title: Ein Netzautomatisierungskonzept für gekoppelte Strom- und Gasverteilnetze
Creators: name: Garzón-Real, James Leonardo
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2022
Subjects: Power-to-Gas
Sektorenkopplung
Smart Grids

description: Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und simulative Validierung eines Netzautomatisierungskonzepts für gekoppelte Strom- und Gasverteilnetze. Im Rahmen der Arbeit werden geeignete Arbeitsschritte umgesetzt, welche insgesamt zur erfolgreichen Erreichung des angestrebten Ziels führen. Zunächst werden die Merkmale der Strom- und Gasverteilnetze sowie der erforderlichen Kopplungsanlagen identifiziert und der Nutzen der Kopplung dieser Energienetze aufgezeigt. Dieser besteht im Wesentlichen in der möglichen Bereitstellung von Netz- und Systemdienstleistungen aber auch von marktorientierten Anwendungen für den Stromsektor durch die Kopplungsanlagen. Dadurch können gleichzeitig Netzkapazitäten und Flexibilitätsoptionen der Gasverteilnetze zum Nutzen einer sektorenübergreifenden Energieversorgung erschlossen werden. Dies impliziert insgesamt einen Beitrag der Kopplung der Strom- und Gasverteilnetze zur Integration der erneuerbaren Energien nicht nur im Stromsektor, sondern auch in den anderen Energiesektoren durch die Umwandlung von erneuerbarem Strom in erneuerbares Gas. Als zweiter Schritt wird die Kopplung der Strom- und Gasverteilnetze aus technischer Sicht analysiert, wobei betriebliche Betrachtungen und Rahmenbedingungen der jeweiligen Energienetze eine sehr wichtige Rolle spielen. Dabei werden insbesondere die bestehenden Betriebskonzepte sowie die möglichen Flexibilitätsoptionen beider Energienetze bewertet und daraus ein Konzept für ihren gemeinsamen Betrieb skizziert, welches die Interaktion von Netzbetriebsmitteln, Anlagen und Betriebsparametern unter Verwendung von Ampelphasen mit ein bezieht. Da die Ausführung eines gemeinsamen Betriebes der gekoppelten Strom- und Gasverteilnetze die Überwachung der jeweiligen Betriebsparameter sowie die Ansteuerung von Anlagen und Netzbetriebsmitteln voraussetzt, wird auf dieser Basis die Möglichkeit einer gemeinsamen Netzautomatisierung untersucht. Für diese Untersuchung wird zuerst ein Netzautomatisierungskonzept für Gasverteilnetze in Anlehnung an bestehende Netzautomatisierungskonzepte für Stromverteilnetze entwickelt. Dabei wird aufgezeigt, dass sich der Betrieb der Gasverteilnetze unter anderem mit geeigneten präventiven und korrektiven Strategien sinnvoll automatisieren lässt. Darauf aufbauend und unter Berücksichtigung der Einsatzmöglichkeiten der Kopplungsanlagen wird das Ziel eines Netzautomatisierungskonzepts für gekoppelte Strom- und Gasverteilnetze – SGAK – abgeleitet. Dieses wird folgendermaßen formuliert: Ziel des SGAK ist es, einen automatisierten und koordinierten gemeinsamen Betrieb der gekoppelten Energienetze zu ermöglichen, welcher sich dank der automatisierten Netzeingriffe des SGAK durch die folgenden Merkmale auszeichnet: Kritische Strom- und Gasnetzzustände werden möglichst präventiv vermieden und schlimmstenfalls korrektiv behoben Die vorhandenen Flexibilitätsoptionen (Netzbetriebsmittel und Anlagen) werden technisch und ökonomisch sinnvoll eingesetzt Die Kopplungsanlagen werden koordiniert im Mehrfacheinsatz betrieben Unter Berücksichtigung des Ziels des SGAK wird anschließend der Bedarf an MSRK-Technik zur gemeinsamen Netzautomatisierung identifiziert und das eigentliche Konzept skizziert. Das SGAK besteht aus einer Einsatzplanungsphase und einer Echtzeitüberwachungsphase. Mit der Einsatzplanungsphase wird das Ziel verfolgt, einen präventiven gemeinsamen Netzbetrieb umzusetzen, in dem anhand von Prognosen für Stromerzeugung und -verbrauch sowie für Gaseinspeisung und -verbrauch die Strom- und Gasnetzzustände prognostiziert werden, um so den Einsatz der vorhandenen Flexibilitätsoptionen im Voraus geeignet zu planen. Von einer solchen Einsatzplanung profitiert nicht nur der Verteilnetzbetreiber, der dadurch mögliche zukünftige kritische Netzzustände vermeiden kann, sondern auch der Anlagenbetreiber, der den Einsatz seiner Anlagen wirtschaftlich optimieren kann. Mit der Echtzeitüberwachungsphase wird zusätzlich gewährleistet, dass trotz der Einsatzplanung dennoch entstehende kritische Netzzustände im Echtzeitbetrieb, welche unter anderem auf Prognose- sowie Fahrplanabweichungen zurückzuführen sind, behoben werden. Als nächster Schritt wird die simulative Validierung des SGAK vorgenommen. Grundvoraussetzung hierfür ist die Entwicklung einer geeigneten Simulationsumgebung, welche zum einen die übergreifende Berechnung von Strom- und Gasflüssen und zum anderen die Nachbildung der Funktionen des SGAK ermöglicht. Die Simulationsumgebung wird dann bis zu einem Stadium entwickelt, das die zeitreihenbasierte Simulation der folgenden Strom- bzw. Gasnetzbetriebskonzepte ermöglicht: dynamische Spannungsregelung, dynamische Druckfahrweise und dynamisches Einspeisemanagement bzw. dynamisches Lastmanagement. Dementsprechend kann dabei die Nutzung der folgenden Flexibilitätsoptionen simuliert werden: Regelbarer Umspannwerkstransformator (bzw. regelbarer Ortsnetztransformator), Gasdruckregelanlage, Photovoltaikanlage, Windenergieanlage, Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, Power-to-Gas-Anlage und flexible Gasverbraucher. Unter Einfluss unterschiedlicher Annahmen werden die zwei Phasen sowie die wesentlichen Funktionen des SGAK in der Simulationsumgebung nachgebildet. Die simulative Validierung des SGAK erfolgt mittels realer deutscher Strom- und Gasverteilnetze sowie auf Basis eines zukünftigen Versorgungsszenarios 2030, welches die Integration von erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen aber auch insbesondere der Elektromobilität berücksichtigt. Es werden dabei drei Anwendungsfälle mit Fokus auf den mehrfachen Einsatz der Kopplungsanlagen untersucht. Die Simulationsergebnisse werden für Starklast- und -einspeisetage unter Einbeziehung der zwei Phasen des SGAK erläutert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine gemeinsame Netzautomatisierung der Strom- und Gasverteilnetze dazu beiträgt, den Einsatz der Kopplungsanlagen zur Bereitstellung von Netz- und Systemdienstleistungen für den Stromsektor zu koordinieren und, darüber hinaus, dass diese eine wichtige Rolle beim gemeinsamen Betrieb der gekoppelten Strom- und Gasverteilnetze hinsichtlich der automatisierten Einhaltung der Betriebsparameter spielt. Hierzu ist insbesondere die Relevanz der sektorenübergreifenden Nutzung von netzseitigen Flexibilitätsoptionen seitens des SGAK zu erwähnen. Ferner zeigt die Untersuchung der Anwendungsfälle auf, dass der netzdienliche Einsatz von Power-to-Gas-Anlagen Netzausbaumaßnahmen verzögern bzw. vermeiden kann. Voraussetzung hierfür ist das Vorhandensein einer gemeinsamen Netzautomatisierung, um den erforderlichen bzw. eingeschränkten netzdienlichen Einsatz dieser Kopplungsanlagen zu gewährleisten. Dieser sektorenübergreifende Planungs- und Betriebsansatz bringt direkte ökonomische Vorteile für den Verteilnetzbetreiber, der so Netzinvestitionskosten reduzieren kann. Für den Anlagenbetreiber hängt die Investitionsentscheidung vor allem von den zukünftig zu erreichenden Stromkauf- und Gasverkaufspreisen ab. Dabei wirken sich zusätzliche Einnahmen aus netz- und systemdienlichen Einsätzen positiv auf die Wirtschaftlichkeit aus. Das im Rahmen dieser Arbeit eingeführte SGAK ist ein formuliertes Technologiekonzept mit TRL 2. Es ist somit ein Ergebnis der Grundlagenforschung, dessen potenzielle Anwendung – im Rahmen dieser Arbeit – simulativ validiert wird. Ein Strom- und Gasverteilnetzautomatisierungssystem – SGAS –, welches das SGAK implementiert, kann unter Berücksichtigung der am Markt verfügbaren MSRK-Technik kurzfristig entwickelt und in einem Praxis-Umfeld validiert und demonstriert werden, was einem TRL 5–6 entspricht. Als nächster Schritt empfiehlt sich dann eine anwendungsfallspezifische Ausführung des SGAK als Prototyp. Weiterführende Forschungsaktivitäten hinsichtlich der Kopplung von Strom- und Gasverteilnetzen, welche bereits zum Zeitpunkt der schriftlichen Ausarbeitung dieser Arbeit durchgeführt und zukünftig weiterverfolgt werden, umfassen insbesondere die Entwicklung von Grundsätzen für die integrierte Planung von gekoppelten Strom- und Gasverteilnetzen aus green und brown field Sicht.
description: The aim of this work is the development and simulative validation of a grid automation concept for coupled power and gas distribution grids. As part of the work, suitable work steps are implemented, which overall lead to the successful achievement of the followed aim. First, the characteristics of the power and gas distribution grids as well as the required coupling systems are identified and the benefits of coupling these energy grids are shown. These essentially consist of the possible provision of grid and system services but also of market-oriented applications for the electricity sector through the coupling systems. This means that grid capacities and flexibility options from the gas distribution grids can be developed for the benefit of a cross-sectoral energy supply. Overall, this implies a contribution of the coupling of the power and gas distribution grids to the integration of renewable energies not only in the electricity sector, but also in the other energy sectors by converting renewable electricity into renewable gas. As a second step, the coupling of the power and gas distribution grids is analyzed from a technical point of view, whereby operational considerations and framework conditions of the respective energy grids play a very important role. In particular, the existing operation concepts as well as the possible flexibility options of both energy grids are evaluated and a concept for their joint operation is outlined, which includes the interaction of grid resources, systems and operating parameters using traffic light phases. Since the implementation of a joint operation of the coupled power and gas distribution grids requires the monitoring of the respective operating parameters as well as the control of systems and grid resources, the possibility of a joint grid automation is examined on this basis. For this, a grid automation concept for gas distribution grids based on existing grid automation concepts for power distribution grids is first developed. It is shown here that the operation of the gas distribution grid can be sensibly automated with suitable preventive and corrective strategies. Building on this and taking into account the possible uses of the coupling systems, the aim of a grid automation concept for coupled power and gas distribution grids – dt. Netzautomatisierungskonzept für gekoppelte Strom- und Gasverteilnetze (SGAK) – is derived. It is formulated as follows: The aim of the SGAK is to enable an automated and coordinated joint operation of the coupled energy grids, which, thanks to the automated grid interventions of the SGAK, is characterized by the following features: Critical power and gas grid states are preventively avoided and in the worst case correctively remedied The existing flexibility options (grid resources and systems) are used in a technically and economically optimal way li&gt; The coupling systems are operated in a coordinated manner with multi-use options Taking the aim of the SGAK into account, the need for measurement, control and communication – dt. Mess-, Steuerungs-, Regelungs- und Kommunikation (MSRK) – technology for joint grid automation is then identified and the actual SGAK outlined. The SGAK consists of a deployment planning phase and a real-time monitoring phase. The aim of the deployment planning phase is to implement a preventive grid operation in which the power and gas grid states are predicted on the basis of forecasts for electricity generation and consumption as well as for gas feed-in and consumption in order to plan the use of the existing flexibility options appropriately in advance. Not only the distribution grid operator benefits from such deployment planning, who can thereby avoid possible future critical grid states, but also the (coupling) systems’ operators who can economically optimize the use of his systems. The real-time monitoring phase also ensures that any critical grid states that arise in real-time operation, despite the deployment planning, are resolved. These can be attributed for instance to forecast and schedule deviations. The next step is the simulative validation of the SGAK. The basic prerequisite for this is the development of a suitable simulation environment which enables, on the one hand, the comprehensive calculation of power and gas flows and, on the other hand, the simulation of the SGAK's functions. The simulation environment is then developed to a stage that enables the time series-based simulation of the following power or gas grid operation concepts respectively: dynamic voltage regulation, dynamic pressure operation and dynamic feed-in management or dynamic load management. Accordingly, the use of the following flexibility options can be simulated: controllable substation transformers, gas pressure regulating stations, photovoltaic systems, wind energy systems, combined heat and power systems, power-to-gas systems and flexible gas consumers. Under consideration of different assumptions, the two phases and the essential functions of the SGAK are emulated in the simulation environment. The simulative validation of the SGAK is carried out using real German power and gas distribution grids as well as on the basis of a future supply scenario 2030, which takes the integration of renewable energy generation systems but also in particular electrical vehicles into account. Three use cases with a focus on the multiple use of the coupling systems are examined. The simulation results are explained for heavy load and feed-in days, taking the two phases of the SGAK into account. The results show that a joint grid automation of the power and gas distribution grids helps to coordinate the use of the coupling systems for the provision of grid and system services for the electricity sector and, moreover, that it plays an important role in the joint operation of the coupled power and gas distribution grids in terms of the automated compliance with operating parameters. The cross-sectoral use of grid-side flexibility options by the SGAK is also a particular advantage. Furthermore, the investigation of the use cases shows that the use of power-to-gas systems to support the grid can delay or avoid grid expansion measures. The prerequisite for this is the existence of a joint grid automation system in order to guarantee the necessary or constrained use of the coupling systems for the grid. This cross-sector planning and operating approach brings direct economic advantages for the distribution grid operator, who can thus reduce grid investment costs. For the coupling systems’ operators, the investment decision depends primarily on the electricity purchase and gas sales prices to be achieved in the future. Here, the additional income from the provision of grid and system services has a positive effect on the profitability. The SGAK introduced within the scope of this work is a formulated technology concept with technology readiness level 2 (TRL 2). It is therefore a result of basic research, the potential application of which – within the scope of this work – is validated through simulations. A power and gas distribution grid automation system – dt. Strom- und Gasverteilnetzautomatisierungs-system (SGAS) – which implements the SGAK, can be developed, taking the MSRK technology available on the market into account, as well as validated and demonstrated in a practical environment at short term, which corresponds to a TRL 5–6. As the next step, it is recommended that the SGAK be designed as a prototype according to the requirements of the specific applications. Further research activities regarding the coupling of power and gas distribution grids, which are already being carried out at the time of the written elaboration of this work and which will be pursued in the future, include in particular the development of principles for the integrated planning of coupled power and gas distribution grids from a green and brown field perspective.