Das FfE-Netz-Simulationsmodell GridSIM

Zuletzt aktualisiert am 18.11.2016

Logo GridsimDas FfE Netz-Simulationsmodell "GridSim" ist ein modulares Simulationstool zur detaillierten Betrachtung von Verteilnetzen auf Basis von Lastflussberechnungen. Der Name leitet sich aus dem englischen Wort "Grid" für Stromnetz und "Sim" für Simulation ab. In GridSim können die Netzrückwirkungen von dezentralen Erzeugungsanlagen, Stromspeichern und zusätzlichen Lasten wie z.B. Elektrofahrzeugen oder Wärmepumpen analysiert werden. Kritische Betriebszustände, z. B. Spannungsbandverletzungen oder Betriebsmittelüberlastungen, werden identifiziert und ausgewertet.

Ebenso lassen sich ändernde Wirk- und Blindleistungsflüsse untersuchen. Zusätzlich ist es möglich, eine Vielzahl von Netzoptimierenden Maßnahmen (NoM), wie beispielsweise regelbare Ortsnetztransformatoren, Quartierspeicher oder Blindleistungsregelungen, in der Simulation einzusetzen und deren Einfluss zu bewerten. Es können detaillierte Betrachtungen von einzelnen Tagen bis zu einem Jahr in Simulationsauflösungen von einer Sekunde bis zu einer Stunde durchgeführt werden. Somit lassen sich folgende Fragestellungen mit GridSim beantworten:

  • Welche Netzrückwirkungen verursachen Elektrofahrzeuge oder Wärmepumpen bei hoher Marktdurchdringung?
  • Inwiefern erhöhen (Funktionale) Stromspeicher die Aufnahmekapazität für erneuerbare Energien?
  • Kann dezentrale Erzeugung zukünftige Verbraucher versorgen?
  • Welche NoM sind in welchem Netz und Szenario am effektivsten und am günstigsten?
  • Welche Auswirkungen haben unterschiedliche NoM auf die lokalen CO2-Emissionen?
  • Wie verändern sich die Lastflüsse in Verteilnetzen?
  • Wie hoch ist die maximal in das Netz integrierbare Erzeugungsleistung bzw. ab welchem Zubau muss das Netz verstärkt werden?
  • Können Verteilnetze Systemdienstleistungen für überlagerte Spannungsebenen bereitstellen?

Methodik

Zu Beginn der Simulation wird eine Netztopologie, wahlweise ein reales, ein basierend auf einer Clusterung typisches reales oder ein synthetisches Netz, mit den zugehörigen Netzkomponenten und deren Kennwerten ausgewählt. Im nächsten Schritt werden den Anschlussknoten im Niederspannungsnetz Gebäude, welche je nach Siedlungsmodell ein oder mehrere Wohneinheiten beinhalten, zugewiesen. Ein exemplarisches Netzgebiet in der Niederspannung ist in Abbildung 1 dargestellt. Jeder Wohneinheit werden ein dreiphasiger elektrischer Lastgang, ein Wärmebedarf und optional ein Elektrofahrzeug zugewiesen. Zusätzlich können jedem Gebäude Komponenten wie PV-Anlagen, Stromspeicher oder Wärmepumpen zugeteilt werden. Durch eine Kopplung der GridSim an das FfE-Regionenmodell können zahlreiche reale, regional hochaufgelöste energiewirtschaftliche Daten in der Simulation verwendet werden. Für sämtliche dieser zusätzlichen Komponenten können bei der Konfiguration der Simulation Szenarien definiert und eine Vielzahl von Steuerungsmöglichkeiten gewählt werden. Diese Komponenten werden zu Beginn der Simulation nach gewissen Kriterien zufällig auf die Gebäude verteilt und mit je einem Erzeugungsgang bzw. Fahrprofil verknüpft. Dieses so generierte Wohngebiet wird nun detailliert simuliert.

Beispiel Netzgebiet

Abbildung 1: Beispiel eines Netzgebietes mit Gebäuden an jedem Netzanschlusspunkt

Im Simulationsdurchlauf wird für jeden Zeitschritt die Residuallast je Gebäude unter Berücksichtigung der Regelungen der Einzelkomponenten, z. B. Eigenverbrauchserhöhung mit Stromspeicher, berechnet. Basierend auf dieser Residuallast-Matrix wird mit Hilfe einer Lastflussberechnung der aktuelle Netzzustand bestimmt. Hierbei werden alle Spannungen, Ströme und Betriebsmittelauslastungen berechnet. In den Auswertungen kann somit am Ende bestimmt werden, an welchen Positionen es im Netz zu kritischen Zuständen kommen kann. Dies macht es möglich zu bestimmen, ab welcher Leistung (Last oder Erzeugung) eine NoM eingesetzt werden sollte. In der Simulation kann der Netzzustand, z. B. kritische Spannungen oder Betriebsmittelüberlastungen, als Regelgröße für den nächsten Zeitschritt verwendet werden.

Neben den Netzzuständen werden die Lastgänge und bei Speichern die Ladezustände aller Komponenten berechnet und gespeichert. Basierend auf diesen Daten können nach Abschluss der Lastflussberechnungen Energiebilanzen des gesamten Netzgebiets, Auslastungen der Netzkomponenten oder äquivalente Vollzyklen von Speichern erstellt bzw. errechnet werden. Ebenso können typische, statistische Ladelastgänge abhängig von den gewählten Ladesteuerungen sowie C02-Bilanzen des Netzgebietes berechnet werden.

Da die Verteilung der Komponenten im Netzgebiet, z. B. alle Erzeuger am Strangende, einen sehr großen Effekt auf die Simulationsergebnisse hat, werden alle Szenarien mit unterschiedlichen Verteilungen mehrfach berechnet. Somit kann sichergestellt werden, dass keine unrealistischen Extrem-Verteilungen betrachtet werden. Zusätzlich kann in Extrem-Fällen überprüft werden, ob beispielsweise eine NoM auch in diesem Fall wirksam ist. In Abbildung 2 ist der schematische Simulationsablauf dargestellt.

Grafik schematischer Ablauf

Abbildung 2: Schematischer Ablauf der Simulation in GridSim

Durch die modulare und flexible Konzeption von GridSim ist das Simulationsmodell trotz des hohen Detaillierungsgrades einfach um weitere Komponenten und Regelungen erweiterbar. Dies ermöglicht das Betrachten von zukünftigen Entwicklungen und Trends. GridSim wurde im Kontext von FfE-Projekten, wie z. B. eGAP, Sun2Car und MONA, entwickelt und wird auch in zukünftigen Projekten, wie z. B. C-Sells, weiterentwickelt werden.

Weitere Informationen: