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G. Brauner, D. Hohenstein,A. Wahl:
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Restrukturierung und Kosteneinsparung bei Versorgungsnetzen' G. Brauner OVE, VDE, IEEE ~, D. Hohenstein 3, A. Wahi 4 Die Deregulierung der Elektrizit~itswirtschaft hat zu einem verst~irkten Kostendruck auch im Bereich der • und Verteilungsnetze gefª Netze mª wirtschaftlich geplant, gebaut und betrieben werden. Durch Asset Management als Instrument einer strategischen Netzplanung lassen sich nachhaltig Kostensenkungspotenziale freisetzen, ohne dass die Versorgungsqualit~it verschlechtert wird. Anhand eines st~idtischen Verteilungsnetzes werden Einsparpotenziale dargestellt, die nach einer Restrukturierung m6glich sind.
Schª Deregulierung; Netzplanung; Asset Management; Restrukturierung; Verteilungsnetz Restructuring and cost saving regarding power supply networks. The deregulation of the electricity market results in a forced economic pressure in the sector of transmission and distribution grids. Power systems have to be planned, built and operated under economic conditions. By help of asset management as an instrument of strategic network planning in long term costs can be reduced without affecting the power quality. For an urban distribution network the cost saving potentials which can be achieved by restructuring ate shown. Keywords: deregulation; network planning; asset management; restructuring; distribution
1. Gegenw~irtige Situation und Miiglichkeiten zur Kostensenkung in Netzen Derzeit sind folgende Tendenzen bei den st~idtischen und l~ndlichen Verteilungsnetzen erkennbar: -
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Personalabbau: Bei vielen Versorgem wurde das Personal seit der Deregulierung etwa auf die Hfilfte reduziert, lnsbesondere der vorzeitige Ruhestand von erfahrenem Personal kann zu einem Verlust von Know-how fª
' Deutsch-13sterreichischerBeitrag fª CIRED 2001. 20. Univ.-Prof.Dipl.-Ing. Dr.-Ing.Gª Brauner, Institutfª Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft,Technische Universit~itWien, Guf3hausstrage25/373, A-1040 Wien. (E-Mail:
[email protected]) 3 Dipl.-Ing. Dietmar Hohenstein, Alstom Energietechnik GmbH, Lyoner Strage 44-48, D-60528 Frankfurt. (E-Mail:
[email protected]) 4 Dipl.-Ing. Amarnath Wahi, Repas AEG, Heinrich-HertzStraf3e3, D-63303 Dreieich. (E-Mail:
[email protected])
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Verl~tngerung der Nutzungsdauer der Betriebsmittel: Die Reduktion der Investitionen fª zu einer l~ingeren Nutzungsdauer der Komponenten und zu einer allm~hlichen Erh6hung des Wartungsaufwands. Wenn gleichzeitig die Wartungskosten reduziert werden, kann dies zu weniger zuverl~issigen Netzen fª -- H6here Netzauslastung: Verringerte Investitionen fª bei gleichbleibendem natª Lastwachstum zu einer Erh6hung der Netzauslastung. Die Netzkomponenten dª in Ballungsgebieten nur soweit ausgelastet werden, dass der einfache Ausfall von Komponenten zu keiner • fª -- Preiswertere und vereinfachte Komponentensysteme: Derzeit gibt es Tendenzen, nur noch standardisierte Komponenten zu verwenden, wobei eine ausreichende Qualit/it bei gutem Preis-Leistungsverh~iltnis angestrebt wird. Das hilft, sowohl die Investitionen als auch die Betriebskosten abzusenken.
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Restrukturierung und Kosteneinsparung bei Versorgungsnetzen
Restrukturierung von Netzen: In der Vergangenheit wurden die Verteilungsnetze in erster Linie nach technischen Gesichtspunkten fª eine hohe Versorgungszuverl~issigkeit geplant, dabei wurde aber weniger auf Kosteneffizienz geachtet. Bei der Restrukturierung lassen sich nachhaltig Kostensenkungen erzielen. Kosteneffiziente Planung und Wartung: Der Einsatz moderner Planungsverfahren mit Kostenbetrachtungen~ist insbesondere fª Verteilungsnetze notwendig, da hier ungef~ihr 80 % der Investitionen anfallen. Viele Versorger beginnen mit Maf3nahmen fª die Restrukturierung ihrer Netze und haben hierbei moderne Planungsverfahren wie das Asset Management eingefª um die Kosten zu senken, bei gleicher Versorgungsqualit~it.
Allgemein ist ein bemerkenswertes Kostensenkungspotenzial bei den Verteilungsnetzen vorhanden. In diesem Beitrag wird gezeigt, welche L6sungen hierbei m6glich sind.
2. Betriebsmitteln --
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Transformatoren: Transformatoren k6nnen leicht ª werden, ohne dass eine dramatische Verringerung der Lebensdauer auftritt. Die Lebensdauer h~ingt von der Vorlast und der Dauer der • ab, wie dies in IEC 60354 [1] und VDE 0536 [2] dargestellt ist. O1- oder VPE-Kabel: Derzeit setzen sich VPE-Kabel bei 110 kV und in der Mittelspannung gegenª den Olkabeln durch. VPE-Kabel sind vorteilhaft, da sie nur ungef~ihr den halben Ladestrom aufnehmen, was gr613ere Kabell~ingen erlaubt bzw. zu geringerer kapazitiver Vorbelastung der Transformator-Sternpunkte fª Die Kunststoffkabel erlauben aul3erdem eine etwa um 20 % h6here betriebliche Belastung als Olkabel. Freileitungen: In Verteilnetzen wurden Freileitungen teilweise durch Kabel ersetzt, was zu einer h6heren Zuverl~issigkeit und zu geringerem Wartungsaufwand insbesondere in waldreichen Gegenden fª
3. Restrukturierung von ll0-kV-Netzen Bemerkenswerte M6glichkeiten der Kostensenkung bieten Konzepte zur Vereinfachung der bestehenden ll0-kV-Netze. Die Zuverl~issigkeit dieser Netze ist derzeit sehr hoch. Das bedeutet umgekehrt, dass die Wahrscheinlichkeit fª Ausf~ille sehr gering ist. Aufgrund von Zuve~:l~issigkeitsuntersuchungen k6nnen preiswertere L6sungen bei ungef~ihr gleicher Zuverl~issigkeit gefunden werden.
a
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b
Kosteneinsparung bei Schaltanlagen; a) konventionelle Bauform, b) kostengª Bauform
Abb.
1.
Es sind z.B. Kosteneinsparungen bei Schaltanlagen m6glich, wenn die Transformatoren anstelle von eingeschleiften Leitungen durch Stichleitungen direkt angespeist werden. Hierdurch k6nnen erhebliche Kosten fª die Ausrª von Schaltanlagen eingespart werden. Diese Vereinfachungen sind in Abb. 1 dargestellt. Die konventionelle L6sung entsprechend Abb. 1 a ben6tigt eine l l0-kV-Schaltanlage mit fª Feldern, vier Leistungsschaltern und fª Trennern. Die kosteneffizi› L6sung nach Abb. lb ben6tigt zwei Leistungsschalter und zwei Trenner und spart somit eine Sammelschiene, zwei Leistungsschalter und drei Trenner ein. In dem Beispiel ist die Anbindung an eine Doppelleitung dargestellt. Die Zuverl~issigkeit beider L6sungen ist ungef'~r gleich grol3. Eine weitere Mal3nahme, um Kosten einzusparen, kann in einer Verringerung der Anzahl der einspeisenden Umspannwerke pro Netzgruppe von z. B. ursprª vier auf nachher zwei sein.
4. Restrukturierung von Mittelspannungsnetzen Mittelspannungsnetze, die historisch gewachsen sin& haben selten eine effiziente Struktur. Sie enthalten h~iufig Querverbindungen, die ofi nicht in der Lage sind, als Netzreserve bei Ausf~illen zu dienen. Diese nicht voll nutzbaren Reservekomponenten verursachen zus~itzliche Betriebs- und Wartungskosten. Viele Verteilungsnetze haben daher ein nicht unbedeutendes Potenzial zur Restrukturierung und Kostensenkung. Eine weitere Aufgabe stellt die Restrukturierung der Einspeisungen entsprechend der Lastschwerpunkte dar. • die Jahre des Netzausbaus kann es zu einer Verlagerung der Einspeisungsschwerpunkte von den Lastzentren zum Netzrand kommen, um zukª Netzerweiterungen zu erm6glichen. Dadurch kann es zu einer Abweichung zwischen den Einspeiseschwer-
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punkten und den Lastzentren kommen, was sich in einer ungª Belastung der Netzkomponenten bemerkbar macht. Bei der Restrukturierung muss zun~ichst das vorhandene Netz mit den Lastschwerpunkten analysiert werden, um die Schwachstellen zu rinden und geeignete zukª Ausbaustrategien zu entwickeln. Nach dieser Analyse kann die Restrukturierung begonnen werden. Dabei ist es sehr wichtig, dass der Planungsprozess mit Hilfe von lageorientierten Informationssystemen durchgefª wird, die heute als geografische Informationssysteme (GIS) standardm~iBig verfª sind. Die topografischen Pl~ine zeigen alle relevanten Informationen einschlieBlich der Lage von Seen, Flª Bahnstrecken, Stragen, Grundstª Geb~iuden, Trassen und der darin enthaltenen Infrastrukturen der Strom-, Gas-, Telefon- und Warmeversorgungsnetze. Der erste Schritt ist eine Visualisierung aller relevanten Daten, wie in Abb. 2 dargestellt. Dies bedeutet, dass die bereits bekannten technischen Daten des Netzes grafisch dargestellt werden, wie z.B. Verteilung der Netzlast, Belastbarkeit der vorhandenen Kabel und Freileitungen sowie Ort und Auslastung der vorhandenen Umspannwerke.
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Weiterhin ist eine Lastprognose erforderlich, um die zukª Lastschwerpunkte zu erkennen und eine optimale Ausbauplanung vornehmen zu k6nnen.
4.1 Mtiglichkeiten der Restrukturierung in liindlichen Netzen In Rindlichen Netzen mit einem hohen Anteil an Freileitungen sind die M6glichkeiten zur Restrukturierung wegen der niedrigen Lastdichte, der Anschlusspflicht und der Trassenrechte beschr~nkt. Weiterhin k6nnen die Netze radiale Strukturen haben, ohne dass die M6glichkeit besteht, die Zahl der Leitungen zu reduzieren. Manchmal besteht die M6glichkeit, die Systemkosten zu verringem, wenn Freileitungen durch Kabel ersetzt werden, weil Kabel beim Einpflª oft niedrigere Baukosten und sp~iter niedrigere Wartungskosten und eine geringere St6rungsh~iufigkeit aufweisen.
4.2 M6glichkeiten der Restrukturierung in stiidtischen Netzen St~idtische Netze bieten gr6Bere M6glichkeiten, langfristige Kostensenkungspotenziale durch Restrukturierung freizusetzen. Die Einsparungen liegen hierbei bei den Wartungskosten, den Investitionskosten und den Betriebskosten durch vereinfachte Strukturen mit weniger Komponenten. In einer Netzplanungsstudie wurde ein stadtisches Netz restrukturiert. Das in Abb. 3 und Abb. 4 vor und nach der Restrukturierung dargestellte Netz versorgt eine mittlere Stadt in Bayern mit 41000 Einwohnern, einer Versorgungsfl~iche von 41 km 2und einer Spitzenlast von 28 MW.
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Abb. 3. Schematischer Plan des Verteilungsnetzes vor der Restrukturierung
Abb. 2. Lageorientierte Darstellung des Netzes mit den Lastschwerpankten
Die Kostensenkungspotenziale des untersuchten ursprª Mittelspannungsnetzes entsprechend Abb. 3 nach Durchfª der Planung sind:
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Restrukturierung und Kosteneinsparung bei Versorgungsnetzen
Reduktion der Kabell~ingen um 6 %, Reduktion von acht auf drei Umspannwerke, Reduktion des Abgangschutzes von 87 auf 36 Relais. Nur sechs Distanzrelais werden wirklich ben6tigt, die anderen Schutzeinrichtungen sind einfache •
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Die nachhaltigen Kosteneinsparungen sind etwa 40 % der bisherigen Netzkosten, die ª einen Zeitraum von 20 Jahren durch R ª Umbau freigesetzt werden k6nnen.
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Schematischer Plan des Netzes nach der Restrukturie-
rung
5.2 M6glichkeiten
Die Planungskriterien fª --
--
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5.1
In st~idtischen Netzen entstehen die haupts~ichlichen Kosten fª Grabungsarbeiten. Daher wird die Netzrestrukturierung durch ~iuBere Effekte wie die Mitlegungsm6glichkeit bei Bauaktivit~iten der Telekommunikation, Gas- oder Wasserversorgung bestimmt. Standardquerschnitte der Kabel sind 4 x 150 mm 2 oder 4 x 240 mm 2 mit Aluminiumleitem. Es besteht die Tendenz, die Hausanschlª abzusichern oder gr6gere Querschnitte fª Hausanschlussleitungen zu verwenden. Zur Einsparung von Wartungskosten k6nnen Hermetiktransformatoren mit niedrigen Verlusten eingesetzt werden. Sie ben6tigen keine Ventilatoren zur Kª Ausrª fª die Automatisierung oder das Monitoring werden vermieden, da diese zwei- bis dreimal ª die Lebensdauer eines Transformators ausgetauscht werden mª da deren Lebensdauer bedeutend kª ist. Die Effizienz von historisch gewachsenen Niederspannungsnetzen kann anhand von Modellnetzuntersuchungen beurteRt werden. Fª ein dicht bebautes st~idtisches Netz ist dies in Abb. 5 dargestellt. Dieses Modellnetz erfª alle versorgungstechnischen Anforderungen und hat minimalen Netzaufwand. Damit kann das reale Netz verglichen und seine Effizienz beurteilt werden, z. B.:
-
Niederspannungsnetze sind:
Effizienz der Transformatoren: minimal ben6tigte Anzahl zur vorhandenen Anzahl der Transformatoren: Effizienz der Kabel: minimal ben6tigte L~ingen zur vorhandenen L~inge der Kabel. low v o t e
~edium
Z?o2r ,o0~ ~ / ~ /
Weniger als 6 % Spannungsfall; minimale Kurzschlussleistung ron 600 kVA aro Verknª der Kundenanlagen. In l~indlichen Netzen ist ein minimaler Wert von 450 kVA zul~issig; Selektivit~it der Sicherungen, d. h. Verh~iltnis von Kurzschlussstrom zu Nennstrom besser als 1,6. Hierdurch wird die zul~issige L~inge der Leitungen und Kabel begrenzt. M6glichkeiten
in st~idtischen
Niederspannungsnetzen
-
5. Restrukturierung von Niederspannungsnetzen
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i
voltage
cable
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
in l~indlichen
Niederspannungsnetzen
In l~indlichen Netzen wird seit der Deregulierung die Erdverkabelung der bestehenden Freileitungsnetze vermieden, wenn die Kommunen keinen Baukostenzuschuss gew~ihren. Heute werden meistens Niederspannungsfreileitungen durch isolierte Freileitungen (Luftkabel) ersetzt, was kostengª ist. Die Kosten der Luftkabel betragen nur etwa 40 % der Kosten fª eine neue Station [3].
9 .......
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Abb. 5. Modellnetzstruktur eines st~dtischen Verteilungsnetzes
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Fª die Restrukturierung von Niederspannungsnetzen wird ein gr6Berer Zeitraum bis etwa 20 Jahre ben6tigt, da die Zahl der Netzkomponenten sehr hoch ist, die Baukosten bedeutend sind, das noch vorhandene Personal gering ist und die Restlebensdauer der Komponenten genutzt werden sollte.
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6. Asset Management 6.1 Werkzeuge fª
das Asset Management
Wie gezeigt wurde, stellt die Netzplanung einen wichtigen Prozess fª das Management des materiellen Bestands dar und hilfi, zusammen mit der Planung des Betriebs und des Monitorings die Netzkomponenten optimal zu nutzen. Einige wichtige Ziele stellt die nachhaltige Reduktion der Investitions-, Wartungsund Betriebskosten dar. Als Regel gilt, dass Investitionen erst get~itigt werden, wenn sie unbedingt ben6tigt werden, d. h., die vorhandenen Netzkomponenten sind m6glichst so lange zu nutzen, bis noch keine signifikante Verschlechterung der Versorgungszuverl~issigkeit auftritt. Zur Erfª dieser Aufgaben ist ein Netzmanagementsystem erforderlich, das einerseits die statischen Netzdaten aus einem geografischen Informationssystem beziehen kann und andererseits die dynamischen Daten aus dem Netzleitsystem. Durch Integration von Dokumentation und Betriebsinformation und Anbindung von Software zur Netzplanung kann ein effizientes Werkzeug fª die Planung und Restrukturierung, den Betrieb und das Netzmonitoring geschaffen werden. Der Vorteil der Integration der Analysewerkzeuge liegt darin, dass dann sowohl fª die Planung als auch fª die Netzbetriebsfª die gleichen Werkzeuge benutzt werden k6nnen, und der Zugriff auf die gleiche Informationsdatenbasen erfolgen kann. Zur Analyse werden neben Lastfluss und Kurzschlussrechnung weitere Funktionen wie Trennstellenoptimierung, Lastmodellierung, Schutzeinstellungskoordinierung, Netzrª und Zuverl~issigkeitsanalyse ben6tigt. Bei entsprechender Auslegung der Datenbasis kann mit den Analysewerkzeugen auch eine betriebliche post-mortem-Analyse fª die Fehlerortung und die Planung und Simulation von korrektiven Mal3nahmen nach St6rungen erfolgen. 6 . 2 0 r g a n i s a t i o n des Asset Managements
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vertikal integrierte Unternehmen, kein starker Wettbewerbsdruck, Organisation entsprechend der technischen Aufgaben, Planung nach technischen K¡ (Belastbarkeit, Zuverl~issigkeit), keine klare wirtschaflliche Kontrolle, da Auftraggeber und Auflragnehmer oft in einer Person oder Organisationseinheit begrª sind.
Nach der Deregulierung wurden die Energieversorger vertikal entflochten und in die Bereiche Erzeugung, • Verteilung und Vertrieb untergliedert. Die • und Verteilungsnetze stellen weiterhin natª Monopole dar, werden aber nach wettbewerblichen Regeln gefª Das Asset Management-Modell wird jetzt h~iufig angewendet, dessen Aufgabe es ist, subjektive und individuelle Entscheidungen zu vermeiden und statt dessen objektivere Methoden anzuwenden, die eine Verbesserung der Ertr~ige erm6glichen. Die Schlª ist hierbei die Aufteilung in die Bereiche ---
Asset Eigentª Asset Manager, Dienstleistungen und Services.
Die Gesch~iftsbeziehungen zwischen diesen Bereichen werden durch interne Vertr~ige (Service Level Vertrag, SLV) de¡ Jeder dieser Vertr~ige wird zwischen den betroffenen Partnern vereinbart und beschreibt die Arbeitsleistungen, die Termine und die Kosten (Abb. 6). repr~isentiert das Unternehmen Der Asset Eigentª als wirtschaftliche Einheit, die durch die Gesetzgebung des Staates oder Landes fª die Versorgungsaufgaben lizenziert ist und fª alle finanziellen und strategischen Aktivit~iten verantwortlich ist. Ira weitesten Sinne stellt dies die Aufgabe der Untemehmensfª mit ihren strategischen Handels- und Marketingaktivit~iten dar. Die Verantwortung des Asset Managers liegt in der Planung und der Freigabe von Investitionen fª die Erhaltung und den Ausbau der Verteilungsnetze. Er ist auch verantwortlich fª die • und Ausfª rung entsprechend der strategischen Vorgaben des Asset Eigentª Der finanzielle Rahmen der j~ihrlichen Investitionen und die geplante Verzinsung des ein-
Asset Owner
SLV
Asset Manager - Plan,mg
- 8ffentliches Untemehmen
-
Das Prinzip der Deregulierung besteht darin, monopolistische Organisationsstrukturen teilweise in Wettbewerbsstrukturen zu ª252 Vor der Deregulierung waren die Energieversorger folgendermaf3en organisiert:
Wartungsstrategie
Service Provider LV - Beschaffung
- ]nsla]lalion
- Unternehmens- Zuverl~ssigkeits-
Strategie
- Belrieb
Strategie - Marketing
- Wartung
und
Vermarktung
- Slnndm-disierung -
Abb. 6.
Organisation des Asset Managements
Messung
•••
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Restrukturierung und Kosteneinsparung bei Versorgungsnetzen
gesetzten Kapitals bilden die Grundlagen fª seine Entscheidungen. Weiterhin sind vorgegebene versorgungstechnische Qualit~itskriterien entsprechend dem Distribution Code oder den Technischen und Organisatorischen Regeln (TOR) Teil des Entscheidungskriteriums. Erfolgreiches Asset Management beruht auf Zustandsbeurteilungen der vorhandenen Netzanlagen. Die folgenden Informationen ª ein Verteilungsnetz sollten verfª sein: Asset Informationssystem (Auszug): -------
Festlegung einer realistischen Lebensdauer der Komponenten, Erfassen des Alters und des Zustands der einzelnen Komponenten, Wertigkeit der Komponente fª die Versorgungszuverl~issigkeit, Erfassung der j~ihrlichen Ausfallraten nach Komponentenklassen, spezifische Investitionskosten der Komponentenklassen, Wartungs- und Betriebskosten der Komponentenklassen.
Asset Planung: ---
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Wartungsaktivit~iten, Investitionen, Restrukturierungsaktivit~iten der Netze, Stilllegungen, Lagerbewirtschaftung, Recycling.
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Diese Organisationseinheit fª Dienstleistungen und Services setzt die Planungen des Asset Managements um. Sie muss zunehmend ihre Leistungen in Konkurrenz zum freien Markt anbieten. Falls sie in Bezug auf Kosten, Qualitiitsstandard, Produktivit~it oder Liefertermine nicht Bestbieter ist, kann ein anderer Bewerber bevorzugt werden. Die Dienstleistungen werden h~iufig untergliedert in --
Netzneu- und -umbau,
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Betrieb und Wartung, Kundeninstallationen und Kundenservice.
Durch Asset Management und effiziente Organisation der Dienstleistungen und Services lassen sich deutliche Kosteneinsparungen erzielen. Der Anlagenzustand und Anlagenwert k6nnen dabei im Wesentlichen erhalten werden. Dadurch ist auch die Zufriedenheit der Kunden aufgrund einer hohen Versorgungsqualit~it gesichert.
S c h r i f t t u m
[1] IEC 60345 Loading guide for oil immersed transformers. [2] VDE 0536 Belastbarkeit von 01transformatoren. [3] Brauner, G., Tenschert, W., Vierlinger, E.: Network planning in the environment of competition. CIRED 1999, Nizza.