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ENERGIE- MANAGEMENT
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Hierarchisches Netzmanagement – Ein Konzept für die dezentrale Niederspannungsnetzführung Klaus Becker, PSI Nentec GmbH / Dr. Andreas Stolte, PSI AG
Smart Grid-Forum, Hannover Messe 2015, 14.04.2015
Hierarchisches Netzmanagement
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Hierarchisches Netzmanagement – Ein Konzept für die dezentrale Niederspannungsnetzführung Klaus Becker, PSI Nentec GmbH / Dr. Andreas Stolte, PSI AG
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Übersicht
Motivation
Die Smart Telecontrol Unit (STU) der PSI als Plattform für Smart Grid-Anwendungen
Hierarchisches Netzmanagement
RWE Pilotprojekt „Smart Operator“
Verteiltes Einspeisemanagement
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Hierarchisches Netzmanagement – Ein Konzept für die dezentrale Niederspannungsnetzführung Klaus Becker, PSI Nentec GmbH / Dr. Andreas Stolte, PSI AG
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Quelle: European Industrial Initiative on electricity grids
Smart Grid – Roadmap
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Konzepte für die Niederspannungsnetzführung
Hierarchischer Ansatz Zentraler Ansatz
123 P,Q,U
123
123
123
123
123
123
123 123
123 Smart Meter
123
123 NS
MS
HS
Netzleitsystem
STU
Sollwerte
Messwerte
Kennzahlen
Meldungen Ankopplungspunkt
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Smart Telecontrol Unit – das Gerät
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Smart Telecontrol Unit (STU) – Systemkonzept
Integrierte I/Os (analog, digital)
Flexible Erweiterungen mit offenen Standards
• USB, RS232, RS485, Modbus, CANopen, EtherCat
• Module von Drittanbietern anschließbar
LINUX-basierte Software Plattform
• Embedded Linux Distribution „NENUX“
• Erprobte Technologie aus den Fernwirk-Gateways
+ Erweiterungsmodule
Modulares System
Hutschienengehäuse
Hauptmodul
Zusätzliche I/Os Power Quality Analyzer Smart Meter
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STU-Box – Konzept
Für raue Umgebungen
• Outdoor (bis IP65)
Spezielle Boxen für verschiedene Einsatzzwecke
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STU – Funktionsblöcke
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STU – Prozessanbindung
Schnittstellen
• Seriell: RS232, RS485, X.21
• Ethernet / IP
• digitale und analoge I/Os
• Feldbusse, Power Line, …
• Weitere über externe Module
Protokolle
• Standard Fernwirk-Protokolle:
- IEC 60870-5-101/-104,
- IEC 61850,
- DNP3
• Proprietäre Fernwirk-Protokolle
• Industrie-Protokolle: ModBus, CANopen, …
• Zählerprotokolle: SML, SYM2, DLMS, IEC 62056-21, …
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STU – Leitstellen-Anbindung
Schnittstellen
• LAN: Ethernet / IP
• Mobilfunk: UMTS / GPRS / TETRA
• xDSL
• Powerline
• Öffentliches Internet
Protokolle
• Standard Fernwirk-Protokoll: IEC 60870-5-104
• Web-Services
• IEC 61850 / DNP3 (insbesondere im Ausland)
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STU – Kommunikation und Security
IP-Routing
• Redundanz / Backup
• Nutzung dynamischer IP-Adressen
Virtual Private Networks (VPN)
• Verschlüsselung
• Authentifizierung
Benutzer-Authentifizierung
• LDAP, RADIUS
Zeitsynchronisierung
• GPS, ntp, IEEE 1588 PTP
Systemhärtung
PSIsiu: Zentraler Server für
• sichere Inbetriebnahme
• sichere Konfiguration
• sicheres Update
Nachladbare Applikationen
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Protokollwandlung
• IEC 61850 <-> IEC 60870-5-104
• Fernwirk-Gateway
- Viele standardisierte und proprietäre Fernwirkprotokolle
Steuerung von Erzeugern und Verbrauchern im virtuellen Kraftwerk
Smart Operator
• Autonome Steuerung in Niederspannungsnetzen
Verteiltes Einspeisemanagement
STU – aktuelle Einsatzszenarien
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U
Erkennung, Vermeidung und Korrektur von Engpässen Überwachung von Spannungsband und Betriebsmittelgrenzen
I/Imax
Lokale Überwachung
des Spannungsbandes
Lokale Überwachung der
Betriebsmittelgrenzen
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Pilotprojekt Smart Operator
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Analyse
SOManager
Intelligente Netzkomponenten
Smart Operator
IEC 60870-5-104
SML
Smart
Meter Speicher Schalter
und Regler
IEC 61850, Modbus, Web service, ...
Dezentrale
Erzeuger
Lad
es
äu
len
Smart Operator – Systemübersicht
Home Energy
Controller
Web service
SQL
–
PSIcontrol
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Smart Operator STU als Plattform für Intelligente Applikationen
Statisches Datenmodell
Rechennetzmodell NewtonCML
Weitere statische Daten z.B. Speicherkapazität
SO-Anwendungen
Lastfluss-Rechenkern (PSI)
Optimierung mit Prognosen
(RWTH)
Dynamische Datenmodelle
Dynamische Daten der Zähler
und Netzkomponenten
Wetterdaten
Dynamische Daten des
Optimierungsverfahrens
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SOManager – Übersicht über die Smart Operatoren
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SOManager – Tabellendarstellungen
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SOManager – Netzdarstellungen
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SOManager – Protokolle und Logs
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PSIcontrol
Einspeisemanagement
Darstellung und Steuerung dezentraler Einspeisungen
B
Verteiltes Einspeisemanagement Spannungsebenenübergreifende Netzführung
Verteiltes Einspeisemanagement
Dezentrale Automatisierung C
Einspeisemanagement- Regler
Auf der Basis von Online-Sensitivitätsanalyse
A Spannungsebenen- übergreifendes Einspeisemanagement
Regelvorgänge und manuelle Steuerungen
A + B
380/220 kV
110 kV
10/20 kV
0,4 kV
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Verteiltes Einspeisemanagement Einbindung der Niederspannungsnetze
Basis: Einspeisemanagement-Funktionen in PSIcontrol
Konsistente Erweiterung des Zusammenspiels der Funktionen für verschiedene Spannungsebenen auf Niederspannungsnetze
Schnittstelle MS ↔ NS analog zur Schnittstelle HS ↔ MS
Schaltingenieur in der Netzleitstelle behält Hoheit über Steuereingriffe (keine autonome „Optimierung” des NS-Netzes durch die STU)
Automatische Eingriffe zur Vermeidung lokaler Grenzwerletzungen
Die einzelnen Anlagen im Niederspannungsnetz (z.B. PV-Anlagen) müssen im Netzleitsystem nicht bekannt sein
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Verteiltes Einspeisemanagement Sollwerte vom Netzleitsystem
Das Netzleitsystem sendet Sollwerte pro Reduktionsgruppe („Tarif”) an die STU
Übermittelte Werte: Maximale Einspeiseleistung und Grund für den Eingriff (EEG | EnWG)
Das Verfahren kann auch auf abschaltbare Lasten angewendet werden
Gruppe G1 Gruppe G2
Grund: EEG Grund: EEG
Sollwert = 0 kW Sollwert = 200 kW
BHKW PV A PV B PV C PV D
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Verteiltes Einspeisemanagement STU als Plattform für Intelligente Applikationen
Statisches Datenmodell
Rechennetzmodell NewtonCML
Weitere statische Daten z.B. Speicherkapazität
Verteiltes Einspeisemanagement
Lastfluss-Rechenkern
Einspeisemanagement /
Überwachung lokaler
Grenzen
Dynamische Datenmodelle
Dynamische Daten der Zähler
und Netzkomponenten
Wetterdaten
Datenaustausch mit dem
Netzleitsystem
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Verteiltes Einspeisemanagement Anforderungen / Herausforderungen
Netzdaten ggf.
unzuverlässig oder nicht vorhanden
Vorgaben vom NLS
einzuhalten
Lokale Überlastung verhindern
Wirtschaftlich optimale Lösung finden
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Hierarchisches Netzmanagement – Ein Konzept für die dezentrale Niederspannungsnetzführung Klaus Becker, PSI Nentec GmbH / Dr. Andreas Stolte, PSI AG
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Automatisches Erkennen der Netzstruktur und Bestimmen der Leitungsimpedanzen
Korrelation
• Nahe Knoten haben ähnlichen Spannungsverlauf
Betrag
• Knoten beim Trafo kleinere Abweichung
Messwerte
Vorgänger Reihenfolge
Spannungsmessungen im NS-Netz
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Verteiltes Einspeisemanagement Optimierungsansatz
• Spannungsänderung bei Knoten x bei Leistungsänderung an Knoten y
Sensitivität
• Photovoltaik lässt sich in Stufen 0%, 30%, 60%, 100% schalten
Diskrete Stufen
• Sehr Vielseitig - Netzleitsystem, Trafo-Last, Spannungshaltung
Nebenbedingungen
Gemischt-Ganzzahliges Problem (+ Fallback-Heuristik)
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Hierarchisches Netzmanagement – Ein Konzept für die dezentrale Niederspannungsnetzführung Klaus Becker, PSI Nentec GmbH / Dr. Andreas Stolte, PSI AG
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Verteiltes Einspeisemanagement
Der Ansatz wurde in Demo- und
Pilotimplementierungen verifiziert
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