Ultraschnelle Schutzsysteme zur Erhöhung der Sicherheit von komplexen Netz- und Anlagenstrukturen mit Realtime Validierung (MUSTANG)
Der Umbau des Energiesystems führt zu grundlegend veränderten Anforderungen an den Netzschutz. Die Integration dezentraler Erzeugungsanlagen und neuartiger Betriebsmittel in Kombination mit einer Vielzahl von Netzanschlusskonzepten (z.B. Mehrendenleitungstopologien) bewirkt einen zunehmend dynamischen Netzbetrieb mit entsprechend dynamischen Kurzschlussleistungen über alle Spannungsebenen.
Diese Entwicklungen bringen konventionelle Schutzsysteme an ihre technischen Grenzen. Für die Gewährleistung eines selektiven, schnellen und gleichzeitig robusten Netzschutzes ist die Weiterentwicklung von Schutzkonzepten und -algorithmen notwendig. Ebenso entscheidend sind darauf abgestimmte Prüf- und Validierungstechnologien, um Schwachstellen und Optimierungspotenziale sowohl in bestehenden als auch in neuartigen Schutzsystemen frühzeitig zu identifizieren.
Die Schutztechnik soll Auslöseentscheidungen in sehr kurzer Zeit treffen und selektiv nur die tatsächlich fehlerbehafteten Anlagen- oder Netzabschnitte abschalten. Für den Nachweis der Funktionsfähigkeit sind realitätsnahe Schutzprüfungen erforderlich. Konventionelle Schutzprüfungen erfolgen bisher kaum im Gesamtsystem und meist unter idealisierten Prüfbedingungen. Dynamische und energiereiche Fehlerereignisse sowie der Einfluss der Netzdynamiken, die Auswirkung von Kleinsignalwandlern auf die Messwerterfassung der Schutzgeräte und Störungen innerhalb der Schutzkommunikation werden bei konventionellen Schutzprüfungen häufig nicht ausreichend berücksichtigt. Besonders kritisch sind in diesem Zusammenhang stromstarke Fehler mit Störlichtbögen: sie belasten Netzkomponenten erheblich, können zu schweren Schäden führen und stellen eine unmittelbare Gefährdung von Personen dar. Die Detektion und Klärung solcher Fehler muss so schnell wie möglich erfolgen, um die freigesetzte Energie und damit das Schadenspotenzial auf ein Minimum zu begrenzen.
Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens ist die signifikante Erhöhung der Betriebssicherheit in komplexen Netzstrukturen und leistungsstarken Verteilungsanlagen. Dies soll durch die Entwicklung, Implementierung und Validierung innovativer Schutzalgorithmen zur präzisen Fehlerortung sowie zur ultraschnellen und zuverlässigen Detektion von Störlichtbögen erreicht werden. Ein zentraler Bestandteil des Vorhabens ist die Entwicklung detaillierter Simulationsmodelle (Modellnetze), die komplexe Netzstrukturen und moderne Verteilungsanlagen realitätsnah abbilden. Dabei wird insbesondere das transiente Systemverhalten in Fehlerfällen – wie beispielsweise bei Störlichtbögen – berücksichtigt. Ergänzend werden Modelle neuartiger Betriebsmittel integriert, darunter nichtkonventionelle Strom- und Spannungswandler, Schutzkommunikationssysteme sowie dezentrale Erzeugungseinrichtungen. Hiermit können Schutzsysteme unter praxisnahen Bedingungen umfassend analysiert und die entwickelten Schutzalgorithmen hinsichtlich ihrer Robustheit, Reaktionsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit optimiert werden. Parallel dazu erfolgen die Konzeption, der Aufbau und die Evaluation eines Echtzeit-Reallabors an der TU Dresden. In diesem wird das Zusammenwirken mehrerer Schutzsysteme innerhalb eines Modellnetzes im Hardware-in-the-Loop-(HiL)-Betrieb experimentell untersucht. Die Echtzeitberechnung des transienten Systemverhaltens der Modellnetze sowie die realitätsnahe Abbildung der Interaktion zwischen physikalischen Schutzgeräten unter Einbindung moderner Kommunikationsschnittstellen bilden die Grundlage für eine dynamische und ganzheitliche Analyse. Dadurch wird erstmals eine systematische Bewertung des Zusammenwirkens mehrerer Schutzsysteme in komplexen Netzstrukturen ermöglicht.
M.Sc. Jonathan Kluge
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