Wasserkraftwerke effizient validieren - Bulletin.ch
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
DOSSIER | IT FÜR EVU
HIL602+ mit HIL-Connect
und rechts davon das
DRSC2A-Schutzrelais.
Wasserkraftwerke
effizient validieren
Stabilitätsvalidierung mit «Hardware-in-the-Loop» | Simulationen von grossen
Kraftwerken können in der Praxis anspruchsvoll und teuer sein. Mit der Typhoon
Hardware-In-the-Loop-Instrumentierung vereinfacht und beschleunigt man den
Verifikationsprozess unter realen Bedingungen. Ein Modell des Wasserkraftwerks
Göschenen zeigte die Wirksamkeit dieses Ansatzes auf.
M A S S I M I L I A N O S N OZ Z I , O L I V I E R D U VA N E L , A N TO N I O S PA PA E M M A N O U I L
D
as im Kanton Uri gelegene vermögen von 75 Millionen Kubikme- met, ob die bestehende Anlage die
Kraftwerk Göschenen wurde tern Wasser hat. Dieser See verfügt neuen Kriterien des Transmission
1962 in Betrieb genommen. Es über einen 155 m hohen und 540 m lan- Code (siehe Kasten) erfüllt, insbeson-
verfügt über vier 40-MW-Stromgene- gen Erddamm, den höchsten Erd- dere die des Kapitels 6, die unter ande-
ratoren, die von 3-düsigen Peltonturbi- damm der Schweiz. Der Druckstollen, rem die technischen Anforderungen
nen angetrieben werden. Zwei Maschi- der den Stausee mit dem Wasser- für den Anschluss von technischen
nen (die Gruppen 1 und 2) produzieren schloss verbindet, ist 7 km lang und Anlagen an das Übertragungsnetz
Strom für die SBB (einphasig, 16,7 Hz), führt von dort in einen 900 m langen definieren.
die anderen zwei (die Gruppen 3 und 4) Druckschacht im Kavernenkraftwerk Zunächst wurde eine grundlegende
werden von der CKW AG genutzt. Die am Ausgang Göschenental. Lastflusssimulation (Generator mit
durchschnittliche Jahresproduktion Blocktransformator und Freileitung)
liegt bei 293 GWh. Mit der Verlust- Validierung des in Neplan durchgeführt, um mit der
wärme der Generatoren ist es möglich, Kraftwerks Göschenen Verifizierung einiger dieser Punkte zu
Bilder: HSLU, Swissgrid
das Produktionsgebäude und 13 Häu- Zusammen mit der Firma CKW AG, beginnen. Im anschliessenden Haupt-
ser zu beheizen. der Eigentümerin der Maschinengrup- projekt wurden die von der Partner-
Das für die Energieerzeugung pen 3 und 4 des Wasserkraftwerks firma (CKW AG) geforderten Punkte
genutzte Wasser stammt aus dem Göschenen, hat sich ein Team der vollständig verifiziert. Zusätzlich
Göscheneralpsee [4], der ein Fassungs- Hochschule Luzern der Frage gewid- wurde eine praxisnahe Simulation
26 bulletin.ch 8 / 2021
06_2108_Duvanel.indd 26 08.07.21 15:13
IT FÜR EVU | DOSSIER
durch den Einsatz eines Einspeise
geräts der Firma Typhoon-HIL und
eines Schutzrelais der Firma Andritz Simulation SIL Controller HIL Power HIL Full Power Test
Hydro AG durchgeführt, um die transi- ~ ~ ~ ~ ~
ente Stabilität besser zu verstehen. Inv G Inv G Inv G Amp G In G
C C DMS C C DMS C C DMS In C DMS C C DMS
Simulationsarten µC µC µC µC µC
Es gibt diverse Arten von Simulationen
für die Untersuchung der transienten
Stabilität von Kraftwerken (Bild 1),
unter anderem HIL- und SIL-Simula
tionen:
llHIL: Mit Hardware-in-the-Loop
cost
cost
cost
cost
cost
fidelity
fidelity
fidelity
fidelity
fidelity
werden die Techniken zur Verifizie-
rung von elektronischen Steuergerä-
ten und deren Software bezeichnet, Bild 1 Übersicht über die Kosten und die Realitätsnähe der Resultate verschiedener
bei welchen die Prüflinge an Prüf- Simulationsarten.[2]
stände angeschlossen werden, mit
denen das zu steuernde Umsystem
als Echtzeitsimulation nachgebildet
wird.[1]
llSIL: Mit Software-in-the-Loop wer-
den die Techniken zur Verifizierung
von Steuergeräte-Software bezeich-
net, bei welchen sowohl das Steuer-
gerät als auch das zu steuernde
Umsystem mittels Simulation nach-
gebildet werden.
Mit den HIL-Tests und entsprechenden
Prüfständen können Komponenten,
Subsysteme und Systeme bereits in der
Design- und Prototyping-Phase verifi-
ziert werden, ohne auf die Verfügbar-
keit des Endprodukts warten zu müs-
sen, für das sie bestimmt sind. Real
installierte Komponenten reagieren
auf simulierte Signale, als ob sie in
Transmission Code
Bild 2 Modell des Kraftwerks Göschenen in Typhoon-HIL.
Neue Version in Kraft getreten
Der Transmission Code (TC) enthält
die Vorschriften für die Übertragung
von Elektrizität. Das Dokument regelt
alle technischen und organisatori-
schen Fragen zwischen Swissgrid und
Verteilnetzbetreibern/Eigentümern,
Produktionseinheiten, Endverbrau-
chern und anderen Akteuren im
Strommarkt.
Am 7. Mai 2020 trat die neue Version
des Transmission Codes (TC 2019) in
Kraft. Sie ersetzt die bisherige Versi-
on aus dem Jahr 2013. Im Vergleich
zum Vorgänger wurden im TC 2019
die technischen Anforderungen an
Erzeugungseinheiten, für deren
Einhaltung die Kraftwerksbetreiber
verantwortlich sind, verschärft.
Bild 3 Scada-Panel.
bulletin.ch 8 / 2021 27
06_2108_Duvanel.indd 27 08.07.21 15:14
DOSSIER | IT FÜR EVU
Betriebsspannung (UC) UC
Erholungsspannung 2 (Urec2) 90 % UC
Typ 1
Erholungsspannung 1 (Urec1) 70 % UC
Trennung nur für
Typ 1 erlaubt 2
Typ Trennung für
Typ 1+2 erlaubt
Restspannung Typ 1 (Uret1) 5–30 % UC
Restspannung Typ 2 (Uret2) 5–15 % UC
0 0,15 0,7 1,5 5 Zeit nach Bild 4 Grenzkurve bei
Störungseintritt
in s einem Kurzschluss im
Kraftwerk.
Verifizierungs-Methodik hinzugefügt, um bis zu ±183,3 V
Im Projekt wurden vor allem Span- (Spitze) für Spannungen und ±2,82 A
nungs- und Frequenzschwankungen (Spitze) für Ströme an den Ausgängen
sowie die transiente Stabilität getes- zu haben.
tet. Die meisten Punkte bezüglich der Mit der Typhoon HIL-Software
Spannungs- und Frequenzschwan- wurde ein Modell erstellt (Bild 2), das
kungen wurden mit einer Simulation dem für die Simulation in Neplan ver-
in Neplan und Berechnungen auf wendeten Modell entspricht. Dieses
Basis vorhandener Anlagendaten veri- Modell umfasst eine Synchronma-
fiziert. schine, einen Transformator und das
Aspekte, die die transiente Stabili- 235-kV-Netz. Anschliessend wurde im
tät betreffen, wurden im Labor mit HIL-Scada-Softwareteil ein Panel auf-
einem Schutzrelais und einem Ein- gebaut, um die Simulationsergebnisse
speisegerät untersucht. Mit dem Ein- anzuzeigen und in Echtzeit zu beob-
speisegerät von Typhoon-HIL wurden achten, was in der Anlage passiert.
Bild 5 Spannungen und Ströme mit einer Spannungen und Ströme erzeugt, die
Erklärungszeit von 0,60 s. zur Beobachtung des Verhaltens der Visuelle Schnittstelle
drei im Kraftwerk Göschenen vorhan- Um die Maschine steuern und die
denen Schutzrelais nötig sind. Da die Ergebnisse der Simulationen in Echt-
einer echten Umgebung arbeiten wür- analogen Ausgänge (±10 V Gleich- zeit anzeigen zu können, wurde im
den. HIL-Tests sind zwar etwas teurer spannung) des verwendeten Modells HIL-Scada-Softwareteil ein inter
als SIL-Tests, stellen aber einen guten HIL 602+ nicht den Anforderungen aktives, anwenderfreundliches Panel
Kompromiss bezüglich der Ergebnis für das Projekt entsprachen, wurde (Mensch-Maschine-Schnittstelle) rea-
treue dar. ein zusätzliches Gerät, HIL-Connect, lisiert (Bild 3).
RÉSUMÉ
Validation efficace des centrales hydroélectriques
Validation de la stabilité avec « Hardware-in-the-Loop »
En mai 2020, le nouveau « Transmission Code » de Swiss Dans le cadre de ce travail de diplôme, un groupe de produc
grid est entré en vigueur. Les exigences relatives à la tion (53 MVA, 600 tr/min, 10 kV) a été modélisé avec un
connexion des centrales au réseau de transport (NE1) de simulateur HIL (Hardware In the Loop) de l’entreprise
Swissgrid sont désormais plus élevées que celles de la pré Typhoon HIL, puis le modèle a été contrôlé avec le logiciel
cédente version de 2013. L’entreprise CKW AG, qui exploite de calcul de réseau Neplan. Dans une seconde phase, les
la centrale de Göschenen (KWG AG) dans le canton d’Uri, a relais de protection (générateur et transformateur-bloc) ont
proposé un travail de diplôme à l’Institut d’électrotechnique été connectés aux cartes de sorties (110 V) du simula
de la Haute école de Lucerne (HSLU à Horw), afin de vérifier teur HIL, et les différents cas de court-circuit ont pu être
si cette centrale répond aux nouvelles exigences. simulés. Finalement, les paramètres des relais de protection
Si certains points peuvent être contrôlés par des métho ont pu être validés.
des conventionnelles (calcul analytique ou calcul de flux de Cette solution originale permet, d’une part, de reproduire
réseau avec le logiciel Neplan), d’autres critères (stabilité très fidèlement un groupe de production avec un temps
dynamique lors d’un court-circuit) nécessitent cependant investi réduit et, d’autre part, de valider les paramètres de
une autre approche. réglage des relais de protection. NO
28 bulletin.ch 8 / 2021
06_2108_Duvanel.indd 28 08.07.21 15:15
IT FÜR EVU | DOSSIER
Mit diesem Panel können ein
Drehmoment und ein Erregerstrom Typhoon HIL Neplan
direkt an der Synchronmaschine ein- P Synchronmaschine –45,68 MW –45,68 MW
gestellt werden. Ausserdem ist es mög- Q Synchronmaschine –14,64 Mvar –14,64 Mvar
lich, die Leistungswerte und den Ver- U _RMS Synchronmaschine (Phase-Phase) 9,79 kV 9,67 kV
lauf der Spannungen und Ströme der I_RMS Synchronmaschine (1-phasig) 2828 A 2806 A
Maschine und des 235-kV-Netzes in Drehmoment Synchronmaschine 872 kNm —
Echtzeit zu visualisieren. Mit der
U _RMS Netz NE1 (Phase-Phase) 235,2 kV 235,2 kV
Oszilloskopfunktion kann kontrolliert
I_RMS Netz NE1 (Strangstrom) 118,4 A 119,6 A
werden, ob die Phasenverschiebung
zwischen den verschiedenen Spannun- Frequenz 50 Hz 50 Hz
gen korrekt ist und ob die Maschine Tabelle Simulationsergebnisse (–: Erzeugen, +: Beziehen).
stabil und schwingungsfrei arbeitet.
Plausibilität des Modells Fehlererklärungszeit von 0,15 s sowie Transmission Codes erfüllt wurden,
Die in Bild 3 gezeigten Werte (Nor- vom Kraftwerk entfernte Kurzschlüsse insbesondere im Bereich der transien-
malfall der Produktion für die Anlage) mit einer maximalen Fehlererklä- ten Stabilität.
wurden in die Tabelle eingefügt und rungszeit von 0,70 s. Bei einem Span- Dieses Projekt hat auch die Flexibili-
mit den aus der Neplan-Simulation nungsabfall oberhalb der schwarzen tät der Typhoon-HIL-Produkte und
verfügbaren Werten verglichen. Zwi- Linie in Bild 4 darf die Maschine nicht ihre Effektivität für komplexe Aufga-
schen den Werten der beiden Modelle vom Netz getrennt werden, während ben demonstriert.
gibt es einige Unterschiede, was darauf bei einem grossen Spannungsabfall Einer der Vorteile war die Möglich-
zurückzuführen ist, dass die von den (unterhalb der Grenzlinie) eine Tren- keit, Simulationen im Labor schnell in
beiden Programmen geforderten Para- nung vom Netz möglich ist. einer sicheren Umgebung durchzufüh-
meter nicht immer die gleichen waren. ren, ohne das Risiko, die Anlagen zu
In der Neplan-Simulation wurden viel Prüfung der beschädigen. Zudem war die Software,
mehr Daten einbezogen, wodurch die Transientenstabilität die zur Erstellung der Simulationsdia-
Ergebnisse genauer wurden. Trotz die- Nach der Verifikation der realisierten gramme verwendet wurde, einfach zu
ser geringfügigen Unterschiede reprä- Simulation wurden die Geräte von bedienen. Werte konnten für eine voll-
sentieren beide Modelle die Maschi- Typhoon HIL mit einem Schutzrelais ständige und präzise Arbeit schnell
nengruppen 3 und 4 des Kraftwerks (DRSC2A) verbunden (Einstiegsbild) verändert werden.
Göschenen sehr gut. und verschiedene Arten von Kurz-
schlüssen simuliert, aufgezeichnet Referenzen
Transientenstabilität und mit dem Schutzrelais verifiziert, [1] Typhoon HIL GmbH, www.typhoon-hil.com
Bild 4 (Abbildung 15 im neuen Trans- um sicherzustellen, dass das System [2] Typhoon HIL, www.typhoon-hil.com/methodologies
[3] Swissgrid AG, Transmission Code 2019, abgerufen
mission Code) stellt das Verhalten dar, ordnungsgemäss funktioniert. von www.strom.ch/de/media/10562/download
wie sich die Netzspannung an der In Bild 5 ist ein Beispiel für einen [4] Kraftwerk Göschenen AG: Produktion, abgerufen von
www.kw-goeschenen.ch/betrieb/stufe-goescheneralp-
Stromerzeugungsanlage bei Ausfällen durchgeführten Test dargestellt. Man goeschenen/produktion/
oder sehr kurzen Unterbrechungen sieht einen Kurzschluss im Netz in Autoren
verhalten sollte. Die Betriebsspan- 14,8 km Entfernung vom Wasserkraft- Massimiliano Snozzi hat sich im Rahmen seiner Bachelor-
nung entspricht in unserem Fall 235 kV werk: Die Spannung fällt von 235 kV Thesis an der HSLU mit der Simulation vom Generator-
schutz befasst.
und die in Göschenen verwendete auf 90 kV für eine Dauer von 0,60 s, JJ 6500 Bellinzona
Maschine entspricht der Kategorie während der die Synchronmaschine JJ snozzi.m@gmail.com
«Typ 1». am Netz angeschlossen bleibt. Nach
Olivier Duvanel ist seit 2014 senior wissenschaftlicher
Unter transienter Stabilität versteht ein paar Sekunden kehrt das Netz auf Mitarbeiter am Institut für Elektrotechnik an der HSLU.
man die Fähigkeit eines Synchronge- eine Nennspannung von 235 kV JJ HSLU, 6048 Horw
JJ olivier.duvanel@hslu.ch
nerators, die Synchronität des Netzes zurück.
auch nach Störungen (wie z. B. einem Dr. Antonios Papaemmanouil leitet seit 2019 das Institut
Kurzschluss) sicherzustellen. Um Fazit für Elektrotechnik sowie das Kompetenzzentrum «Digital
Energy & Electric Power» an der HSLU.
diese Stabilität zu erreichen, muss die Dank der «Hardware-in-the-Loop»- JJ antonios.papaemmanouil@hslu.ch
Maschine nach der Behebung des Pro- Analyse war es möglich, den Betrieb
blems wieder einen stabilen Betriebs- des Wasserkraftwerks Göschenen Ohne die Unterstützung von der Firma Typhoon-HIL
(Christoph Schaub) wäre dieses Projekt nicht zustande
punkt erreichen. umfassend zu testen. Die verschiede- gekommen. Dank geht auch an den Industriepartner
Es gibt zwei Arten von Kurzschlüs- nen Simulationen, die während des CKW (Roman Schilter) und den Schutzlieferanten Andritz
Hydro (Daniel Lötscher) für das Vertrauen und die gute
sen: Kurzschlüsse in der Nähe von Projekts durchgeführt wurden, zeig- Zusammenarbeit.
Kraftwerken mit einer maximalen ten, dass alle Kriterien des neuen
bulletin.ch 8 / 2021 29
06_2108_Duvanel.indd 29 08.07.21 15:15Sie können auch lesen
