Analysen eines deutschen Verteilnetzbetreibers und DNV zeigen, dass die Asset-Monitoring-Plattform von DNV die Ausfallzeiten reduzieren und gleichzeitig eine positive Kapitalrendite erzielen kann.
Eine gemeinsame Studie von RNG und DNV zeigte, dass die Smart Cable Guard Monitoring-Plattform von DNV die Ausfallzeiten um 55 % reduzieren und gleichzeitig eine positive Kapitalrendite erzielen kann.
Die Rheinische NETZGesellschaft (RNG) ist der Netzbetreiber für die Stadt Köln sowie die Region Rheinland und verwaltet Strom-, Gas- uns Wassernetze mit einer Gesamtlänge von über 30.000 Kilometern. Die zunehmende E-Mobilität, der Wohnungsneubau, die Ausweitung von Gewerbe- und Industriegebieten sowie die dezentrale Einspeisung erneuerbarer Energien wie Wind und Sonne erhöhen die Kapazität und erfordern eine Flexibilität der elektrischen Last in den Verteilnetzen. Gleichzeitig steht die RNG vor der Herausforderung, die bestehenden Kabel-Assets optimal instand zu halten und ressourceneffizient zu erneuern. Um die Versorgungsqualität weiter zu verbessern und die Kapazität zu erhöhen, wie von der Bundesnetzagentur (BNetzA) gefordert, möchte RNG potenzielle Störungen so früh wie möglich erkennen und Ausfallzeiten auf ein Minimum reduzieren.
In der Vergangenheit setzte die RNG auf fernauslesbare Kurzschlussanzeiger (KSA) und intelligente Ortsnetzstationen als Mehrpunktautomatisierung (iONS), um die Ausfallzeiten in ihrem Stromnetz zu reduzieren. KSA erfordern jedoch immer noch zusätzliche Zeit von Ingenieuren, um den tatsächlichen Fehler entlang eines Kabelstromkreises zu lokalisieren. iONS ermöglicht es der Netzleitstelle, den Strom bei Störungen umzuleiten, ist jedoch mit einem hohen Preis verbunden und kann daher nur in einer ausgewählten Anzahl von (sekundären) Umspannwerken installiert werden. Das Smart Cable Guard System stellt hier eine vielversprechende Alternative dar.
2019 installierte RNG den Smart Cable Guard (SCG) von DNV, ein 24/7-Fehlervermeidungs- und -erkennungssystem, in drei ihrer Kabelkreise in Köln. SCG ist eine Asset-Monitoring-Plattform, die Folgendes bietet:
- Warnungen über erkannte Schwachstellen einschließlich eines Risikoniveaus, das anzeigt, wann vorbeugende Wartungsmaßnahmen erforderlich sind - Schwachstellen werden auf der Grundlage erkannter Teilentladungen (TE) oder intermittierender Fehler identifiziert
- Warnungen über erkannte Kurzschlussfehler, z. B. aufgrund von Grabungsarbeiten
- Genaue Lokalisierung (innerhalb von 1 % der Stromkreislänge) jeder erkannten Schwachstelle oder jedes Fehlers
- Informationen über den Gesamtzustand des Kabelstromkreises
Da KSA und iONS bereits in einigen Teilen des Netzes eingesetzt werden, wollte RNG den Zusatznutzen quantifizieren, den SCG in Bezug auf Kosten und Nutzen bringen könnte.
Smart-Grid-Kosten-Nutzen-Analyse
Gemeinsam mit den Beratern von DNV's SCG wurde ein Kosten-Nutzen-Modell für ein kleines Umspannwerkgebiet der RNG mit 15 Kabelabgängen entwickelt. Dieses Modell bewertete sowohl die vorhandenen Technologien als auch die SCG Plattform im Hinblick auf die Betriebs- und Investitionskosten im Vergleich zum finanziellen Nutzen.
Für die Erstellung eines Kosten-Nutzen-Modells wurde ein charakteristischer Bereich des RNG-Netzes ausgewählt. Dieser Bereich bestand aus einem Umspannwerk mit fünfzehn abgehenden Kabelkreisen mit den Bezeichnungen A bis O, die eine Gesamtlänge von 42 km haben, 122 sekundäre Umspannwerke/RMUs versorgen und eine Gesamtlast von 15,7 MW tragen.
Die fünfzehn abgehenden Kabel wurden als offene Ringe konfiguriert, wobei jeder Kabelkreis mindestens eine alternative Einspeisung für eine schnelle (teilweise) Wiederversorgung nach einem Fehler hatte. Weitere Parameter, die auf der Erfahrung von RNG- und DNV-Experten beruhen, waren z. B.: ca. 20 % der Kabelfehler werden durch äußere Einflüsse verursacht; die durchschnittliche Unterbrechungsdauer beträgt 40 Minuten; iONS wird die Unterbrechungsdauer für den Kabelabschnitt, der keinen Fehler aufweist, um 95 % reduzieren.
Die Kosten jeder Technologie setzen sich aus den Kapitalkosten für die Systemhardware und die Installation (abgeschrieben über 10 Jahre) sowie den jährlichen Betriebs- und Servicekosten zusammen. Für iONS wurden nur die Kosten für die Fernbedienung und nicht die Kosten für den motorisierten Schalter berücksichtigt. Der Nutzen jeder Technologie wurde auf der Grundlage der Kosten für die vermiedene Ausfallzeit pro Minute und Last berechnet.
Alle 15 Kabelabgänge des untersuchten Umspannwerks wurden beim Einsatz von SCG, iONS und KSA (einschließlich Fernablesung) analysiert. In dieser Analyse wurde die Länge des von SCG überwachten Kabelkreises aufgrund des hohen Anteils an papierisolierten (PM) Kabeln auf 3 km begrenzt. Außerdem wurden SCG und iONS nicht mit KSA kombiniert, da beide Technologien bereits eine Fehlererkennungsfunktion umfassen.
Abbildung 1. Gesamtergebnisse der Anwendung von SCG, iONS und KSA in einem Umspannwerk
Das Gesamtergebnis der Kosten-Nutzen-Analyse zeigte, dass von den fünfzehn Kabelschaltungen die fünf längsten Kabelschaltungen mit einer großen Anzahl von Ortsnetzstationen (über 10) und der höchsten Last (über 1 MW) ein positives Kosten-Nutzen-Ergebnis aufwiesen, wenn SCG, in einigen Fällen in Kombination mit der iONS-Technologie, eingesetzt wurde. Abbildung 1 zeigt die Gesamtergebnisse der Kosten-Nutzen-Analysen: In abnehmender Reihenfolge profitieren die Kabelkreise M, N, B, A und O vom Einsatz von SCG oder einer Kombination aus SCG und iONS. Die Verwendung von KSA hat in allen Kabelkreisen ein negatives Kosten-Nutzen-Ergebnis.
Abbildung 2 zeigt die Optionen für einen der 15 abgehenden Kabelstromkreise mit der Bezeichnung N. Die Diagonale stellt die Ausgleichslinie zwischen Kosten und Nutzen dar. Der Abstand zu dieser Geraden ist daher entscheidend für das finanzielle Ergebnis. Für den Kabelstromkreis N stellt eine Kombination aus zwei SCG-Systemen und der Implementierung von iONS in drei sekundären Unterstationen die höchste Versorgungsqualität dar. Die Installation dieser Kombination digitaler Technologien würde es RNG auch ermöglichen, die erwartete Ausfallzeit dieser speziellen Kabelleitung von 7,5 Minuten auf 0,7 Minuten zu reduzieren. Der Einsatz eines dritten SCG-Systems in der Abzweigung zwischen N3 und N5 würde die Ausfallzeit weiter auf 0,5 Minuten reduzieren, aber zu einem negativen Kosten-Nutzen-Ergebnis führen.
Abbildung 2. Bewertung aller relevanten Kombinationen von digitalen Technologien im Kabel N
Um die Ergebnisse der Kosten-Nutzen-Analyse zu verifizieren, führte DNV auch eine Berechnung der Netzzuverlässigkeit mit der Software NEPLAN® durch. Es wurde ein Netzmodell für das charakteristische Netzgebiet erstellt, mit dem Lastfluss und Zuverlässigkeit für das Mittelspannungsnetz dieses Umspannwerks berechnet wurden. Die Ergebnisse dieser Zuverlässigkeitsberechnungen zeigen, dass, wie in der Kosten-Nutzen-Analyse, die Kabelkreise M, N, B, A und O das optimale Ziel für den Einsatz von SCG sind.
Wenn die vorgeschlagenen kombinierten Technologien auf alle fünf Kabelkreise angewandt werden, die von der Digitaltechnik profitieren, wird die erwartete Ausfallzeit (ASIDI) für das gesamte von diesem Umspannwerk abgedeckte Gebiet von 3,8 Minuten auf 1,7 Minuten (-55 %) reduziert. Ausgehend von dieser Verbesserung bringen die für diese fünf Kabelkreise erforderlichen Investitionen eine jährliche Rendite von mehr als 8 %.
Mehr Informationen
Möchten Sie mehr über dieses von DNV entwickelte Kosten-Nutzen-Modell erfahren? Ein ausführlicherer Artikel wurde in der deutschen Fachzeitschrift Energiewirtschaft ew-Magazin 6/2022 | ew-Magazin(login erforderlich).
Oder setzen Sie sich mit dem Smart Cable Guard-Team von DNV in Verbindung, um zu besprechen, wie Sie die Ausfallzeiten in Ihrem Stromnetz verringern können.