Netzsimulation für Energieversorger und Netzverbundstudien

Wichtigste Erkenntnisse

• Das Netzwerkmodell ist die Grundlage, auf der ein Versorgungsstudienprogramm basiert, und die Studienqualität gibt Aufschluss darüber, wie gut dieses Modell auf dem neuesten Stand gehalten wird.
• Planung, Betrieb und Überprüfung der Netzverbundfähigkeit stellen unterschiedliche Anforderungen an dasselbe Netz, daher ist ein gepflegter Fall besser als drei separate Kopien.
• Der Durchsatz der Netzanbindung lässt sich am stärksten verbessern, wenn validierte dynamische Modelle bereits vor dem Eintreffen einer Anfrage bereitstehen und nicht erst im Verlauf der Studie nachträglich erstellt werden müssen.

Ein Simulationsprogramm für Stromnetze funktioniert am besten, wenn ein einziges, regelmäßig gepflegtes Netzmodell Planungsfragen, betriebliche Fragen und Anträge auf Netzanschlüsse beantwortet, ohne dass es für jede Untersuchung neu erstellt werden muss.

Dieses Modell ist stark ausgelastet. Ende 2025 standen im Rahmen von rund 8.200 Projekten über 2.060 GW an Erzeugungs- und Speicherkapazität zur Netzanbindung an, und jeder Antrag landet in einer Prüfungswarteschlange, die jemand abarbeiten muss. Ein solches Volumen unterscheidet den Energieversorger, der sein Netzmodell als zu pflegenden Vermögenswert betrachtet, von demjenigen, der für jedes Projekt einen neuen Fall zusammenstellt.

Bei der Stromnetzsimulation in einem Energieversorgungsunternehmen geht es weniger um die Auswahl eines Solvers als vielmehr um die Durchführung eines Studienprogramms, das von einem Planungsszenario für das Jahr 2035 bis hin zu einer unterzeichneten Netzverbundvereinbarung durchgängig kohärent bleibt. Das Modell ist das Kapital. Die Qualität der Studien, der Durchsatz in der Warteschlange und das Vertrauen der Betreiber hängen alle davon ab, wie gut es gepflegt wird.

Was umfasst die Netzsimulation im Rahmen eines Studiengangs im Bereich Energieversorgung?

Bei der Netzsimulation wird ein mathematisches Modell eines Stromnetzes durchgespielt, um vorherzusagen, wie Spannungen, Ströme, Frequenz und Schutzsysteme auf eine Störung oder einen neuen Netzanschluss reagieren. Bei einem Energieversorger dient sie zur Unterstützung von drei festen Aufgabenbereichen: der langfristigen Planung, der Betriebsunterstützung und der technischen Prüfung von Anträgen auf Netzanschluss von Erzeugern.

Diese Aufgaben haben im Hintergrund fast alles gemeinsam. Ein Planer, der die Sommer-Spitzenlasten auf einer 230-kV-Leitung überprüft, ein Betriebs Ingenieur:innen , der nach einem Leitungsausfall die Grenzwerte für den nächsten Tag festlegt, und ein Netzverbund Ingenieur:innen , der einen Antrag auf 200 MW Solarenergie plus Speicherkapazität prüft – sie alle greifen auf dieselben Daten zu Sammelschienen, Abzweigungen und Generatoren zurück. Wenn jede Gruppe eine eigene Kopie führt, stimmen die Ergebnisse nicht mehr überein.

Der Einsatz des Programms als ein einziges System of Record verändert die Arbeitsschwerpunkte Ihrer „ Ingenieur:innen “. Sie hören auf, Fälle miteinander abzugleichen, und beginnen stattdessen, über Ergebnisse zu diskutieren – und genau diese Diskussion ist es wert, geführt zu werden. Außerdem verkürzt sich dadurch der Einarbeitungsprozess für neue Planer, da sie nur noch eine Fallhistorie statt dreier lernen müssen. Für die meisten Versorgungsunternehmen ist diese Konsolidierung politisch schwieriger als technisch.

Inwiefern sich Planungsstudien und Betriebsstudien hinsichtlich ihres Zwecks unterscheiden

Der Hauptunterschied zwischen Planungsstudien und Betriebsstudien liegt in der Frage, die jeweils beantwortet wird. Bei der Planung geht es um die Frage, ob das Netz angesichts steigender Lasten und neuer Erzeugungskapazitäten in den nächsten 5 bis 15 Jahren belastbar sein wird. Bei der Betriebsplanung geht es darum, ob das Netz heute Nacht mit den derzeit in Betrieb befindlichen Anlagen und den bereits geplanten Ausfällen belastbar sein wird.

Der Zeithorizont bestimmt jede nachfolgende Entscheidung. Ein Szenario, das auf eine Spitzenlast im Sommer 2035 ausgelegt ist, basiert auf einer prognostizierten Last und einem Erzeugerpark, der noch nicht existiert, und lässt daher gewisse Annahmen zu. Ein Szenario für den nächsten Tag basiert hingegen auf dem tatsächlichen Ausfallplan, dem tatsächlichen Einsatzplan der Kraftwerke und einer Momentaufnahme des Zustandsschätzers und lässt so gut wie keine Annahmen zu.

Beide Arten von Analysen gehen von demselben gepflegten Modell aus. Die Planung verschiebt den Basisfall zeitlich nach vorne, während die operative Planung ihn seitlich an die aktuellen Bedingungen anpasst. Dadurch kann ein Kontrollraum Ingenieur:innen auf einen Grenzwert vertrauen, der auf einer drei Jahre zuvor getroffenen Annahme basiert.

Erstellung des Basis-Netzmodells, auf das sich ein Versorgungsunternehmen stützt

Ein Basisszenario ist eine validierte Momentaufnahme des Netzes, von der jede Untersuchung ausgeht. Es enthält die elektrischen Parameter des physikalischen Systems sowie die Einstellungen, die bestimmen, wie sich die Anlagen verhalten, wenn ein Fehler auftritt, und wird aus Daten zusammengestellt, die über mehrere Versorgungssysteme verteilt sind.

Der Großteil dieser Daten ist bereits irgendwo vorhanden. Die Aufgabe besteht darin, sie an einem Ort zusammenzuführen und nachzuweisen, dass die einzelnen Teile miteinander übereinstimmen.

• Angaben zur Leitungs- und Kabelimpedanz, die aus Bestandszeichnungen und nicht aus Planungsschätzungen stammen
• Nennleistungen, Stufenspannungsbereiche und Wicklungskonfigurationen von Transformatoren auf jeder Spannungsebene
• Die Einstellungen der Schutzrelais und die Auslösezeiten der Leistungsschalter entsprechen den von den Einsatzteams vor Ort programmierten Werten
• Lastzusammensetzung nach Einspeisepunkt, einschließlich des Anteils der Motoren, da diese die Spannungsrückgewinnung dominieren
• Die Steuerungsparameter des Wechselrichters wurden anhand der Testberichte vor Ort und nicht anhand der Datenblätter überprüft

Gerade bei diesem letzten Punkt haben die meisten Programme Schwächen. Nennleistungsdaten lassen sich leicht erfassen, die Steuerungseinstellungen hingegen nicht, da sich diese während der Inbetriebnahme und erneut nach jedem Firmware-Update ändern. Ein Dienstprogramm, das diese Werte einmalig beim Einschalten erfasst, verwendet ein Modell, das vom Ist-Zustand der Anlage abweicht, bis eine Störungswiedergabe nicht mehr mit der Aufzeichnung übereinstimmt.

Gewährleistung der Genauigkeit des Netzwerkmodells zwischen den Studienzyklen

Die Genauigkeit eines Modells nimmt von selbst ab. Geräte werden ausgetauscht, Schutzeinstellungen angepasst, die Firmware von Wechselrichtern aktualisiert – und nichts davon fließt in den Simulationsfall ein, es sei denn, jemand überträgt diese Änderungen dorthin. Die Pflege des Modells bedeutet, einen festgelegten Aktualisierungszyklus mit benannten Verantwortlichen durchzuführen, anstatt die Daten erst dann zu aktualisieren, wenn eine Simulation fehlschlägt.

Die Ergebnisse der Prüfung zeigen, wie groß die Lücke ist. Bei den 150 von der NERC geprüften Wechselrichteranlagen stimmten die Parameter für die Spannungserhaltung in nur 35 % bis 44 % der Vergleiche mit den Einstellungen vor Ort überein, und die Droop-Verstärkung stimmte in 45 % der Fälle überein. Da es sich hierbei um die Parameter handelt, auf die sich eine Studie zur Störungsüberbrückung stützt, führt eine Diskrepanz nicht zu einem leicht falschen Ergebnis. Vielmehr ergibt sich ein eindeutig falsches Ergebnis, das die Überprüfung besteht.

Einige Energieversorger verknüpfen Modellaktualisierungen mit dem Änderungskontrollprozess für Relais-Einstellungen, sodass eine Einstellung vor Ort nicht ohne einen entsprechenden Modellsatz genehmigt werden kann. Andere führen eine jährliche Validierungsrunde durch, bei der aufgezeichnete Störungen nachgestellt und die simulierte Reaktion mit Phasor-Messdaten verglichen wird. Beide Ansätze haben sich langfristig bewährt. Die Modellpflege als Arbeit unter Termindruck zu behandeln, hingegen nicht.

„Das sind die Parameter, auf denen eine Studie zur Störungsüberbrückung basiert; eine Abweichung führt also nicht zu einem nur leicht falschen Ergebnis.“

Was in den einzelnen Phasen der Netzverbundstudie erforderlich ist

Eine Studie zur Netzanbindung verläuft schrittweise vom Screening bis zur detaillierten technischen Planung, wobei in jeder Phase eine immer spezifischere Frage an das Modell gestellt wird. In den frühen Phasen wird geprüft, ob ein Projekt überhaupt realisierbar ist. In den späteren Phasen werden die Kostenverantwortung und die Auslegungsparameter der Anlagen festgelegt, die in einer unterzeichneten Vereinbarung festgehalten werden.

Bei diesem Ablauf zahlt sich Vorbereitung mehr aus als Schnelligkeit. Ein Energieversorger, der bereits über validierte dynamische Modelle für den umliegenden Kraftwerkspark verfügt, schließt eine Systemauswirkungsstudie innerhalb weniger Wochen ab, während ein Energieversorger, der für jedes benachbarte Kraftwerk die Modelle des Herstellers einholen muss, diese Zeit mit der Datenerfassung verbringt. Die meisten ins Stocken geratenen Studien scheitern eher an den Daten als an der Analyse; daher verlieren Energieversorger, die unvollständige Modellpakete bereits bei der Annahme ablehnen, später weniger Zeit für Nacharbeiten. Eine Anlagenstudie in einem Gebiet mit hohem Wechselrichteranteil erfordert zudem detaillierte Informationen zu elektromagnetischen Transienten, die ein Lastfluss-Tool nicht liefern kann. OPAL-RT hat daher „ HYPERSIM “ und „ePHASORSIM“ entwickelt, damit Sie zwischen verschiedenen Detailebenen wechseln können, ohne die Modelle neu erstellen zu müssen.

Die Rolle der Analyse der Aufnahmekapazität in der Versorgungsplanung

Bei der Analyse der Aufnahmekapazität wird berechnet, wie viel zusätzliche Erzeugungsleistung eine Zuleitung oder ein Umspannwerk aufnehmen kann, bevor Spannungs-, thermische oder Schutzgrenzwerte überschritten werden. Diese Analyse erfolgt bereits im Vorfeld konkreter Anfragen, sodass Entwickler und Planer erkennen können, wo noch Spielraum besteht, ohne eine formelle Studie in Auftrag geben zu müssen.

Die Verteilungsnetzbetreiber veröffentlichen die Ergebnisse in Form von öffentlichen Karten, und der Filtereffekt tritt sofort ein. Ein Projektentwickler, der eine 12-kV-Zuleitung mit einer verbleibenden Kapazitätsreserve von 4 MW ins Auge fasst, wird sein Projekt dort ansiedeln, anstatt eine bereits ausgelastete Zuleitung in zwei Kilometern Entfernung zu wählen. Ein Antrag, den niemand stellt, bedeutet einen Studienzyklus, den Ihr Team einsparen kann.

Die Analyse ist nur so zuverlässig wie das ihr zugrunde liegende Modell. Vorläufermodelle mit geschätzten Leitungslängen und fehlenden Reglereinstellungen liefern Spielräume, die bei der ersten detaillierten Untersuchung zusammenbrechen, und die Kosten für den Glaubwürdigkeitsverlust gehen zu Lasten des Energieversorgers. Durch die regelmäßige Aktualisierung der Ergebnisse in festgelegten Abständen – und zwar aus demselben Modell, mit dem auch die Planer arbeiten – stellen die veröffentlichten Zahlen und die Untersuchungsergebnisse ein einheitliches Bild dar.

Was gut durchdachte Studienprogramme über eine lange Nutzungsdauer hinweg leisten

Ein Studienprogramm für Versorgungsunternehmen gewinnt Vertrauen langsam und verliert es schnell. Der Nutzen von gepflegten Modellen, versionierten Fallbeispielen und einer dokumentierten Untersuchungsabfolge zeigt sich in Antworten, die Bestand haben, wenn ein Entwickler sie hinterfragt, wenn eine Aufsichtsbehörde sie überprüft und wenn ein Betreiber um drei Uhr morgens entsprechend handelt.

Das ist alles keine exotische Technik. Es handelt sich um Dokumentenmanagement, das auf eine technische Anlage angewendet wird, und die Energieversorger, die dies gut umsetzen, haben die Aufgabe namentlich einer bestimmten Person übertragen. Die „ Ingenieur:innen “, die diese Programme leiten, werden Ihnen bestätigen, dass der schwierigste Teil niemals die Simulation war. Es ging vielmehr darum, die Anlagenbetreiber, die Sicherheitsgruppe und die Planer dazu zu bringen, sich auf einen gemeinsamen Satz von Zahlen zu einigen.

Die Software muss sich einfach aus dem Weg halten. Eine Plattform, die separate Modellerstellungen für stationäre, transiente und hardware Tests Anwendungen erzwingt, belastet jeden Zyklus – weshalb OPAL-RT auf einer einzigen Modelllinie basiert, die für alle diese Anwendungsfälle genutzt wird. 

„Wenn Sie das Modell richtig aufsetzen und beibehalten, ist Ihr Studienprogramm nicht mehr der Engpass, den Ihre Warteschlange dafür verantwortlich macht.“