Bachelorarbeiten

Smart Meter stellen für die Energiewende in Deutschland einen großen Fortschritt dar. Durch diese neuen Stromzähler ist nicht nur eine erhöhte Transparenz des Stromverbrauchs gegeben, sondern es entstehen dadurch auch neue Einsparpotenziale bei den Stromkosten. Doch die Pläne eines deutschlandweiten Einbaus werden nach einer aktuellen Studie nicht in der vorgegebenen Zeit umgesetzt. Denn es zeigt sich, dass die derzeitig gegebenen gesetzlichen Vorgaben nicht ausreichend dazu beitragen, die gesetzten Ziele ausreichend schnell umzusetzen. Unter anderem sind die Kosten für die neuen Smart Meter Systeme ein Problem. Aus diesem Grund hat sich diese Arbeit als Ziel gesetzt, ein Konzept zu entwickeln, welches die Funktionsweise bestehender Smart Meter Systeme soweit wie möglich nachahmt und diese auf momentan genutzte Ferraris-Zähler überträgt. Dazu werden zunächst bestehende Messsystemmodelle analysiert und relevante Funktionsweisen herausgefiltert. Aus gegebenen Verordnungen für diese Modelle werden im nächsten Schritt Anforderungen für die einzelnen Systembestandteile formuliert. Im Anschluss erfolgt eine exemplarische Implementierung dieses Konzepts mit auf dem Markt erhältlichen Komponenten. Abschließend wird die Umsetzung bewertet und Empfehlungen für ein weiteres Vorgehen ausgesprochen.

Die Energiewende, steigende Strompreise und Komfortvorstellungen erhöhen die Anforderungen an die Haushaltsgeräte in Privathaushalten, die zukünftig von einem Smart Home mit intelligenten, vernetzten Geräten erfüllt werden sollen. Ein Bestandteil dessen ist das Smart Metering, das den kosteneffizienten Betrieb der Haushaltsgeräte durch Verbrauchsstatistiken und den Zugang zu neuartigen Stromtarifmodellen ermöglicht. Diese Arbeit untersucht den Markt nach Produkten im Bereich der Vernetzung und der Haushaltsgeräte, die diesen Anforderungen gerecht werden, und beschreibt sie. Die Möglichkeiten der Kosteneinsparung beim Stromverbrauch werden anhand des statistischen Durchschnittshaushalts aufgezeigt, analysiert und mittels eines simulierten Beispielhaushalts in verschiedenen Szenarien geprüft. Dabei werden unterschiedliche Automatisierungsgrade der Haushaltsgeräte und zeitvariable Stromtarife auf ihre Einsparungssteigerung untersucht, und die tatsächliche Realisierbarkeit durch den Endverbraucher geprüft.

Im bei der E.ON Netz GmbH als Teilnetz Oldenburg bezeichneten Netzgebiet wurde in einem Feldversuch die Sollspannung des 110-kV-Teilnetzes temporär abgesenkt. In der Arbeit werden, durch Auswertung der Messwerte aus den Leitsystemen, die Auswirkungen dieses Feldversuches auf die Höchst-, Hoch- und Mittelspannungsnetze sowie in diesen Netzen angeschlossene Verbraucher und Erzeuger untersucht. Der Fokus liegt dabei in der Wirkung auf das Blindleistungsverhalten. In der Arbeit wurde in theoretischen Vorbetrachtungen das Verhalten der im Netz vorkommenden Betriebsmittel bei Spannungsänderung analysiert.

Die Strommarktliberalisierung der letzten beiden Jahrzehnte brachte den internationalen Stromhandel dazu, fortschreitend an Bedeutung zu gewinnen. Als Reaktion auf überlastete Netzelemente im Zuge der zu hohen Handelsvolumina wurden dem Handel mit Strom an sich Übertragungsrechte vorausgesetzt, die sich in Form der derzeitigen Net Transfer Capacity (NTC), also Übertragungskapazitäten an den einzelnen Ländergrenzen äußern. Diese, meist an einer Grenze entlang abgestimmten, Kapazitäten sollen verhindern, dass physikalische Flüsse, die infolge eines internationalen kommerziellen Handels mit elektrischem Strom entstehen, die Netzsicherheit gefährden. In Zukunft könnte dieses einfache Verfahren von einer Methodik abgelöst werden, die den Einfluss des Stromhandels auf jedes Netzelement und deren Belastungen direkt abbilden kann - das Flow-Based-Verfahren. In dieser Arbeit wurde ein möglicher FB-Ansatz nach allgemein in Europa vorgesehenen Prozessstrukturen analysiert und mit einigen Anpassungen auf das Schweizer und umliegende Übertragungsnetz angewandt. Bezogen wurde sich hierbei auf die Länder Deutschland, Frankreich, Italien, Österreich und die Schweiz. - Zu Beginn wurden die notwendigen Daten, um eine Flow-Based-Analyse durchzuführen, zusammengetragen, ausgewertet und, um ein bestmögliches Ergebnis zu erzielen, aufgebessert. Hierbei wurde festgestellt, dass viele der gebrauchten Datensätze, die für einige andere Kapazitätsprozesse bestimmt werden, sich für das FB-Verfahren nicht eignen und entsprechende Korrekturen und Annahmen mussten gemacht werden. Darauf folgend wurden die für die Berechnung der Kapazitäten via FB benötigten Power Transfer Distribution Factors berechnet. Hierbei wurde auf eine manuelle Variante und eine Mischung aus AC und DC-Leistungsflussanalyse zurückgegriffen. Das hieraus aufgestellte mathematische Konstrukt wurde mit Hilfe von Matlab gelöst. Angewendet wurde dieses Verfahren auf mehrere Netzmodelle, wobei in dieser Arbeit eines ausführlich erörtert wird. - Die Ergebnisse der Berechnung via FB wurden anschließend mit dem herkömmlichen NTC-Verfahren verglichen. Deutlich sichtbar waren Korrelationen der Kapazitäten in übliche Handelsrichtungen, wobei mit Hilfe der FB-Methodik zu einem Großteil geringe Erhöhungen bestimmter Kapazitäten möglich waren. Weiterhin erkenntlich war, dass mit FB die Abhängigkeit der Kapazitäten von verschiedenen Grenzen, bzw. des Imports und Exports bestimmter Länder, deutlich dargestellt werden. Viele unübliche Handelsrichtungen wurden gegenüber dem NTC deutlich eingeschränkt, was an dieser Stelle die pragmatische Herangehensweise bei der NTC-Methodik angreift. Weiterhin wurde deutlich, dass das FB-Verfahren derzeit nicht auf Expertenwissen zurückgreifen kann. So sind viele NTC-Werte Erfahrungen entsprungen, was bei FB nicht möglich ist. Dies bezieht sich sowohl auf die verwendeten Eingangsdaten, deren Bestimmung, als auch die Skalierungsmethode für das Netzmodell. - Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse gute qualitative Aussagen über die FB-Methodik bringen. Nichtsdestotrotz ist eine derart geringe Anzahl an untersuchten Modellen nicht endgültig aussagekräftig. Dennoch wurde ein Großteil der erwarteten Punkte bestätigt, was nebst einem offensichtlich funktionierenden Berechnungsweg auf die Funktionalität der FB-Methode an sich schließen lässt. Der Vergleich zwischen zwei derart verschiedenen Bestimmungsmethoden ist hingegen schwer zu ziehen. Vor allem der ökonomische Aspekt, welcher hintergründig - nach Einhaltung der Sicherheitspolitiken - sicherlich der einflussreichste ist, muss untersucht werden. Zu diesem Punkt zählt auch das fehlende Optimierungsziel in dieser Arbeit. Bei einem NTC-Prozess ist es sicherlich das Maximieren der Kapazität an der untersuchten Grenze - bei der FB-Methode kann dieses Ziel, so wie angewandt, lediglich das Maximieren der Wirtschaftlichkeit der Kapazitäten sein. Weiterführend sind sicherlich einige, auch in der Arbeit angesprochene, Studien zu Unterpunkten im Berechnungsprozess zu machen, vor allem um ein Gefühl dafür zu bekommen, was einen wirklich großen Einfluss auf die Quantität und Qualität der FB-Domain hat.

Ziel dieser Arbeit war die Konzeptionierung, Aufbau und Erprobung eines Versuchsstandes zur Ermittlung der symmetrischen Komponenten im Dreiphasensystem. Dafür wurden zuerst die mathematischen Grundlagen und die damit verbundenen Anwendungen der symmetrischen Komponenten vermittelt. Basierend auf diesen, wurde ein Grundkonzept erörtert und anhand der Funktionalitätsanforderungen die einzelnen Elemente des zu entwickelnden Versuchsstandes ausgewählt. Um die Funktionalität des Versuchsstandes und die Messbereiche für die Spannungs- und Strommessung vorab zu kennen, wurde eine Simulation mit LTSpice vorgenommen, die wichtige Referenzwerte für die praktische Erprobung erbrachte. Nachdem alle technischen Maßnahmen für die Spannungsversorgung, der verschiedenen Lastzustände und der gesamten Messwertermittlung abgeschlossen waren, konnten erste Messungen durchgeführt werden. In Anlehnung an die Versuchsdurchführungen wurden die praktisch gemessenen Werte einer Simulation mit LTSpice gegenübergestellt, verglichen und gewertet. Durch diesen Versuchsstand ist es gelungen Grundlegende Zusammenhänge im Drehstromsystem anhand einer symmetrischen Last in Stern- und Dreieckschaltung zu zeigen. Auch die Messbarkeit der symmetrischen Komponenten für den Fall einer unsymmetrischen Last kann am Versuchsstand praktisch nachgewiesen werden. Eine sehr anschauliche und vorteilhafte Anwendung der Methode der SK anhand zweier Modelnetze wird am Versuchsstand demonstriert.