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Studiengang Elektrotechnik LRE
Labor für elektrische Netze 1 / 8
1 LaborfürelektrischeNetze
1.1 EinleitungDas Modellnetz der HTA‐FR ist ein analoger Emulator eines elektrischen Netzes bestehend aus einem AC und einem DC Teil. Das Wechselstrommodellnetz wiederspiegelt einen Teil des Hochspannungsnetzes des Kantons Freiburg und entspricht in hohem Grade den verschiedenen Netzstrukturen eines reellen elektrischen Netzes. Das Netz ist mit Schutzapparaten, Kommunikations‐ und Steueranlagen versehen, welche mit der neuen Norm ICE 61850 arbeiten. Die Topologie des Gleichstromnetzes entspricht einem fiktiven Netz. Die Anlage ermöglicht den Leistungstransfer über Gleichstromleitungen und kann mit dem AC‐Modellnetz gekoppelt werden. Die Anlage wird benutzt für:
Die Ausbildung auf Bachelor‐ und Masterstufe, Weiterbildungen (CAS) Forschungsprojekte
Abbildung 1 : AC‐Modellnetz mit Kontroll‐ und Schutzeinrichtungen
Abbildung 2 : Produktionsgruppe
Abbildung 3 : Leitungsmodell
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1.2 AusrüstungAC‐Modellnetz
1.2.1 AC‐ModellnetzDas AC‐Modellnetz ist ein analoger Emulator eines elektrischen Netzes in Form eines 8 m langen Schaltschrankes mit einem Massstab von 1:100‘000 [VA] und enthält:
Primärtechnik o 380 kV Einführung und Transformator mit Stufenschalter HS‐MS (380 kV : 60kV) o Maschennetz mit 5 Knoten ( Schaltstationen mit verschiedenen Sammelschienen)
und zehn 60 kV Leitungen, 4 Produktionsgruppen und 2 Lastzentren ( Wirk‐ und Blindleistungen)
o Zwei 3000 km lange HS‐Leitungen o FACTS : 2 UPFC welche es ermöglichen den Lastfluss zu kontrollieren o HVDC (via DC‐Modellnetz)
Massstäbe 380 kV : Spannung 1 : 950, Strom 1 : 105.3, Impedanzen 1 : 9 Massstäbe 60 kV : Spannung 1 : 150, Strom 1 : 667, Impedanzen 1 : 4.44 Sekundärtechnik
o Schutz und Überwachung der Anlage durch 17 Schutzrelais o Kommunikationsnetz für Schaltstationen o 2 Merging Units (MU), eine digitale MU mit NCIT (Alstom AGILE XMU 800) und eine
analoge MU (Siemens S SIPROTEC 7SC805) o PMU synchronisiert mit GPS o Netzberechnungssoftware o Digital synchronous switching relay GE RPH3
=~
G
TOUVA
PAYERNE
MONTBOVON
SCHIFFENEN
FRIBOURG
HAUTERIVE
CLEUSONDIXENCE
Abbildung 4: Schema AC‐Modellnetz
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1.2.2 Schutz,KontrolleundÜberwachungdesAC‐ModellnetzDie Steuerung und die Überwachung des AC‐Modellnetzes erfolgt durch Schutzrelais und Feldsteuergeräte (IED) des Typ Siemens SIPROTEC 5, welche an ein Überwachungs‐ und Kontrollsystem angeschlossen sind. Die Schutzrelais sind stand der aktuellen Technik und bieten die Möglichkeit mit dem Kommunikationsstandard IEC 61850 zu arbeiten. Die Anlage wurde so konzipiert, dass ein Wechsel der Schutzrelais erfolgen kann (Details im Anhang).
Abbildung 5 : AC‐Modellnetz mit Schutzrelais der Unterstation Schiffenen
Abbildung 6 : Schutzrelais Siemens
SIPROTEC 5
18 Siemens SIPRTOTEC 5 im Betrieb o 7 Überstromschutzgeräte mit Feldsteuergerät (7SJ) o 2 Distanzschutzgeräte (7SA) o 2 Differentielle Leitungsschutzgeräte (7SD) o 2 Distanz‐ und differentielle Leitungsschutzgeräte (7SL) o 1 Motorschutzgerät (7SK) (Generator) o 1 Sammelschienenschutzgerät (7SS) o 1 Generatorschutzgerät (7UM) o 1 Transformatorenschutzgerät (7UT) o 1 Feldsteuergerät mit IEC 61870‐104 Schnittstelle (6MD)
Ein Steuergerät für kontrolliertes Schalten ("controlled switching") GE Grid Solution RPH3 mit analoger oder digitaler (IEC 61850‐9‐2 LE) Messwerterfassung
Schutzrelais, nicht im AC‐Modellnetz integriert (Reserve und tests) o Siemens
1 Distanzschutzgerät Siprotec 4 (7SA) 1 Transformatorenschutzgerät Siprotec 4 (7UM) 1 Distanzschutzgerät Siprotec 5 (7SA) 2 Überstromschutzgeräte mit Feldsteuergerät (7SJ)
o ABB 1 Differentielle Leitungsschutzgeräte (RED 670) 1 Distanzschutzgerät (REL 650) 1 Transformatorenschutzgerät (RET 650) 2 PMU (RES670) 1 Lastabwurf Steuergerät (PML 630)
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1 Schutz‐ und Steuergerät (REF 615)
1.2.3 TelekommunikationDas AC‐Modellnetz ist mit modernen Telekommunikationssystem ausgerüstet welches in der Lage ist, die neuen Protokolle (IEC 61850), zu verarbeiten.
Apparate o Optisches und konventionelles Netz o Industrielle Switchs Siemens
RUGGEDCOM 940G et 950G o Industrielle Switchs Cisco IE 2000U o Industrieller Router CGR 1120 o Redundante Kommunikation
(teilweise) mit IEC 62339 (HSR+PRP) o Kommunikation innerhalb der
Schaltstationen mit der Norm IEC 61850‐8‐1 (GOOSE+MMS)
o Kommunikation zwischen den Schaltstationen und der Netzleitstelle mit der Norm IEC 61870‐104
o 2 Merging Units (Alstom AGILE XMU 800 et Siemens SIPROTEC 7SC805), Kommunikation mit IEC 61850‐9‐2 (Sampled values)
o IEEE 1588 / PTP Grandmaster Clock mit integriertem GPS‐Receiver OMICRON OTMC 100p
o IEEE 1588 / PTP Time Converter OMICRON TICRO 100
o 4 OMICRON ISIO 200 Binary input/output (I/0) terminal with IEC 61850 interface
Engineering der Schaltstationen und dem Netz, Werkzeuge
o DIGSI 5 o Stream X (Romande Energie) o SCIAM PAS o SICAM 230
Arbeitsplatz Überwachung mit SIEMENS SICAM 230 Wifi Netz für jede Schaltanlage
Abbildung 7 :Telekommunikationsschaltschrank
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Abbildung 8 : Telekommunikationsarchitektur
1.2.4 Messtechnik PMU Universelles Schutzprüfgerät und Inbetriebnahmewerkzeug OMICRON CMC 356 Hybrider Signalanalysator für Schutz‐ und Automatisierungssysteme OMICRON DANEO 400 Oszilloskope ROHDE & SCHWARZ RTO 2004 IED Scout Siemens SIGRA
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1.3 DC‐ModellnetzBeim DC‐ Modellnetz handelt es sich um einen analogen Netzemulator mit folgenden Kenndaten:
Massstäbe : Spannung 1 :1000, Strom 1 :1000, Impedanzen 1 :1
5 kVA pro Umrichter 6 Freileitungssegmente 16 Kabelleitungssegmente Jedes Segmente modelliert eine Länge von
100 km und kann als Monopol oder Dipol betrieben werden
8 AC/DC‐Umrichter Siemens SINAMICS (Spannung AC 380‐ 480, Strom AC 27 A, Leistung 16 kW)
Implementierte Kontrollstrategien : Spannungssteuerung, Leistungssteuerung und PU‐Steuerung
SCADA mit integrierter Lastflussberechnung für die Steuerung der Anlage
Eine Netzsteuerung basierend auf LabVIEW
Abbildung 9 : DC‐Modellnetz
1
2 4
VSC1 VSC5
VSC2 VSC4
L15
L24
L12 L45
Montbovon Payerne
5
Charge (S21/S22)
440 W
Hauterive Plateforme 3
Hauterive (HT)L01
L231 L232
L241L242
L34
399 Vac407 Vac
416 Vac
423 Vac 421 Vac
412 Vdc
410 Vdc
423 Vdc
411 Vdc
3.7 A
1 A
1 A 3.7 A
1100 W 3200 W
800 W 1200 W
2.7/2.8 Ω
100 mH
Abbildung 10 : Beispieltopologie mit Verbindungen zum AC‐Modellnetz
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1.4 PV‐Anlage3 Felder mit total 1.5 kWp
Jedes Feld besteht aus:
15 Module MSX 64 Solarex (polycristalin) 8.5 m2 240 VDC / 960 Wp U0 = 319.5 V Icc = 4.1 A
1.5 Niederspannungs‐ModellnetzDas Niederspannungs ‐ Modellnetz ist ein Emulator, in Form von zwei Schaltschränken, mit folgenden Charakteristiken:
Massstäbe : Spannung 1 : 1, Strom 1 :7, Impedanzen 7:1, Leistung 1 : 7 [VA]
12 Leitungsmodelle mit verschiedenen Längen
o 2 Leitungen an 100 m o 2 Leitungen an 50 m o 8 Leitungen an 10 m
10 Kabelmodelle mit verschiedenen Längen
o 1 Kabelleitungen an 100 m o 4 Kabelleitungen an 50 m o 5 Kabelleitungen an 20 m
2 DC‐Quellen von 10.5 kW 2 AC/DC‐Umrichter von 8 kW, fähig mit IEC
61850 zu kommunizieren 1 Transformator mit 100 kVA 10 Smartmeter Kamstrup
Abbildung 11 : NS‐Modellnetz
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2 Anhang
PUPITREA2
T121
Solaire EIA-FR
T123
>L45 (80MVA)<
>L242 (30MVA)<
LL1
PUPITREA1
PUPITREA3
B51
=~
G
TOUVA
PAYERNE
MONTBOVON
SCHIFFENEN
FRIBOURG
HAUTERIVE
CLEUSONDIXENCE
L01(250MVA)
1/3 P 2/3 P
L251 (50MVA)
L252 (50MVA)
L562 (30MVA)
L561 (30MVA)
LL2
L241 (30MVA)
L231 (40MVA)
L232 (40MVA)
S42(30MW - 30Mvar)
1/3 S 2/3 S
1/3 S 2/3 S
1/3 S 2/3 S
A51(150MVA)
A11(300MVA)
A31(100MVA)
T122
A61
B52
B6
B21
B22
B1
B7B3
B42
B41
PUPITREA2
PUPITREA3
S6
SJ
SK
SD
SJSD
SA
UT
SJ
SJ
MD
SJSASJSL
SL
SS
SJ
S21(19MW 12Mvar)
S22(19MW - 12Mvar)
(50MVA)
L34b
L34a''
L34c
L34a’
A52(100MVA)
S41(25MW)
RPH
XMU
MD
Kontakt: Patrick Favre‐Perrod, patrick.favre‐perrod@hefr.ch, +41 26 429 65 88