Revolution der Netzarchitektur: Ein neues Paradigma für resiliente Stromnetze
Im Zeitalter der dringenden Umstellung auf saubere Energie und der raschen Elektrifizierung des Transportwesens und der Industrie durchläuft die Architektur der Stromverteilsysteme einen tiefgreifenden Wandel. Netze können nicht länger als passive Leitungen betrachtet werden, die Strom von zentralen Kraftwerken zu den Endverbrauchern liefern. Stattdessen entwickeln sie sich zu dynamischen, interaktiven Plattformen – in der Lage, bidirektionale Flüsse zu steuern, volatile erneuerbare Erzeugung zu integrieren und in Echtzeit auf sich ändernde Nachfragemuster zu reagieren. An vorderster Front dieser Entwicklung steht ein bahnbrechender Vorschlag von Ingenieuren des State Grid Weihai Power Supply Company in China, die die Struktur von Mittel- und Hochspannungsverteilnetzen neu konzipiert haben, um den Anforderungen des neuen Energiesystems gerecht zu werden.
Veröffentlicht in der Januar-Ausgabe 2024 von Shandong Electric Power, einer führenden chinesischen Fachzeitschrift, stellt die Forschung von Gong Junxiang, Xu Youlin, Zhang Jing und Xu Chunhua eine neuartige „hierarchische, parallele ringförmige Plattform“-Architektur für Verteilnetze vor. Dieses Design weicht grundlegend von traditionellen radialen oder offenen Ringkonfigurationen ab, indem es einen geschlossenen Ringbetrieb über beide Spannungsebenen – 110 kV Hochspannung und 10 kV Mittelspannung – ermöglicht. Ermöglicht wird dies durch fortschrittliche Schutzsysteme, intelligente Soft Open Points (SOPs) und eine von Bienenwaben inspirierte räumliche Anordnung, die Redundanz, Resilienz und lokalen Energieausgleich verbessert.
Die Implikationen sind weitreichend. Da dezentrale Energiequellen – wie Dachsolarmodule, Windparks, Batteriespeicher und Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EVs) – immer weiter verbreitet sind, kämpfen konventionelle Verteilnetze mit Spannungsinstabilität, Schutzkoordinationsfehlern und ineffizienter Leistungsführung. Die Autoren argumentieren, dass das traditionelle Modell „geschlossener Ringentwurf, offener Ringbetrieb“, einst ein pragmatischer Kompromiss zur Bewältigung von Kurzschlussströmen und zur Vereinfachung von Relaiseinstellungen, im Zeitalter hoher erneuerbarer Energieanteile und digitalisierter Netzsteuerung zu einem Engpass geworden ist.
Ihre Lösung ist gleichermaßen elegant und pragmatisch: ein geschichtetes Netzwerk, in dem jeder kritische Knoten mehrere Stromversorgungspfade hat, Fehler innerhalb von Millisekunden ohne Unterbrechung für die Kunden isoliert werden und überschüssige lokale Erzeugung so nah wie möglich an der Quelle verbraucht wird – zuerst auf dem 10-kV-Speisefeld, dann am 110-kV-Umspannwerk und nur als letztes Mittel aufwärts auf die 220-kV-Übertragungsebene übertragen wird. Diese „Local-First“-Philosophie des Energieausgleichs reduziert nicht nur Übertragungsverluste, sondern minimiert auch Netzüberlastungen und verbessert die overall Systemstabilität.
Im Herzen des Vorschlags stehen zwei innovative Hochspannungstopologien für die 110-kV-Ebene: die „212“-Dual-Quellen-Kettenstruktur und die „323“-Triple-Quellen-Kettenstruktur. In der „212“-Konfiguration erhält jedes 110-kV-Umspannwerk zwei parallele Speiseleitungen vom gleichen 220-kV-Umspannwerk upstream und arbeitet unter Normalbedingungen in einem geschlossenen Ring. Eine einzige Verbindungsleitung zwischen Stationen – im heißen Standby gehalten – bietet Backup-Konnektivität zu benachbarten 220-kV-Zonen. Entscheidend ist, dass jedes Leitungssegment und jeder Transformator mit einer Instantaneous (nicht zeitverzögerten) Primärschutzvorrichtung ausgestattet ist, die es ermöglicht, Fehler in Millisekunden zu beseitigen, während der gesunde Kreis nahtlos die volle Last übernimmt. Dies eliminiert die mehrsekündigen Ausfälle, die für konventionelle Auto-Transfer-Systeme typisch sind, und erreicht damit, was die Autoren als „Zero-Perception“-Stromkontinuität bezeichnen – einen neuen Maßstab für Zuverlässigkeit.
Die „323“-Struktur geht noch einen Schritt weiter in puncto Redundanz. Hier speisen drei 220-kV-Umspannwerke jeweils zwei Leitungen in einen Ring ein, der drei 110-kV-Umspannwerke miteinander verbindet, wobei jede 110-kV-Einheit von Transformatoren gespeist wird, die von verschiedenen upstream-Knoten stammen. Dies schafft eine vermaschte, multidirektionale Versorgung, die sogar katastrophale Ausfälle – wie den vollständigen Verlust eines 220-kV-Umspannwerks – bewältigen kann, ohne den Dienst für Endnutzer zu unterbrechen. Die Lastverteilung erfolgt automatisch über Sicherheitsautomatisierungssysteme auf der 10-kV-Seite, die die Leistung über die verbleibenden gesunden Transformatoren umleiten.
Beide Konfigurationen sind so konzipiert, dass sie sich in ein bienenwabenähnliches räumliches Muster skalieren lassen, wobei 220-kV- und 110-kV-Umspannwerke die Eckpunkte hexagonaler Zellen bilden. Diese Geometrie ist nicht nur ästhetisch; sie bietet optimale Konnektivität mit minimaler Infrastruktur und ermöglicht modulare Erweiterungen bei wachsender Last. Noch wichtiger ist, dass sie sicherstellt, dass jeder Umspannwerksausfall bewältigt werden kann, indem seine Last in gleichen Teilen auf benachbarte Knoten übertragen wird – vier für eine 110-kV-Station, drei für eine 220-kV-Station – und so Kaskadenausfälle verhindert und die Spannungsstabilität aufrechterhalten wird.
Die upstream 220-kV-Umspannwerke selbst sind neu gestaltet, um dieses neue Paradigma zu unterstützen. Die Autoren empfehlen eine Drei-Transformer-Konfiguration mit einem 220/110/35-kV-Spannungsprofil. Der 110-kV-Sammelschienenbereich verwendet eine segmentierte Ringhaupt- oder Doppelsammelschienenanordnung, die parallel betrieben wird, um einen Ringleistungsfluss zu ermöglichen. Die Kurzschlussstrompegel werden sorgfältig kontrolliert – 40 kA bei 110 kV, 31,5 kA bei 35 kV – um die Überlebensfähigkeit der Ausrüstung zu gewährleisten und gleichzeitig den geschlossenen Ringbetrieb zu ermöglichen. Berechnungen zeigen, dass bei typischen Transformerimpedanzen (z. B. 14 % Hoch-Mittel, 24 % Hoch-Niedrig) der Parallelbetrieb die Fehlerströme weit innerhalb der Konstruktionsgrenzen hält.
Ebenso transformativ ist die Neugestaltung des 110-kV-Umspannwerks selbst. Für den „212“-Hochspannungseingang schlägt das Team die Verwendung von drei Transformatoren mit geteilten Wicklungen (63/40/40 MVA Nennleistung, Teilungsfaktor Kf=4) vor. Die beiden 10-kV-Wicklungen jedes Transformators speisen separate Sammelschienenabschnitte, die dann über intelligente SOPs miteinander verbunden werden. Diese leistungselektronischen Festkörpergeräte tun weit mehr als nur Sammelschienen zu verbinden – sie steuern aktiv den Leistungsfluss, gleichen die Last zwischen Transformatoren aus, bieten dynamische Blindleistungskompensation und isolieren Abschnitte während Fehlern schneller als mechanische Leistungsschalter arbeiten können. Im Falle eines Transformatorausfalls können SOPs sogar virtuelle Synchrongeneratoren emulieren, die Spannungs- und Frequenzunterstützung bieten, um die Stabilität aufrechtzuerhalten, bis Ersatzpfade eingreifen.
Für die „323“-Konfiguration werden konventionelle Transformatoren mit zwei Wicklungen verwendet, aber die 10-kV-Sammelschienengruppen sind dennoch über SOPs mit Bypass-Funktionalität miteinander verbunden. Dies ermöglicht bei schweren Störfällen den direkten Anschluss eines abgeschalteten Sammelschienenabschnitts an einen gesunden Speisekreis über den mechanischen Bypass-Schalter des SOP – unter Gewährleistung einer unterbrechungsfreien Versorgung bei gleichzeitiger Bewahrung der Vorteile der elektronischen Steuerung im Normalbetrieb. Die Autoren berechnen, dass eine SOP-Nennleistung von 15 MVA ausreicht, um sowohl den stationären Leistungstransfer als auch die transienten Unterstützungsanforderungen zu bewältigen.
Die Mittelspannungsebene – 10 kV – ist der Ort, an dem die Vision für Endnutzer greifbar wird. Hier spiegelt die „212“-Dual-Quellen-Ringstruktur den Hochspannungsansatz wider: Zwei Speiseleitungen von der gleichen 110-kV-Sammelschienengruppe bilden einen geschlossenen Ring, der einen Cluster von Lasten und dezentraler Erzeugung versorgt. Entscheidend ist, dass diese Ringe von verschiedenen Umspannwerken über SOP-ausgestattete Verbindungsleitungen miteinander verbunden sind, wodurch ein wirklich vermaschtes Mittelspannungsnetz entsteht, das traditionelle Umspannwerksgrenzen überschreitet.
Dies bricht das jahrhundertealte Paradigma, bei dem Mittelspannungskreise elektrisch durch Transformatorgruppen isoliert sind, um Fehlerströme zu begrenzen. Mit SOPs, die als steuerbare, schnell wirkende Barrieren fungieren, kann das gesamte 10-kV-Netz als eine vereinheitlichte, flexible Plattform betrieben werden. Im Normalbetrieb optimieren SOPs die Lastverteilung über vier Speiseleitungen (zwei von jedem Umspannwerk) und maximieren den lokalen Verbrauch von Solar- oder Windenergie. Während eines Fehlers – etwa eines Kabelausfalls in einem Segment – beseitigt der Instantaneous-Schutz nur das beschädigte Element, während SOPs die Leistung neu verteilen, um die Versorgung aller Kunden aufrechtzuerhalten. In extremen Fällen, wie dem Verlust eines gesamten 110-kV-Umspannwerks, ermöglicht die SOP-Bypass-Funktion, dass die gesunde Seite die volle Last der betroffenen Seite übernimmt.
Technische Spezifikationen sind sorgfältig detailliert: 400 mm² Kupferkabel, 480 A Dauerstrombelastbarkeit, 8,3 MW pro Doppel-Speiseleitungsschleife und eine Obergrenze von 2 MW pro Ringhauptschaltanlage oder Schaltgerätesammelschienenabschnitt. Diese Werte spiegeln ein Gleichgewicht zwischen thermischer Kapazität, Fehlerstrommanagement und praktischen städtebaulichen Einschränkungen wider.
Die breitere Bedeutung dieser Arbeit liegt in ihrer systemischen Kohärenz. Jede Ebene – von 220 kV bis hinunter zu 10 kV – wird nicht isoliert, sondern als integriertes Ganzes neu gestaltet. Das Ergebnis ist ein Verteilnetz, das gleichzeitig robuster (fähig, mehrere Ausfälle zu widerstehen), elastischer (fähig, sich an sich ändernde Erzeugungs- und Lastmuster anzupassen) und effizienter (Minimierung unnötiger Leistungsübertragungen) ist. Es bietet die physikalische und Steuerungsinfrastruktur, die für fortschrittliche Anwendungen wie transaktive Energie, virtuelle Kraftwerke und Echtzeit-Orchestrierung am Netzrand erforderlich ist.
Kritisch ist, dass die Autoren ihre Vision in der technischen Realität verankern. Sie behandeln Kurzschlussstromgrenzen, Transformatorimpedanzauswahl, Blindleistungskompensationsbedarf und Spannungsabweichungstoleranzen – alles mit konkreten Berechnungen und Geräteempfehlungen. Dies ist keine spekulative Zukunftsvision; es ist eine praktische Roadmap für die Netzmodernisierung, die Versorger schrittweise umsetzen können.
Während die Welt auf Netto-Null-Emissionen zusteuert, wird das Verteilnetz zum kritischen Schlachtfeld. Übertragungssysteme mögen Massenstrom über große Entfernungen bewegen, aber auf der Verteilungsebene wird der Energieübergang gelebt – wo Solarmodule Häuser speisen, EVs über Nacht laden und Fabriken mit grünem Strom laufen. Die von Gong und seinen Kollegen vorgeschlagene Architektur bietet eine überzeugende Antwort auf die zentrale Herausforderung dieser Ära: wie man ein Netz baut, das nicht nur sauberer, sondern auch intelligenter, widerstandsfähiger und reaktionsschneller auf die Bedürfnisse eines dynamischen Energieökosystems ist.
Durch den Ersatz von Fragilität durch Redundanz, Passivität durch Intelligenz und Isolation durch Interkonnektion könnte dieses neue Paradigma das Rückgrat des Energiesystems des 21. Jahrhunderts definieren. Und während die erste Implementierung in der Provinz Shandong erfolgen mag, sind die Prinzipien universell anwendbar – und bieten eine Vorlage für Netzbetreiber weltweit, die mit den gleichen disruptiven Kräften der Dezentralisierung und Dekarbonisierung kämpfen.
Autoren: Gong Junxiang, Xu Youlin, Zhang Jing, Xu Chunhua
Zugehörigkeit: State Grid Weihai Power Supply Company, Weihai 264200, China
Journal: Shandong Electric Power, Bd. 51, Nr. 1, 2024
DOI: 10.20097/j.cnki.issn1007-9904.2024.01.005