnetzen. Dabei
besteht das Ziel darin, die Zielnetzstruktur
möglichst weitgehend mit den bereits vor-
Abb. 2 Übersicht über die drei Phasen der Zielnetz- und Umbauplanung handenen Betriebsmitteln, soweit diese ein
vergleichsweise junges Alter aufweisen und
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damit noch lange genutzt werden können,
erreichen zu können (siehe Abb. 4). Junge
Leitungen sollen also möglichst weitgehend
weiter genutzt und die erforderlichen Um-
strukturierungen mit möglichst wenigen
„Ummuffungen“ vorgenommen werden kön-
nen. Hierbei ist zwischen der Zahl der erfor-
derlichen Ummuffungen und der Zahl und
Länge neu zu verlegender Leitungen abzu-
wägen.
Aufbauend auf den Ergebnissen der zweiten Abb. 3 Gegenüberstellung der Leitungsverläufe von Istnetz (blau) und Zielnetz (rot)
Phase soll in der dritten Phase eine praktisch
realisierbare Umsetzungsreihenfolge unter
Berücksichtigung praxisrelevanter Rand- entworfen. Abb. 3 zeigt das Ergebnis dieses noch auf längere Sicht nutzbaren Betriebs-
bedingungen wie z. B. der maximalen Zahl Schritts für ein beispielhaft ausgewähltes mittelbestands sinnvoll sind, ist Phase 2
gleichzeitig vorzunehmender Ummuffungen Umspannwerk. Hierin sind die bestehen- des oben dargestellten Planungsprozesses
(Zahl der erforderlichen Bautrupps), der zu den Leitungen (blau) und die des Zielnetzes gewidmet. In dieser Phase findet ein sys-
ersetzenden Kabelabschnitte mit Minderquer- (rot) gegenübergestellt. Die Anzahl der Mit- tematischer Abgleich des Leitungsbedarfs
schnitten und der gänzlich neu zu verlegen- telspannungsringe und damit die Zahl der im Zielnetz mit den bestehenden Leitungen
den Kabelabschnitte bestimmt werden. Leitungsabgänge im Umspannwerk liegen unter Beachtung der jeweils zu erwarten-
in diesem Netzbereich im Zielnetz gerade den Restnutzungsdauern statt. Als Ergeb-
Werkzeuge zur Unterstützung einmal halb so hoch wie im Istnetz. Die Ge- nis hierzu ist in Abb. 4 für den bereits oben
der Zielnetz- und Umbauplanung samtlänge der Leitungen ist im Zielnetz mit betrachteten Umspannwerksbereich dar-
rund 50 km sogar deutlich mehr als um den gestellt, welche der bestehenden und noch
Dieser Planungsprozess ist bei SNH für eine Faktor 2 geringer als im Istnetz mit gut 130 km. hinreichend jungen Leitungen im Zielnetz
hohe zweistellige Zahl von Umspannwerks- weiterverwendet werden können (grün),
bereichen zu durchlaufen. Rechnerbasierte Die so ermittelten Netze sind „Grüne-Wie- welche Leitungen entfallen können (blau)
Optimierungswerkzeuge sind deshalb ein se-Zielnetze“, die losgelöst vom bestehen- und welche Leitungen neu zu verlegen sind
wichtiges Hilfsmittel, um die bestehenden den Netz entworfen wurden. Ein Netzent- (rot).
Optimierungsspielräume identifizieren und wurf, der in einer Grüne-Wiese-Situation
die erforderlichen Planungsschritte in mög- kostenoptimal ist, muss bei zusätzlicher Be- In dem betrachteten Netzbereich kann im-
lichst effizienter Weise vornehmen zu können. rücksichtigung des Umbauaufwands vom merhin gut ein Drittel der Leitungen des
bestehenden hin zum Zielnetz keineswegs Zielnetzes 1:1 aus dem Istnetz übernommen
Hierzu wurde ein von Consentec für die Be- optimal sein. Es ist sogar wahrscheinlich, werden, rund zwei Drittel sind neu zu ver-
stimmung optimaler Zielnetzstrukturen für dass sich unter Berücksichtigung dieses legen und nahezu 80 % der Bestandsleitun-
Mittelspannungsnetze (Phase 1) entwickel- Aufwands Abweichungen von dem Grüne- gen können gänzlich entfallen. Bereits die-
tes Verfahren eingesetzt. Dieses Verfahren Wiese-Netz als vorteilhaft herausstellen. se einfache Gegenüberstellung zeigt, dass
entwirft für eine knotengenau beschriebene zwar neue Leitungen erforderlich sind, um
Versorgungsaufgabe auf Basis individuell Der Frage, inwieweit Anpassungen des die Zielstruktur zu erreichen, allerdings
parametrierbarer Vorgaben zu technischen Zielnetzes unter Berücksichtigung des auch ein erheblicher Teil der bestehenden
Randbedingungen (vor allem Strom- und vorhandenen und aufgrund seines Alters (jungen) Leitungen weiterverwendet wer-
Spannungsgrenzen) und Freiheitsgraden
der Netzplanung (z. B. bzgl. Netzstruktur,
Kabeltypen und -querschnitten) ein tech-
nisch zulässiges und gleichzeitig kostenop-
timiertes und von subjektiven Entschei-
dungen des Netzplaners unbeeinflusstes
Mittelspannungs-Zielnetz.
Ergebnisse der Ziel-
netzoptimierung
Unter Verwendung dieses Werkzeugs wur-
den für alle Umspannwerksbereiche des Abb. 4 Abgleich von Istnetz und Zielnetz
Mittelspannungsnetzes von SNH Zielnetze
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fügbaren Ressourcen (etwa der Anzahl zeitgleich
einsetzbarer Bautrupps) und der durch vorhan-
dene Kabelabschnitte mit Minderquerschnitten
eingeschränkten Flexibilität bei Ummuffungen.
Bei manueller Bearbeitung ist diese Aufgabe mit
sehr hohem Ressourcenaufwand verbunden, und
die bislang verfügbaren Werkzeuge unterstützen
hierbei nur Teilaufgaben, nicht jedoch eine weit-
reichende rechnergestützte Optimierung.
Consentec und SNH beabsichtigen daher, als
nächsten Schritt im Rahmen eines gemeinsamen
Abb. 5 Leitungslängen-Einsparpotenzial im Vergleich der Umspannwerke Forschungsprojekts eine in Form eines Optimie-
rungswerkzeugs implementierbare Methodik
zur Unterstützung der Netzplanung in dieser
den kann und ein erhebliches Verschlankungs- tung dieser Art ist eine wertvolle Grundlage für Phase des aufgezeigten Planungsprozesses zu
potenzial besteht. Der Übergang auf die neuen die Priorisierung von Erneuerungsmaßnahmen. entwickeln.
Strukturen bietet also auch unter Berücksichti-
gung des Betriebsmittelbestands ein erhebliches Ausblick auf Phase 3 Fazit
Einsparpotenzial.
Aufbauend auf den Ergebnissen der Phase 2 des Bereits die bisherigen Arbeiten haben ge-
Das Einsparpotenzial an Leitungslänge durch Planungsprozesses ist in Phase 3 die Aufgabe zeigt, dass sich im Rahmen der bevorste-
Übergang auf das Einstrangspeisungskonzept zu bewältigen, eine technisch zulässige, prak- henden Erneuerungswelle der Mittelspan-
unterscheidet sich für die verschiedenen Um- tisch umsetzbare und möglichst kostengünstige nungsnetze erhebliche Einsparpotenziale bei
spannwerksbereiche stark, wie Abb. 5 verdeut- Abfolge von Ausbau- und Umbaumaßnahmen zu Aufrechterhaltung des gewohnten Zuverläs-
licht. Ein besonders hohes Einsparpotenzial bestimmen, mit der ausgehend vom Istzustand sigkeitsniveaus erschließen lassen.
(links im Bild) ergibt sich in den Umspann- das Zielnetz erreicht werden kann.
werksbereichen, in denen im Istzustand durch- Aufgrund dieser vielversprechenden Ergeb-
gängig das Konzept der Mehrstrangspeisung Bei den bisherigen Arbeiten hierzu hat sich nisse soll im nächsten Schritt auch für die
umgesetzt ist. Insbesondere in diesen Gebieten herausgestellt, dass diese Aufgabe sehr komplex dritte, bei heutiger Praxis noch manuell zu
ist ein Übergang auf die deutlich schlankeren ist. Gründe hierfür sind u. a. die zu berücksich- bewältigende Aufgabe der konkreten Umbau-
Zielnetzstrukturen zu empfehlen. Eine Auswer- tigenden Randbedingungen hinsichtlich der ver- maßnahmenplanung eine Methodik zur rech-
nergestützten Optimierung entwickelt werden.
Verbände zur Vergabe der 450 MHz-Frequenz
Quellen
Am 09.03.2021 hat die Bundesnetzagentur der 450connect GmbH den Zuschlag für die 450 MHz-
Frequenzen erteilt. Durch die Zuteilung der 450 MHz-Frequenz an das Konsortium der Energie- und [1] Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt, „Wegenut-
Wasserwirtschaft endet der über dreijährige Vergabeprozess. Dazu erklären Kerstin Andreae, Haupt- zungsvertrag Strom (notariell beurkundete Fassung),“
geschäftsführerin BDEW und Ingbert Liebing, Hauptgeschäftsführer VKU: „Wir begrüßen, dass die 17.11.2014. Verfügbar unter: http://daten.transpa-
Bundesnetzagentur nun zügig zu einer Entscheidung gekommen ist und die 450 MHz-Frequenzen an renz.hamburg.de/Dataport.HmbTG.ZS.Webservice.
die Energie- und Wasserwirtschaft vergeben hat. Nach über dreijährigem Vergabeprozess kann nun GetRessource100/GetResource100.svc/a13aaee3-
endlich mit dem bundesweiten Ausbau und der Nutzung dieses wichtigen Funknetzes begonnen wer- 8b4d-4602-b5b9-a03878b88100/Akte_BR60.18-291.
den. Dies ist ein wichtiger Meilenstein, um die Energiewende weiter voranzubringen und gleichzeitig pdf. (Zugriff am 17.02.2021).
Versorgungssicherheit sowie den Schutz kritischer Infrastrukturen zu gewährleisten. [2] Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt, „Koopera-
tionsvereinbarung FHH und Stromnetz Hamburg zum
Grundsätzlich gilt: Für die zunehmend dezentrale und digital gesteuerte Strom- und Wärmeversor- zukunftsorientierten Stromnetzbetrieb,“ 17.11.2014.
gung aus erneuerbaren Energien sowie die Wasserversorgung braucht die Energie- und Wasserwirt- Verfügbar unter: http://daten.transparenz.hamburg.
schaft die 450 MHz-Funkfrequenz. Mit dieser sicheren und hochverfügbaren Kommunikationslösung de/Dataport.HmbTG.ZS.Webservice.GetRessour-
können wir unsere Netze digitalisieren und optimal steuern. Zudem können wir das hohe Niveau an ce100/GetRessource100.svc/919bd94e-b60d-4aa3-
Versorgungssicherheit halten und den weiteren Ausbau der Ladeinfrastruktur für die Elektromobili- 9997-a267c98066fb/Akte_UI822.00-01.pdf. (Zugriff
tät vorantreiben. Davon profitiert auch der Wirtschaftsstandort Deutschland. Da die Funkfrequenz am 17.02.2021).
auch im Falle eines Blackouts funktioniert, ist die Entscheidung der Bundesnetzagentur ein wichtiger
Beitrag, um kritische Infrastrukturen wirksam zu schützen.“ J. Reher und T. Gündel, Stromnetz Ham-
burg GmbH, Hamburg; M. Akgül und C.
Weitere Informationen unter www.bdew.de und www.vku.de Linke, Consentec GmbH, Aachen
linke@consentec.de
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