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Kolloquiumsvortrag
         Netzorientiertes Lastmanagement in zukünftigen Smart Grids
         Juniorprofessur Energieinformatik




►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff
2 Demand Side Management/Demand Response
         Intelligentes Verschieben von Lasten in Smart Grids

         ►    Ziel: Strom dann verbrauchen, wenn er besonders günstig ist!
              ►    Lastverschiebepotenzial von Verbrauchern und Erzeugern mit zeitflexiblen
                   Betriebszyklen
              ►    Im Haushalt (Weiße Ware, Wärmepumpen etc.)
              ►    Gewerblich (Kühlhäuser, Klimaanlagen etc.)



                                                    Aktivierung von Verbrauchern über ein
                                                         Externes Steuer-/Preissignal

                                                                    DSM/DR
                                 Energieversorger




                Annäherung an ein
           vorgegebenes Lastprofil
                                                    Lastreduktion     Peak Clipping    Valley Filling   Lastverschiebung



              ►    Geht das so einfach?

►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                                       10.05.12
3 Gleichzeitigkeitsfaktor für Lasten mit und ohne DSM
                             Auslegung von Betriebsmittelkapazitäten
                                                                                                     Höchstspannungsebene
                             HS-Netz

                                   HS/MS-
                                   Transformator
  Elektrisches Verteilnetz




                                                                                                     Hochspannungsebene
                                   MS-Kabel




                                   MS/NS-
                                   Transformator
                                                                                                     Mittelspannungsebene
                                                   ►    Das stochastische Verhalten von Lasten wird mithilfe eines




                                                                                                                                   Bildquelle: www.arosaenergie.ch
                                                        Gleichzeitigkeitsfaktors berücksichtigt

                                   NS-Kabel        ►    Maß für die stochastische Durchmischung von Lasten, die über eine
                                                        Netzkomponente versorgt werden
                                                   ►    Für DSM-Lasten wird ein GleichzeitigkeitsfaktorNiederspannungsebene
                                                                                                       von 1 angenommen

                                   NS-Endnutzer    ►    Synchrones Aktivieren von Verbrauchern/Erzeugern verletzt den
                                                        Gleichzeitigkeitsfaktor als Planungsgrundlage

►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                                          10.05.12
4 Verteilnetze – Variationen des DSM-Anteils
         Überschreiten zulässiger Betriebsgrenzen
                         HS-Netz
                                                                                                                                           thermische




                                                  Anteil steuerbarer Lasten (SL), bezogen auf 30kW Anschlussleistung
                                  HS/MS-Transf.
                                     40 MVA                                                                                                Belastungsgrenze
                                  (~25.000 WE)


                                                                                                                                           thermische
                                    MS-Kabel
                                     5.8 MVA                                                                                               Belastungsgrenze
                                   (~2500 WE)


                                                                                                                                           thermische
                                  MS/NS-Transf.
                                    630 kVA                                                                                                Belastungsgrenze
                                   (~150 WE)



                                       NS-Kabel                                                                                            thermische
                                        190kVA                                                                                             Belastungsgrenze
                                       (~25 WE)


                                   NS-Endnutzer
                                      30kVA                                                                                                zulässiges
                                     (=1 WE)                                                                                               Spannungsband
                                                                                                                       Anteil teilnehmender DSM-Wohneinheiten (WE)
    Quelle: ESW – TU Dortmund, 2010

►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                                                                                 10.05.12
5 Verteilnetze – Investitionskosten für DSM/DR
         Umgelegt auf Wohneinheiten (WE)

                                                                      Verletzung des
                                                                        zulässigen
                                                                     Spannungsbandes



                                   Überlastung des
                                      HS/MS-
               Kosten pro WE [€]




                                   Transformators




               Unterhalb
              thermischer
           Belastungsgrenzen
                                                     Anteil DSM-WE

    Quelle: ESW – TU Dortmund, 2010

►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                   10.05.12
6 Berücksichtigung von Netzkapazitäten in Smart Grids
         Problem fehlender Mess- und Steuerungstechnik


         ►    Dimensionierung nach maximal zu erwartenden Belastungssituationen (unter
              Berücksichtigung von Gleichzeitigkeitsfaktoren)
              ►    Fehlende Notwendigkeit einer aktiven Beobachtung dieser Netzabschnitte
                                                                                                 HöS




                                                                      messtechnisch überwacht
         ►    Neuartige Einflüsse und Belastungssituationen
              durch dezentrale Einspeisung
              ►    Bislang vor Überlast geschützte Betriebsmittel
                   können Überlastet werden                                                      HS
              ►    Zulässige Betriebsgrenzen können verletzt werden
              ►    Verfahren notwendig, um derartige Probleme zu
                   erkennen und rechtzeitig zu vermeiden




                                                                                                      Bildquelle: www.arosaenergie.ch
                                                                                                 MS

         ►    Ziel: größtmögliche Flexibilität im Umgang mit
              aktiv steuerbaren Anlagen und Betriebsmitteln
              ►    Bewertung verfügbarer Netzkapazitäten
                                                                      überwacht

                                                                                                 NS
              ►    Automatisierte Lösungen werden benötigt...
                                                                      nicht




►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                            10.05.12
7 Verteilnetzautomatisierung
         Smart Grid Plattform


         ►    Schnittstelle zwischen überwachtem Übertragungs- und unüberwachtem Verteilnetz

         ►    Überwachung und Automatisierung aktiver Betriebsmittel im
              Verteilnetz
              ►    Optimierter Betrieb und einfachere Wartung von Primärtechnik
              ►    Erhöhung von Versorgungssicherheit und Spannungsqualität
              ►    Effizientere Netzauslastung

         ►    In den Verteilnetzen zwei Hauptanwendungsgebiete
              (aus der IKT-Perspektive)
              ►    Bereitstellung von Systemdienstleistungen
              ►    Betrieb existierender Sekundärtechnik unter veränderten
                   Nutzungsbedingungen

         ►    Geeignete Komponenten?




                                                                                                    Bildquelle: VDE
►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                           10.05.12
8 Verteilnetzautomatisierung (cont‘d)
         Smart Grid Plattform


         ►    Aktorik (aktive Betriebsmittel, steuerbare Anlagen)
              ►    in den Verteilnetzen der Mittel- und Niederspannungsebene




                                       Netzbetriebsmittel       Anlagenseitig
           Szenario:                   Trafo-Stufenschalter   Leistungselektronik
           Spannungshaltung             FACTS (Zukunft)            Umrichter
                                        Leistungsschalter                                      Szenario:
                                         Schutztechnik          Schutztechnik          Fehlerbehandlung

         ►    Sensorik (messtechnische Erfassung)
              ►    Direkte Messtechnische Erfassung der Netzbetriebsmittel (echtzeitfähige Nah- und
                   Weitbereichskommunikation)
              ►    Smart Meter, Home Gateways (heterogen: zeitliche Auflösung, Präzision, Aktualität
                   etc.)
                                                                                Also ein rein technisches Problem?
►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                           10.05.12
9 Berücksichtigung von Netzrestriktionen
         Zurück zu unserem Ausgangsproblem...




      U max                                     ►    Identifizieren optimaler (minimaler)
      UN                                             Rekonfigurationen (Redispatch)
                                                     ►    Einhaltung von Spannungsbändern
      U min
                                                     ►    Berücksichtigung maximaler
      U max                                               Leitungs-/Trafoströme

      UN                                        ►    Komplementäre Einspeisung/
      U min                                          Verbrauch?

      U max

      UN                                        ►    Spannungsänderung am
      U min                                          Transformer (tap-change)?

►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                  10.05.12
10 Bewertung von Betriebszuständen
         Herkömmliches Verfahren


         ►    Betriebszustände ergeben sich aus dem Zusammenspiel aller am Netz
              angeschlossen Akteure
              ►    Messen der Knotenleistungen
              ►    Berechnung des Knotenspannungen
              ►    Berechnen der Leitungsströme
                                                                                            Innerhalb zulässiger                              Unterhalb maximaler
                                                                                            Spannungsbänder?                                   Leitungsströme?



                               P,Q                             Leistungsfluss-
                                                                gleichungen                      ! U $        ! I $                  ! I $
                                                                                                 # 1 &        # 1 &                  # 1 &
                                                                          n                      #  &        #  &                  #  &
                                                                                 *   *           #    &       #    &                 #    &
                                                                S i = U i ∑Y ik U k              # Uk &       # Ik &                 # Il &
                                                                          k=1                    "    %       "    %                 "    %
                                P,Q             P,Q                                                                                                  Minimale Änderung
                                                                                                                                                    der Knotenleistungen?
                             1. Knotenleistungen                                                                               3. Leitungsströme
                                                                                             2. Knotenspannungen
                                                                                                  und -ströme
                                     ▶    Newton-Raphson-
                                          Verfahren:                                keine Umkehrfunktion,
                                     ▶    Iterative Suche nach                   nicht komplex differenzierbar,
                                          Nullstelle der nicht-linearen         technisch irrelevante Lösungen,
                                          komplexwertigen Leistungs-            NR-Konvergenz nicht garantiert
                                          flussgleichungen                                                             Für unsere Fragestellung ungeeignet... Lösung?
►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                                                                                10.05.12
11 Bewertung von Betriebszuständen (cont‘d)
         Integrierte Darstellung zulässiger Betriebsgrenzen


         ►    Bewertung der Zulässigkeit von Betriebszuständen erfolgt „absolut“ (qualitativ).
              ►    Bestimmung des Zustandsvektors à elementweise Überprüfung

         ►    Gesucht wird „relative“ Darstellung (quantitativ)
              ►    Entfernung eines Zustandsvektors von zulässigen Betriebsgrenzen

         ►    Ansatz: Zusammenhängende Darstellung zulässiger Betriebsgrenzen
              ►    Als Menge in ℝ2n (für ein Netz mit n Knoten)




►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                       10.05.12
12 Einhaltung zulässiger Betriebsgrenzen


         ►    Minimale Korrektur von Zustandsvektoren
              ►    Verfügbare Freiheitsgrade entsprechen flexiblen/verschiebbaren Erzeugern und
                   Verbrauchern

                                   	
  
                                  Erzeuger                                      Verbraucher
                                                                                  U=0.9 pu
                                                                                     U=1.1 pu
                                          Q2                                         I=3.0 pu
                                                               Pist,Qist



                           PV                   KWK                    P3,QWärmepumpen
                                                                           3                „Weiße Ware“
                                                              P2,Q2
                                                      P1,Q1
                           Nebenbedingungen:                                   Nebenbedingungen:
                           Einspeisevergütung                                  (Aktueller) Leistungstarif
                           Gestehungskosten                                    Nutzerprozess
                           Nutzerprozess
                           Verfügbarkeit                                        P2



►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                        10.05.12
13 Wichtige Analyse-/Entwurfsfragen
         Nicht-funktionale Eigenschaften dezentraler Energiemanagementansätze

         ►    Analyse- und Entwurfsverfahren zur Beantwortung von Sicherheits-,
              Zuverlässigkeits- und Effizienzfragen, und daraus abgeleitete Methoden zur
              Netzbewertung.

         ►    Zustands-/Belastungsvorhersagen                                  P an Knoten 7

                                                                                                   Trajektorie des
                                                                                                   Betriebspunktes


                 3D-Schnitt der
                   zulässigen
              (hochdimensionalen)
               Spannungsgrenzen




                                                               P an Knoten 1
                             „nächste“
                      möglicherweise kritische
                        Belastungsgrenzen                                                      Q an Knoten 2




►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                             10.05.12
14 Entwicklungsbedarf: Netznutzungskoordinator (Arbitrator)
                                                                                                Pmax ,Qmax   ΔP, ΔQ




                                                                   Zustandsop*mierung	
                                   Constraints	
  


                                               Bes*mmung	
  verbleibender	
  Belastbarkeitsreserven	
  

                                       	
  	
  Arbitrator	
  
                                                                      Betriebszustand	
  


                                                                        Netzmodell	
  

                                                                Adap*ve	
  Modellintegra*on	
  

                                       	
  	
  Adap+ver	
  State	
  Es+mator	
  

                                                                                            P     Q              U    I


                                                                                                             …
                                                                                            Smart Meter
                                                                         (Home Gateways oder eine bessere Idee!)

►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                                          10.05.12
15 Agentenbasierte Verteilnetzautomatisierung


         ►    Dynamischer Ressourcenpool
              ►    Stochastisches Erzeuger-/Verbraucherverhalten
              ►    Variabler Anlagenpool (Bsp. Elektromobilität)
              ►    Unbekannte Gerätetypen
              ►    Verteilte Systemzustandsinformationen

         ►    Adaptive Verteilung von Funktionalität über einen dynamischen
              Komponentenpool
              ►    (Teil)autonome Prozesse
              ►    Verteiltes Koordinations-/Organisationsparadigma
              ►    Migration/Replikation von Funktionalität
              ►    Lernfähigkeit
              ►    Ansatz: Methoden der Selbstorganisation
                                                           Multiagenten Paradigma
►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                          10.05.12
16 Szenario: Schnellladedienst für E-Mobilität
         Potenzial für einen Netznutzungskoordinator


         ►    Zusätzliche Energieanwendungen hoher Leistung
              ►    Schnellladung für Elektrofahrzeuge




                                                  P,Q   P,Q   P,Q
                                                                      Max
                                                                    Charging
                                                                     Power




►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                           10.05.12
17 Fazit

         ►    Das Energieversorgungssystem von Morgen
              ►    Große Anzahl von Komponenten, die aktiv am Netzgeschehen teilhaben
              ►    Gefahr von Betriebsmittelüberlastungen
              ►    Unter-/Überschreiten zulässiger Betriebsgrenzen

              ►    Präzisere Erfassung von Betriebsdaten, zur Identifikation hochdynamischer
                   Versorgungskonfigurationen notwendig
              ►    Neue Bewertungsverfahren notwendig


         ►    (Energie)Informatik von Heute
              ►    Komplexe Systeme beherrschbar machen
              ►    Softwareagenten als autonome kooperative Einheiten, die ein derartiges
                   System leichter regel-, steuer- und simulierbar machen

              ►    Umgang mit großen Datenmengen/-strömen
              ►    Mustererkennungsverfahren
              ►    Großartiges praktisches Umfeld für InformatikabsolventInnen



►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                           10.05.12
18 Ausblick
         Nichtfunktionale Lösungseigenschaften

         ►    Zuverlässigkeit, Sicherheit, Vertraulichkeit
              ►    Robustheit, Verfügbarkeit
              ►    Redundanz (N-1, N-2, ...)

         ►    Adaptivität und Flexibilität
              ►    Interoperabilität (kompatible Systeme, niedrige Integrationskosten, einfach zu rekonfigurieren)
              ►    Skalierbarkeit
              ►    Verteilung/Verschiebung von Funktionalität

         ►    Räumliche und zeitliche Anforderungen

         ►    Wahrung der elektrischen Versorgungssicherheit
              ►    System Average Interruption Duration Index (SAIDI)
              ►    System Average Interruption Frequency Index (SAIFI)

         ►    Regulierung im liberalisierten Energiemarkt
              ►    Dokumentation/Garantie von quantitativen Leistungs- und Sicherheitszielen



►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff                                                                                 10.05.12

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Netzorientiertes Lastmanagement in zukünftigen Smart Grids

  • 1. Kolloquiumsvortrag Netzorientiertes Lastmanagement in zukünftigen Smart Grids Juniorprofessur Energieinformatik ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff
  • 2. 2 Demand Side Management/Demand Response Intelligentes Verschieben von Lasten in Smart Grids ►  Ziel: Strom dann verbrauchen, wenn er besonders günstig ist! ►  Lastverschiebepotenzial von Verbrauchern und Erzeugern mit zeitflexiblen Betriebszyklen ►  Im Haushalt (Weiße Ware, Wärmepumpen etc.) ►  Gewerblich (Kühlhäuser, Klimaanlagen etc.) Aktivierung von Verbrauchern über ein Externes Steuer-/Preissignal DSM/DR Energieversorger Annäherung an ein vorgegebenes Lastprofil Lastreduktion Peak Clipping Valley Filling Lastverschiebung ►  Geht das so einfach? ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 3. 3 Gleichzeitigkeitsfaktor für Lasten mit und ohne DSM Auslegung von Betriebsmittelkapazitäten Höchstspannungsebene HS-Netz HS/MS- Transformator Elektrisches Verteilnetz Hochspannungsebene MS-Kabel MS/NS- Transformator Mittelspannungsebene ►  Das stochastische Verhalten von Lasten wird mithilfe eines Bildquelle: www.arosaenergie.ch Gleichzeitigkeitsfaktors berücksichtigt NS-Kabel ►  Maß für die stochastische Durchmischung von Lasten, die über eine Netzkomponente versorgt werden ►  Für DSM-Lasten wird ein GleichzeitigkeitsfaktorNiederspannungsebene von 1 angenommen NS-Endnutzer ►  Synchrones Aktivieren von Verbrauchern/Erzeugern verletzt den Gleichzeitigkeitsfaktor als Planungsgrundlage ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 4. 4 Verteilnetze – Variationen des DSM-Anteils Überschreiten zulässiger Betriebsgrenzen HS-Netz thermische Anteil steuerbarer Lasten (SL), bezogen auf 30kW Anschlussleistung HS/MS-Transf. 40 MVA Belastungsgrenze (~25.000 WE) thermische MS-Kabel 5.8 MVA Belastungsgrenze (~2500 WE) thermische MS/NS-Transf. 630 kVA Belastungsgrenze (~150 WE) NS-Kabel thermische 190kVA Belastungsgrenze (~25 WE) NS-Endnutzer 30kVA zulässiges (=1 WE) Spannungsband Anteil teilnehmender DSM-Wohneinheiten (WE) Quelle: ESW – TU Dortmund, 2010 ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 5. 5 Verteilnetze – Investitionskosten für DSM/DR Umgelegt auf Wohneinheiten (WE) Verletzung des zulässigen Spannungsbandes Überlastung des HS/MS- Kosten pro WE [€] Transformators Unterhalb thermischer Belastungsgrenzen Anteil DSM-WE Quelle: ESW – TU Dortmund, 2010 ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 6. 6 Berücksichtigung von Netzkapazitäten in Smart Grids Problem fehlender Mess- und Steuerungstechnik ►  Dimensionierung nach maximal zu erwartenden Belastungssituationen (unter Berücksichtigung von Gleichzeitigkeitsfaktoren) ►  Fehlende Notwendigkeit einer aktiven Beobachtung dieser Netzabschnitte HöS messtechnisch überwacht ►  Neuartige Einflüsse und Belastungssituationen durch dezentrale Einspeisung ►  Bislang vor Überlast geschützte Betriebsmittel können Überlastet werden HS ►  Zulässige Betriebsgrenzen können verletzt werden ►  Verfahren notwendig, um derartige Probleme zu erkennen und rechtzeitig zu vermeiden Bildquelle: www.arosaenergie.ch MS ►  Ziel: größtmögliche Flexibilität im Umgang mit aktiv steuerbaren Anlagen und Betriebsmitteln ►  Bewertung verfügbarer Netzkapazitäten überwacht NS ►  Automatisierte Lösungen werden benötigt... nicht ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 7. 7 Verteilnetzautomatisierung Smart Grid Plattform ►  Schnittstelle zwischen überwachtem Übertragungs- und unüberwachtem Verteilnetz ►  Überwachung und Automatisierung aktiver Betriebsmittel im Verteilnetz ►  Optimierter Betrieb und einfachere Wartung von Primärtechnik ►  Erhöhung von Versorgungssicherheit und Spannungsqualität ►  Effizientere Netzauslastung ►  In den Verteilnetzen zwei Hauptanwendungsgebiete (aus der IKT-Perspektive) ►  Bereitstellung von Systemdienstleistungen ►  Betrieb existierender Sekundärtechnik unter veränderten Nutzungsbedingungen ►  Geeignete Komponenten? Bildquelle: VDE ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 8. 8 Verteilnetzautomatisierung (cont‘d) Smart Grid Plattform ►  Aktorik (aktive Betriebsmittel, steuerbare Anlagen) ►  in den Verteilnetzen der Mittel- und Niederspannungsebene Netzbetriebsmittel Anlagenseitig Szenario: Trafo-Stufenschalter Leistungselektronik Spannungshaltung FACTS (Zukunft) Umrichter Leistungsschalter Szenario: Schutztechnik Schutztechnik Fehlerbehandlung ►  Sensorik (messtechnische Erfassung) ►  Direkte Messtechnische Erfassung der Netzbetriebsmittel (echtzeitfähige Nah- und Weitbereichskommunikation) ►  Smart Meter, Home Gateways (heterogen: zeitliche Auflösung, Präzision, Aktualität etc.) Also ein rein technisches Problem? ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 9. 9 Berücksichtigung von Netzrestriktionen Zurück zu unserem Ausgangsproblem... U max ►  Identifizieren optimaler (minimaler) UN Rekonfigurationen (Redispatch) ►  Einhaltung von Spannungsbändern U min ►  Berücksichtigung maximaler U max Leitungs-/Trafoströme UN ►  Komplementäre Einspeisung/ U min Verbrauch? U max UN ►  Spannungsänderung am U min Transformer (tap-change)? ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 10. 10 Bewertung von Betriebszuständen Herkömmliches Verfahren ►  Betriebszustände ergeben sich aus dem Zusammenspiel aller am Netz angeschlossen Akteure ►  Messen der Knotenleistungen ►  Berechnung des Knotenspannungen ►  Berechnen der Leitungsströme Innerhalb zulässiger Unterhalb maximaler Spannungsbänder? Leitungsströme? P,Q Leistungsfluss- gleichungen ! U $ ! I $ ! I $ # 1 & # 1 & # 1 & n #  & #  & #  & * * # & # & # & S i = U i ∑Y ik U k # Uk & # Ik & # Il & k=1 " % " % " % P,Q P,Q Minimale Änderung der Knotenleistungen? 1. Knotenleistungen 3. Leitungsströme 2. Knotenspannungen und -ströme ▶  Newton-Raphson- Verfahren: keine Umkehrfunktion, ▶  Iterative Suche nach nicht komplex differenzierbar, Nullstelle der nicht-linearen technisch irrelevante Lösungen, komplexwertigen Leistungs- NR-Konvergenz nicht garantiert flussgleichungen Für unsere Fragestellung ungeeignet... Lösung? ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 11. 11 Bewertung von Betriebszuständen (cont‘d) Integrierte Darstellung zulässiger Betriebsgrenzen ►  Bewertung der Zulässigkeit von Betriebszuständen erfolgt „absolut“ (qualitativ). ►  Bestimmung des Zustandsvektors à elementweise Überprüfung ►  Gesucht wird „relative“ Darstellung (quantitativ) ►  Entfernung eines Zustandsvektors von zulässigen Betriebsgrenzen ►  Ansatz: Zusammenhängende Darstellung zulässiger Betriebsgrenzen ►  Als Menge in ℝ2n (für ein Netz mit n Knoten) ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 12. 12 Einhaltung zulässiger Betriebsgrenzen ►  Minimale Korrektur von Zustandsvektoren ►  Verfügbare Freiheitsgrade entsprechen flexiblen/verschiebbaren Erzeugern und Verbrauchern   Erzeuger Verbraucher U=0.9 pu U=1.1 pu Q2 I=3.0 pu Pist,Qist PV KWK P3,QWärmepumpen 3 „Weiße Ware“ P2,Q2 P1,Q1 Nebenbedingungen: Nebenbedingungen: Einspeisevergütung (Aktueller) Leistungstarif Gestehungskosten Nutzerprozess Nutzerprozess Verfügbarkeit P2 ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 13. 13 Wichtige Analyse-/Entwurfsfragen Nicht-funktionale Eigenschaften dezentraler Energiemanagementansätze ►  Analyse- und Entwurfsverfahren zur Beantwortung von Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Effizienzfragen, und daraus abgeleitete Methoden zur Netzbewertung. ►  Zustands-/Belastungsvorhersagen P an Knoten 7 Trajektorie des Betriebspunktes 3D-Schnitt der zulässigen (hochdimensionalen) Spannungsgrenzen P an Knoten 1 „nächste“ möglicherweise kritische Belastungsgrenzen Q an Knoten 2 ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 14. 14 Entwicklungsbedarf: Netznutzungskoordinator (Arbitrator) Pmax ,Qmax ΔP, ΔQ Zustandsop*mierung   Constraints   Bes*mmung  verbleibender  Belastbarkeitsreserven      Arbitrator   Betriebszustand   Netzmodell   Adap*ve  Modellintegra*on      Adap+ver  State  Es+mator   P Q U I … Smart Meter (Home Gateways oder eine bessere Idee!) ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 15. 15 Agentenbasierte Verteilnetzautomatisierung ►  Dynamischer Ressourcenpool ►  Stochastisches Erzeuger-/Verbraucherverhalten ►  Variabler Anlagenpool (Bsp. Elektromobilität) ►  Unbekannte Gerätetypen ►  Verteilte Systemzustandsinformationen ►  Adaptive Verteilung von Funktionalität über einen dynamischen Komponentenpool ►  (Teil)autonome Prozesse ►  Verteiltes Koordinations-/Organisationsparadigma ►  Migration/Replikation von Funktionalität ►  Lernfähigkeit ►  Ansatz: Methoden der Selbstorganisation Multiagenten Paradigma ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 16. 16 Szenario: Schnellladedienst für E-Mobilität Potenzial für einen Netznutzungskoordinator ►  Zusätzliche Energieanwendungen hoher Leistung ►  Schnellladung für Elektrofahrzeuge P,Q P,Q P,Q Max Charging Power ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 17. 17 Fazit ►  Das Energieversorgungssystem von Morgen ►  Große Anzahl von Komponenten, die aktiv am Netzgeschehen teilhaben ►  Gefahr von Betriebsmittelüberlastungen ►  Unter-/Überschreiten zulässiger Betriebsgrenzen ►  Präzisere Erfassung von Betriebsdaten, zur Identifikation hochdynamischer Versorgungskonfigurationen notwendig ►  Neue Bewertungsverfahren notwendig ►  (Energie)Informatik von Heute ►  Komplexe Systeme beherrschbar machen ►  Softwareagenten als autonome kooperative Einheiten, die ein derartiges System leichter regel-, steuer- und simulierbar machen ►  Umgang mit großen Datenmengen/-strömen ►  Mustererkennungsverfahren ►  Großartiges praktisches Umfeld für InformatikabsolventInnen ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12
  • 18. 18 Ausblick Nichtfunktionale Lösungseigenschaften ►  Zuverlässigkeit, Sicherheit, Vertraulichkeit ►  Robustheit, Verfügbarkeit ►  Redundanz (N-1, N-2, ...) ►  Adaptivität und Flexibilität ►  Interoperabilität (kompatible Systeme, niedrige Integrationskosten, einfach zu rekonfigurieren) ►  Skalierbarkeit ►  Verteilung/Verschiebung von Funktionalität ►  Räumliche und zeitliche Anforderungen ►  Wahrung der elektrischen Versorgungssicherheit ►  System Average Interruption Duration Index (SAIDI) ►  System Average Interruption Frequency Index (SAIFI) ►  Regulierung im liberalisierten Energiemarkt ►  Dokumentation/Garantie von quantitativen Leistungs- und Sicherheitszielen ►  Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff 10.05.12