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iNET-FA²

Intelligente Verteilnetze für mehr Flexibilität

Projektstatus
Erste Ergebnisse
Fraktale Prozessautomatisierungs-Architektur eines Smart Grids in schematischer Darstellung
Fraktale Prozessautomatisierungs-Architektur eines Smart Grids © Prof. Dr.-Ing. E. Ortjohann, Hochschule Südwestfalen

Das übergeordnete Projektergebnis ist eine verallgemeinerte Beschreibungsform und Automatisierungs-Architektur für elektrische Energieversorgungsnetze. Das Besondere daran: sie erfüllt die geforderte Flexibilität, Adaptivität und Nachhaltigkeit im Sinne eines evolutionären Entwicklungsprozesses intelligenter Netze. Dazu wollen die Forscher eine systematisierte Betriebsführung von der Verteilnetzebene bis in die Geräteebene entwickeln.

Der anstehende Systemumbau in der elektrischen Energieversorgung erfordert intelligente Lösungen, die ein Höchstmaß an Adaptivität, Modularität, Flexibilität, Fernwartbarkeit und Rollout-Fähigkeit im Sinne eines Smart Grid und Smart Market besitzen. Darüber hinaus sollten die Lösungen möglichst kostenoptimal umsetzbar sein. Eine zentrale Herausforderung ist die Implementierung einer dienstleistungsorientierten Automatisierung innerhalb der Verteilnetzebenen, mit der die Smart-Grid- und -Market-Philosophie im Zusammenspiel operationalisierbar sein soll.

Hierzu gilt es, Prozessautomatisierungsstrukturen zu entwickeln, mit denen sich die benötigte Funktionalität für die Preismodelle und die Prozessführung durchgängig über alle Spannungsebenen hinweg abbilden lässt. Es werden strukturelle Beschreibungsformen für den elektrischen Versorgungsprozess benötigt, welcher den multiplen Anforderungen eines intelligenten Netzes in allen Netzebenen gerecht wird. Insbesondere das Leitbild einer gleichberechtigten Partizipation aller Akteure im Rahmen ihrer technischen und ökonomischen Möglichkeiten sollte in einem liberalisierten Markt umsetzbar sein.
Hieraus ergibt sich das Projektziel einer offenen, fraktalen Automatisierungs-Architektur, welche sich selbstähnlich von der Netzleitebene, über die Ortsnetzstation und Prosumer bis in den Bereich der einzelnen Stromerzeuger resp. Speicher abbilden lässt. Es wird in jeder Ebene das gleiche Prozess- beziehungsweise Automatisierungsfraktal verwendet. Zusammengefasst sollen mit dem Projekt folgende wissenschaftliche und technische Arbeitsziele erreicht werden:

  • Nachweise einer weitreichenden Strukturbeschreibung elektrischer Versorgungsprozesse mittels eines verallgemeinerten Prozessfraktals.
  • Umsetzbarkeit der fraktalen Strukturbeschreibung in eine fraktal organisierte Automatisierungs-Architektur für elektrische Netze.
  • Nachweis einer dynamischen Prozessführung mittels fraktal organisierter Automatisierungs-Architektur für die Verteilnetzebene mit TSO-Funktionalitäten (Primär-, Sekundär- und Tertiärregler)

Zum Projektbeginn sollte eine allgemeine, systemtechnische und strukturelle Systemanalyse durchgeführt werden. Dazu werden die zuvor ausgewählten Hardware-Komponenten hinsichtlich ihrer verfügbaren Performance und den Kommunikationsschnittstellen untersucht. Hieraus ergeben sich die Anforderungen für die technische Umsetzung der fraktalen Automatisierungs-Architektur. In einem weiteren Schritt wird die Spezifikation, bezogen auf die Anforderungen der zum Einsatz kommenden Rechnerplattformen, vorgenommen. Gegen Mitte des Projektzeitraumes ist geplant, die Algorithmen und Funktionen der TSO-Ebene (Primär-, Sekundär- und Tertiärregelung) entsprechend aufzubereiten, sodass sich diese in die Prozessfraktale implementieren lassen. Mittels Simulationen erfolgt eine Verifikation dieser fraktalen TSO-Funktionen innerhalb der Prozessfraktale. Abschließend ist die Zusammenführung der Hardware- und Software-Komponenten in einer Testapplikation zur fraktalen Prozessautomation geplant. In dieser Testapplikation erfolgt eine realistische Nachbildung eines Verteilnetzes einschließlich der fraktalen Prozessautomatisierung.

Meilensteine von iNET-FA²

Im Projekt gibt es drei Meilensteine. Der erste dient zur internen Überprüfung, inwieweit eine technische Umsetzbarkeit möglich ist. Insbesondere sollen durch dieses technische Assessment frühzeitig mögliche Hindernisse ausgeräumt und bei Bedarf notwendige Alternativen zur Umsetzung entwickelt werden.

Für den zweiten Meilenstein überprüfen die Forscher, ob die Funktionen über Apps implementierbar sind und den technischen Erfordernissen genügen.

Meilenstein drei ist die abschließende Bewertung, inwieweit sich die Projektergebnisse umsetzen lassen.

Erste Ergebnisse des Projekts iNET-FA²

Mit Erreichen von Meilenstein 1 konnte nachgewiesen werden, dass die Umsetzung des Projektes bezogen auf die eine angestrebte fraktale Automatisierungs-Architektur grundsätzlich möglich ist. Nach einer ersten Strukturanalyse zu Verteilnetzen und deren Betriebsmittel wurde jedoch festgestellt, dass die derzeitige Verteilnetzinfrastruktur nicht den Erfordernissen einer fraktalen Prozessführung genügt. In einem Lastenheft ist hierzu ein entsprechender Anforderungskatalog an die einzusetzenden Betriebsmittel und Infrastrukturkomponenten verfasst worden. Parallel zu den Arbeiten für die als Automatisierungs-Einheiten einzusetzenden Hardwareplattformen, werden von den Projektpartnern für die abschließenden Funktionstests mit dem Smart Grid-Simulator entsprechende Betriebsmittel (Niederspannungs¬verteilungen, Schutzeinrichtungen, automatisierbare Schaltgeräte, Sensorik, etc.) aufgebaut und für die fraktale Automatisierungsarchitektur ertüchtigt. Weiterführend konnten für die fraktale Automatisierungs-Architektur entsprechende Netzbetriebsszenarien (siehe Abb. 2) entwickelt werden.

Netzbetriebsszenarien zur fraktalen Automatisierungs-Architektur © Prof. Dr.-Ing. E. Ortjohann, Hochschule Südwestfalen

Mit Erreichen von Meilenstein 2 konnte die Hardware-Unabhängigkeit des entwickelten Software-Frameworks nachgewiesen werden. Weiterführend lassen sich TSO-Funktionen als Apps über den Software-Framework implementieren. Durch entsprechende Performance-Tests konnte die Funktionstüchtigkeit der Apps auf den verschiedenen Hardware-Plattformen ebenfalls nachgewiesen werden. Aktuell werden weitere Apps für die Implementierung in den Framework vorbereitet und entsprechenden Funktionstests unterzogen. In den kommenden Arbeitsschritten werden die benötigte Kommunikationsprozesse für den Informationsaustausch zwischen den einzelnen Netzelementen innerhalb der fraktalen Automatisierungs-Architektur weiterentwickelt und ebenfalls getestet.

Die Verbundpartner und ihre Aufgaben im Überblick


FH-Südwestfalen

  • Projektkoordinierung

  • Aufbau und Umsetzung der Software-Architektur in Absprache mit den Projektpartnern

  • Weiterentwicklung des Software-Frameworks

  • Programmierung von exemplarischen Funktionsapplikationen in Absprache mit den Partnern (unsymmetrische Lastflussrechnung, Darstellung von Prozesszuständen (Ampelprinzip), etc.)

  • Test und Implementierung der Software auf den jeweiligen Plattformen

  • Durchführung eines Testbetriebs

  • Validierung mit einer Hardware in „The Loop Simulation“

 Sprecher Automation GmbH

  • Aufbau und Bereitstellung der Automatisierungsplattformen für die Ortsnetzstationen

  • Spezifikation der technischen Anforderungen für den Feldeinsatz

  • Spezifikation und Aufbau einer sicheren Kommunikation zwischen den Plattformen und Teilnehmern

  • Unterstützung bei der Spezifizierung zur systemadäquaten Feldintegration

  • Validierung der fraktalen Automatisierungs-Architektur

 devboards GmbH

  • Bereitstellung der Automatisierungsplattformen für die Prosumer-Ebene

  • Spezifikation der technischen Schnittstellen für den Prosumer-Bereich

  • Software-Applikations-Unterstützung für die App-Implementierung via Fernwartung

  • Bereitstellung von IP-Cores für die Ethernet gestützte Kommunikation mit Inhouse-Systemen

 Westfalen Weser Netz GmbH

  • Bereitstellung des Messnetzes zur Netzzustandserfassung  (Power-Quality-Messungen)

  • Software-technische Bereitstellung und Anbindung der Messungen an die SGCC-Testplattformen zur Ortsnetzstationsautomatisierung

  • Mitwirkung bei der Aufbereitung der Messdaten für das Smart-Grid-Datenmodell

  • Mitwirken bei der Spezifikation der Visualisierungsanforderungen aus Anwendersicht

  • Usability-Test

 JEAN MÜLLER GmbH

  • Bereitstellung entsprechender Komponenten aus dem Bereich Hausanschlusskästen und Niederspannungsverteilerschränke für Demo-Zwecke

  • Aufbau einer automatisierten Ortsnetzstation mit intelligenter Sensorik (Leistungsmessung, Kurzschlussrichtungsrelais, Sicherungs-überwachung, etc.) in Kombination mit fernsteuerbaren Niederspannungs-Lasttrennern mit Sicherungen

Projektlaufzeit

10/2014 – 09/2017

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Egon Ortjohann
Verbundprojektkoordinator
Hochschule Südwestfalen
Lübecker Ring 2
59494 Soest
+49(0)2921-378-432
+49(0)2921-378-433

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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