Benutzer:W.Radke/Topologie (Stromnetz)

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Der Begriff Topologie des Stromnetzes oder Netztopologie beschreibt, aus welchen Komponenten das Stromnetz aufgebaut ist und wie diese miteinander verbunden sind. Dies ähnelt dem Straßen- und Wegenetz einer Stadt. Ähnlich ist auch, dass ein Teil der Verbindungen manchmal nicht nutzbar ist(gesperrte Straßen, ausgeschaltete Leitungen).

Die Verwendung des Begriffs Topologie lehnt sich an die mathematische Definition an, enthält aber zusätzliche dynamische Elemente und kann sich daher zeitlich ändern, ohne dass Baumaßnahmen vorgenommen werden müssen.

Komponenten der Topologie

Die Topologie des Stromnetzes einer Spannungsebene besteht aus verschiedenen Sorten von Schaltern, passiven Elementen wie Leitungen und Sammelschienen und Netzgrenzen wie Einspeisungen, Ausspeisungen (Verbrauchern) und Transformatoren (als Übergang zwischen Spannungsebenen)

Anschaulich kann man Strasse und Plätze eines Ortes mit Leitungen und Sammelschienensystemen eines Stromnetzes vergleichen.

Passend zur Analogie finden sich im Straßennetz auch Schalter (hier Ampeln genannt), die regeln, ob aktuell der Zugang zu einem Platz (Verteiler) erlaubt ist.

Und natürlich gibt Straßen, die manchmal gesperrt sind (z.B. nach Unfall oder bei Bauarbeiten) oder nur eingeschränkt nutzbar sind (z.B. Spielstraßen, Einbahnstraßen, private Wege, ...).

Entwicklung von Netztopologien

Erste Netze wurden als Strahlennetz gebaut, d.h. von einem zentrales Kraftwerk aus wurden viele einzelne Leitungen strahlenförmig zu den jeweils parallel geschalteten Verbrauchern geführt (siehe auch Edisons Anfänge bei der Elektrifizierung von New York). Trat an einem der Strahlen ein Fehler auf, wurde dieser Strahl abgeschaltet und konnte erst nach Behebung des Fehlers wieder eingeschaltet werden.

Mit der zunehmenden industriellen Verwendung von Strom wurde dieses Ausfallverhalten immer weniger akzeptabel und die EVU begannen, die Netzstabilität zu verbessern, indem man z.B. den Strahl nicht enden ließ, sondern als Ring ausformte, d.h. der Strahl oder Strang konnte von beiden Enden mit Strom versorgt werden. Wenn jetzt eine Störung auftrat, konnte man die Störungsstelle relativ schnell isolieren, indem man beidseits des Störungsortes die Leitung auftrennte. Danach konnten alle anderen Verbraucher wieder mit Strom versorgt werden, sogar bevor der primäre Fehler behoben war.

Mit ständig zunehmender Industrialisierung und Elektrifizierung wurde das Netz immer dichter, bis der heutige Zustand eines Maschennetzes erreicht war. Gleichzeitig stiegen die Erwartungen an die Netzstabilität und Netzverfügbarkeit weiter an. Ein Maßstab für die Verfügbarkeit ist der von der BNetza erhobene SAIDI-Wert, der die durchschnittliche Ausfallzeit der Stromversorgung pro Anschluss angibt. Typische Werte dafür liegen in Deutschland deutlich unter 15 Minuten/Jahr und sind je EVU zu berichten, was auch einen gewissen Wettbewerbsdruck erzeugt.

Spannungsebenen

In der Praxis unterscheidet man die Netztopologie nach Spannungsebenen, die sich in diversen Punkten unterscheiden. Historisch ist es so, dass höhere Spannungsebenen die Energie für niedrigere Ebenen bereitstellten. Wie bei Edison beschrieben versorgt ein Kraftwerk also seine Verbraucher oder der Verbraucher wählt formal sein Kraftwerk, seinen Stromlieferanten aus.

Aber natürlich werden dazu nicht spezielle Leitungen gebaut, sondern es gibt Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) und Verteilnetzbetreiber (VNB), die den Transport übernehmen. Diese betreiben weitgehend disjunkte Netze in verschiedenen Spannungsebenen (Hoch- und Höchstspannung, Mittelspannung, Niederspannung).

Übertragungsnetz (Hoch- und Höchstspannung)

Die Netze sind - wo möglich - vernetzt als Maschennetz aufgebaut. Änderungen der Netzstruktur (z.B. neue Leitungen) sind sehr aufwendig und langwierig.

Stadtnetz (Mittelspannung)

Typische Stadtnetze bestehen heute (je nach Stadtgröße) aus mehreren Umspannwerken und Schaltstationen, die über eine Vielzahl von Strängen miteinander verknüpft sind. Die meisten dieser Stränge sind nur auf einer Seite tatsächlich eingeschaltet, um den ausfallenden Bereich im Fehlerfall klein zu halten (siehe auch Beispiel für Störung)

Hausanschlüsse (Niederspannungsnetz)

In dieser Spannungsebene dominieren Strahlennetze, d.h. von einer Mittelspannungsstation werden jeweils über einen Trafo kleine Subnetze mit Strom versorgt. Im Fehlerfall fällt dieses Subnetz komplett aus. Subnetze sind typisch der Umfang einer Strasse bzw. einige Häuser einer Strasse.

Private PV-Anlagen auf Hausdächern (typisch kleiner 10 kWp) speisen direkt in das Niederspannungsnetz ein und verstoßen damit gegen die Annahmen, die bei der Auslegung des Mittelspannungsnetzes vor wenigen Jahrzehnten gemacht wurden.

Betriebsweise des Netzes

Tatsächlich werden also nicht immer alle vorhandenen Leitungen genutzt. In der Praxis wählt der Netzbetreiber als aktuelle Topologie eine Konstellation, die seinen Zielen am nächsten kommt. Bei Stadtwerken wird vorzugsweise ein kleinteilig vermaschtes Netz in der Mittelspannungsebene aufgebaut, das dann aber durch geeignet platzierte Normtrennstellen so aufgetrennt wird, dass im Fehlerfall möglichst selektiv und damit möglichst wenige Verbraucher abgeschaltet werden. Angestrebt werden häufig Stränge mit 5-10 Ortsnetzstationen, die von beiden Seiten versorgt werden können. Topologisch betrachtet wurde dabei der fehlerhafte Strang in drei Teile gespaltet: vor dem Fehlerort, Fehlerort und nach dem Fehlerort

Die zunehmende Verfügbarkeit ferngemeldeter und fernschaltbarer Betriebsmittel (wie Schalter, Stufensteller, Fehlerorter) macht es leichter, den Fehlerort schnell zu identifizieren und freizuschalten. Ist das erfolgt, kann der Strang von der anderen Seite wieder versorgt werden und so die Ausfallzeit für die Verbraucher minimiert werden.

Beispiel für Störung

Fehlerbehandlung bei Störungen

Die nebenstehende Abbildung zeigt drei verschiedene Zustände eines typischen Ausschnitt eines Stadtnetzes mit zwei Schaltstationen SS1 und SS2, zwischen denen zur Vereinfachung nur zwei Stränge von Netzstationen (A,B und C,D,E) dargestellt sind. Der obere Strang ist mit beiden Schaltstationen verbunden, der untere in der Ausgangskonfiguration (manchmal auch als Normalzustand bezeichnet) nur mit SS1.

Unter dieser Konfiguration sieht man den Zustand, der sich ergibt, wenn z.B. durch Erdarbeiten das Kabel zwischen den Netzstationen D und E beschädigt würde: Netzschutzeinrichtungen in SS1 würden den Fehler erkennen und eine Abschaltung des Stranges mit den Netzstationen C, D und E auslösen.

An jeder dieser Netzstation hängen jedoch Verbraucher, d.h. man möchte das nicht mit Strom versorgte Gebiet im Interesse aller natürlich möglichst klein halten. Daher wird das EVU im nächsten Schritt hingehen und versuchen, möglichst viele Stationen wieder mit Strom zu versorgen. Die dritte Abbildung zeigt, wie das Endergebnis im Idealfall aussehen würde: Die beschädigte Leitung ist isoliert (freigeschaltet) und Netzstation E wird aus SS2 versorgt

Im Idealfall hätte der Leistungsschalter in D, über den die Verbindung nach E läuft, selbst ausgelöst. Dann wäre durch den Fehler auf der Leitung nur die Station E unversorgt, d.h. noch weniger Menschen von der Störung unmittelbar betroffen. Dies setzt aber eine höhere Automatisierung der Netzstationen voraus, deren Implementierung Jahrzehnte und entsprechende Budgets benötigt.

Netzpläne

Netzpläne dienen im Stromnetz dazu, einen Überblick aller möglichen Netzzustände zu verschaffen.

Diese Netzpläne sind - ähnlich dem Netzplan von Straßenbahnlinien - nicht wie eine normale Landkarte aufgebaut, sondern stark abstrahiert. Abstände im Netzplan entsprechen nicht der Wirklichkeit, Nachbarschaften werden durch die vorhandenen Leitungen definiert, nicht durch räumliche Nähe. Eine grobe Annäherung an geografische Gelegenheit wird versucht, um den Erkennungswert für die Mitarbeiter zu erhöhen. Meist wird aber ein neuer Plan durch Ergänzungen eines vorhandenen Planes weiterentwickelt, wobei man sich um die Einhaltung eines druckbaren Formates und einen Wiedererkennungswert zur Vorversion bemüht.

Netzplan Hochspannungsebene

Komplette Netzpläne der Hoch- und Höchstspannungsebene Europas sind von ENTSO-E verfügbar und werden ständig aktualisiert, da sie der Überwachung und Steuerung des europäischen Stromnetzes dienen.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Netzplänen bilden sie die geografischen Gegebenheiten ab.

Netzplan eines Stadtnetzes (Mittelspannung)

Beispiel eines Stadtnetzes

Nebenstehende Abbildung zeigt ein typisches Stadtnetz für Orte mit ca 100 000 Einwohnern. Anfänglich lagen diese Pläne typisch als 'Mosaikbild' oder 'Stecknadelbild' vor, später wurde computerbasierte Zeichenprogramme zur Dokumentation eingesetzt und aktuelle Änderungen durch 'Stecknadeln' mit farbigen Köpfen gekennzeichnet, heute dienen meist SCADA-Systeme zur dynamischen Visualisierung des aktuellen Zustands des Netzes.

Die unterschiedlichen Einfärbungen des Netzplanes werden häufig verwendet, um einzelne 'Stromkreise' zu kennzeichnen, d.h. Bereiche des Netzes die über jeweils eine Einspeisung verfügen. Dickere Linien kennzeichnen hier Sammelschienen an denen die einzelnen Stränge angebunden sind. Im Regelfall versuchen die Netzbetreiber Stränge so zu konstruieren, dass beide Enden jeweils an einer Sammelschiene enden, so dass im Fehlerfall schnell die Versorgung der Verbraucher wieder hergestellt werden kann

Netzpläne sind innerhalb der entsprechenden Abteilungen eines EVU vorhanden, aktuelle Unterlagen werden aber in der Regel aus Sicherheitsgründen nicht publiziert.

Es gibt jedoch frei verfügbare Dokumente über bestimmte Netzkomponenten wie Leitungsmasten und Netzstationen

Da Netzpläne nicht publiziert werden, haben sich teilweise unterschiedliche Symboliken und Sprechweisen in den einzelnen EVU entwickelt.

Innerstädtische Dokumentation (Niederspannungsnetz)

Grundbuchämter dokumentieren in der Regel den konkreten Leitungsverlauf, da dieser bei Erdarbeiten bekannt sein muss. Sie haben aber in der Regel keine Information darüber, ob eine konkrete Leitung aktuell unter Spannung steht oder nicht. Diese Sachlage schlägt sich in entsprechenden VDI-Vorschriften nieder.

Heutige Dokumentationsmöglichkeiten standen oft beim Verlegen der Leitungen noch nicht zur Verfügung. Entsprechend waren manche Informationen nur in den Köpfen der damaligen Bearbeiter enthalten

Textfragmente zur eventuellen Verwendung oder Löschung

Die Topologie eines Stromnetzes wird im Wesentlichen über die drei Elemente Sammelschienensysteme ('SSS', statisch, ein Ort), Leitungen ('Ltg' statisch, führt von einem Ort zu einem anderen) und Schalter (dynamisch an einem Ort, verbindet gegebenenfalls SSS und Ltg) definiert. Abhängig von den Schalterstellungen jedes Schalters (EIN oder AUS) entstehen daraus schnell Tausende von potentielle Topologien.

Netzelemente (Trennlaschen, Trennschalter, Lasttrenner, Leistungsschalter, Schutzgeräte genauer beschreiben?)

Weblinks

• ENTSO-E, Karte des Verbundnetz von Europa und Nordafrika.
• §52 EnWG, Meldepflichten bei Versorgungsstörungen
• [1], Einführung Netzleitsystem in Schwäbisch Hall
• [2] Technische Daten Stromnetz Hamburg]
• Netzkarten Deutschland

Literatur

• Gerhard Kiefer: VDE 0100 und die Praxis. 1. Auflage. VDE-Verlag, Berlin und Offenbach 1984, ISBN 3-8007-1359-4. 
• Nichtöffentliche Ausschreibungsunterlagen