Den Netzbetrieb mit Modellen optimieren

Bereits seit Jahren investiert BKW Power Grid in netz­berech­nungs­basierte Funktionen. Das State-Estimation-Modell wurde zunächst auf der Über­tragungs- und Verteil­netz­ebene eingeführt. Erste Arbeiten begannen um 2006, als BKW Power Grid – damals noch Über­tragungs­netz­betreiber – begann, sämtliche Leitungen mit elektro­techni­schen Parametern zu hinterlegen, Trans­formatoren und deren Stufen­steller zu modellieren sowie die Charak­teristiken der Wasser­kraft­werke und Genera­toren abzubilden. Die ersten Ergebnisse waren ernüch­ternd: Das Modell konvergierte nicht oder nur mit grossen Toleranzen. Über mehrere Jahre hinweg wurden daher Mess- und Ver­knüp­fungsfehler korrigiert, Leitungs­para­meter nach­gemessen und Trans­formatoren anhand bestehender Prüf­proto­kolle neu modelliert. Diese Arbeit führte schliesslich zu einem hoch­präzisen und verläss­lichen Hoch­spannungs­modell.

Der nächste Schritt war die Integration des gesamten Mittel­spannungs­netzes. Dies war deutlich komplexer – die Anzahl der Knoten stieg von rund 400 (HS) auf über 18’000 (HS+MS) – gleichzeitig jedoch trans­parenter, da das Mittel­spannungs­netz nur gering vermascht ist. Die zentrale Heraus­forderung bestand im Import der Modell­daten aus dem Geo­infor­mations­system (GIS). Aufgrund der grossen Daten­menge war eine manuelle Erfassung nicht praktikabel. Da die Model­lierungen im Scada- und GIS-System stark voneinander abwichen, entwickelte BKW Power Grid ein internes Matching-Tool.

Eine weitere Schwierigkeit war die fehlende Mess­infra­struktur im Mittel­span­nungs­netz. Verfügbar waren lediglich Messungen an den MS-Abgängen der HS/MS-Stationen. Um dennoch eine Zustands­schätzung durch­führen zu können, wurden sogenannte Pseudo-Messungen eingeführt: Trafo­stationen erhielten repräsen­tative tägliche Last­gang­kurven, die auf einer mehrjährigen Mess­kampagne an über 80 Trafo­stationen basierten. So konnte das Verbrauchs­ver­halten der Stationen realitätsnah abgebildet werden (Bild 1).

Die dritte Heraus­forde­rung war die Modellie­rung dezentraler Ein­spei­sungen. Aufgrund des starken Zuwachses von PV-Anlagen musste deren Verhalten berück­sichtigt werden. Grössere PV-Anlagen (> 500 kW) wurden an das Scada-System angebunden, sodass ihre tatsächliche Ein­speise­leistung in Echtzeit erfasst und prozentual auf kleinere Anlagen übertragen werden konnte. Dadurch entstand ein umfas­sender Echt­zeit­überblick über alle dezen­tralen Einspeiser im Verteil­netz – sowohl im Betrieb als auch in Simu­lationen (Bild 2).

OPF zur Kontrolle der Blind­leistungs­kosten im Verteilnetz

Optimal Power Flow (OPF) ist eine Standard­funktion moderner Netz­leit­systeme. Während klassische Lösungen auf die Minimierung von Netz­verlusten abzielen, entwickelte BKW Power Grid eine eigene Variante, die primär die Gesamt­kosten des Netzes reduziert. Dazu zählen Kosten für Netz­verluste, Blind­leistungs­austausch und Blind­leistungs­erzeugung der Generatoren.

Besonders relevant ist dies im Kontext des komplexen Spannungs­haltungs­konzepts von Swissgrid (2020), das eine ständige Über­wachung erfordert. Während andere Tools lediglich die Kosten der Teilnahme an der Spannungs­haltung im Über­tragungs­netz optimieren, berücksichtigt die Lösung von BKW Power Grid auch die wesentlich höheren Kosten der Netzverluste – und erzielt damit deutlich bessere Ergebnisse.

Das OPF liefert minütlich Optimie­rungs­ergebnisse. Eine direkte Umsetzung in dieser Frequenz wäre jedoch unprak­tisch und würde die Betriebs­mittel (Stufen­schalter) zu oft einsetzen. Daher wurde ein Skript entwickelt, das relevante Ergebnisse auswählt und automatisch auf Trans­formatoren und Generatoren überträgt. So wird eine optimale Balance zwischen Kosten­reduktion und System­stabilität erreicht.

Asynchroner Trafobetrieb

Im Zuge der Netz­optimierung unter­suchte BKW Power Grid den asynchronen Betrieb von Kuppel­trans­formatoren zwischen Übertragungs- und Verteilnetz. Während Trans­forma­toren bisher synchron – mit identischem Über­setzungs­verhältnis – betrieben wurden, ermöglicht der asynchrone Betrieb abweichende Stufen­stellungen und damit Vorteile wie:

• feinere Spannungs­regelung,
• flexibleren Blind­leistungs­austausch,
• reduzierte Betriebs­kosten,
• verbesserte Blind­leistungs­bilanz.

Demgegenüber stehen potenzielle Nachteile wie zusätzliche Verluste und eine Erwärmung, die wiederum eine schnellere Alterung durch induktive Kreisströme zur Folge haben kann. Nach nötigen Software­anpas­sungen konnte das Optimal Power Flow auch den asyn­chronen Betrieb einbeziehen und so ein Kosten­optimum berechnen.

Pilotprojekt

Ein Pilotprojekt mit den 220/132-kV-Trans­forma­toren in Mühleberg kombinierte Last­fluss­simu­lationen mit praktischen Tests (Bild 3). Zusätz­liche Tempe­ratur­sensoren bestätigten zwar leichte Tempe­ratur­anstiege, jedoch ohne kritische Werte. Die Stufen­differenz wurde auf zwei Stufen begrenzt (rund 20 Mvar Kreislauf je Stufe). Dies ermöglichte einen wirk­samen Ausgleich von 1,5 – 4 Mvar. Das OPF integrierte diese Effekte in seine laufende Optimierung und setzte die entsprechenden Stufen automatisch.

Ergebnisse (Juni bis August 2024, Bild 4):

• 70% der Zeit keine Stufen­differenz,
• 16% eine Stufen­differenz,
• 14% zwei Stufen­differenzen.

Die Blind­leistungs­rechnung konnte um rund 2,25% bzw. 6500 CHF pro Monat reduziert werden. Die zusätzlichen Verluste von 30–60 kW waren thermisch und wirt­schaftlich vernach­lässigbar.

Der asynchrone Betrieb der Trans­formatoren ist eine ergänzende Massnahme zum bei BKW Power Grid eingesetzten OPF-System. Er ermöglicht eine Optimierung der Nutzung der beste­henden Infra­struktur und trägt gleichzeitig zur Senkung der Span­nungs- und Blind­leistungs­kosten bei. Derzeit werden weitere Anwendungen im Netz geprüft, um diese Betriebsart auszuweiten und mehr Ausspeise­punkte mit dem asyn­chronen Betrieb betreiben zu können.

Ausblick auf zukünftige Möglichkeiten

Die Netzmodelle von BKW Power Grid werden künftig noch bedeutendere Aufgaben übernehmen. Da das Mittel­span­nungs­netz weitgehend ungemessen ist, wird die Not­fall­steuerung auf der State Estimation basieren. Über­lastungen und Spannungs­verlet­zungen können so erkannt und durch gezielte Eingriffe bei steuer­baren Anlagen (PV, Wärme­pumpen, Lade­infra­struktur, Batterien) beseitigt werden. Ab 2026 soll dieses Soft­ware­modul den Netzbetrieb aktiv unterstützen.

Parallel wird die Modell­genauig­keit weiter verbessert: Während heute generelle Last­gang­kurven verwendet werden, ermöglichen Smart Meter künftig die Aggregation von Messungen auf Trafo­kreis­ebene. Dies schafft präzisere Lastprofile und erhöht die Verläss­lichkeit der Modelle erheblich.

Fazit

Die kontinu­ierliche Weiter­ent­wicklung von State Estimation und Optimal Power Flow (OPF) ist ein zentraler Baustein der Moderni­sierung des Netz­betriebs bei BKW Power Grid. Aus anfänglich fehler­anfälligen Modellen entstand ein hoch­präzises Abbild des Über­tragungs- und Verteil­netzes. Mit Pseudo-Messungen, der Abbildung dezentraler Einspeiser und inno­vativen OPF-Strategien wurde ein umfas­sender Echt­zeit­überblick geschaffen und die Kosten­struktur optimiert.

Der erfolgreiche Pilot zum asyn­chronen Trans­forma­tor­betrieb zeigt zudem, wie neue Betriebs­weisen zusätzliches Potenzial für Effizienz­gewinne und Flexi­bilität erschliessen.

Damit bilden die eingesetzten mathe­matischen Modelle nicht nur die Grundlage für den aktuellen Betrieb, sondern auch für künftige Notfall­steue­rungen und ein leistungs­fähiges Einspeise- und Last­manage­ment im Zuge der Energiewende.