Power System Cognification (PoSyCo) - Aspern Smart City Research

Das PoSyCo-Projekt läuft von Jänner 2019 bis Juni 2022, ist mit 3,7 Millionen Euro budgetiert und wird vom Klima- und Energiefonds mit 2,5 Millionen Euro gefördert. Ziel von PoSyCo ist es, das herkömmliche Netz-Schutzkonzept mit einem intelligenten „Add-on“ zu erweitern. Dieses „SOFTprotection“-System stellt einerseits eine Funktion zur Vermeidung von Überlastungen dar, und die dabei neu geschaffenen Informationsquellen ermöglichen andererseits eine verbesserte Analyse sowie raschere Klärung von Störungen. Ein herausfordernder, aber wichtiger Schritt in Richtung „Smart Grids“ von morgen.

Testumgebungen und Test Cases

In PoSyCo werden Tests in den Laborumgebungen der Partner, mittels Simulationen unter Nutzung von virtuellen Testbeds modelliert in BIFROST und im ASCR Living-Lab in aspern die Seestadt Wiens durchgeführt. Ziel ist die Validierung der Performance und Funktionalitäten der PoSyCo Ansätze sowie der Algorithmen. Der Fokus liegt dabei auf Systemintegration, Umgang mit Abhängigkeiten und Interaktion zwischen den Sub-Systemen der SOFTprotection Anwendungen.

Dafür wurden Tests Cases definiert, damit sowohl die untersuchten Use Cases als auch die drei Dimensionen “Physical“, „Information and Communication“ und „Process” in ausreichender Breite validiert werden können.

Die Highlights und Ergebnisse können im Endbericht nachgelesen werden.

Weitere Infos finde Sie auch auf des Seite der TU Graz im Center of Knowledge Interchange Siemens.

Smart Grid Lab

Das Smart Grid Lab stellt einen digitalen Zwilling dar, in welchem das Energienetz als digitale Umgebung dargestellt wird, in der man sämtliche Komponenten testen kann, bevor sie im Netz eingesetzt werden. Das Smart Grid Lab befindet sich in einem fortgeschrittenen Forschungsstadium.

Einen Rundgang durch das Smart Grid Lab finden Sie hier.

Projektziele

Angesichts der zu erwartenden Veränderung bei Erzeugung und Verbrauch von Strom durch die steigende Anzahl von erneuerbaren Produzenten einerseits und steigende E-Mobilität andererseits ergeben sich neue Herausforderungen für unsere Stromnetze. Das übergeordnete Ziel des Leitprojekts PoSyCo ist das Erarbeiten von Lösungen für diese Herausforderungen sowie deren Erprobung in unterschiedlichen Testumgebungen.

Aber nicht nur die Hardware muss überdacht werden. Unter sich derart veränderten Umständen müssen selbst die Prozesse zur Wartung und Ausbau der Netze adaptiert werden. Weiters müssen Datenbanken und Strukturen errichtet werden, um die Datenmengen zuverlässig und sicher zu sammeln, zu speichern und korrekt weiterverarbeiten zu können.

Damit diese Daten sinnvoll verwendet und interpretiert werden können, benötigt es Algorithmen (KI), welche die schier überwältigende Menge an Datenpunkten interpretieren und Vorschläge bis hin zu Entscheidungsgrundlagen liefern, die vom geschulten Personal verwendet werden können.
Die Schulung dieses Personals benötigt ebenfalls neue Infrastruktur.
Insgesamt muss eine komplett neue Nomenklatur für das gesamte Netz erarbeitet werden, um die Datenpunkte korrekt ablegen zu können, wenn es beispielsweise im Netz zu Änderungen bei Verschaltungen kommt. Diese können kurzfristiger Natur sein, wenn z.B. Schaltschleifen geschalten werden, aber auch langfristig/permanent, wenn Netzteile erweitert oder umgebaut werden.
Die Ausbringung von neuen Komponenten ins Netz muss durch Software und Automatismen unterstützt werden, um den benötigten Personalaufwand im vertretbaren Rahmen zu halten.
Kriterien müssen entwickelt werden, die als Leitfaden zur Ausbringung von Sensorik dienen.

Testmethoden und -umgebungen

Das PoSyCo Team führt experimentelle Labor und Feldtests durch, um die entwickelten SOFTprotection Funktionen und Systeme zu evaluieren und zu demonstrieren. Ziel ist die Validierung der Performance und Funktionalität der PoSyCo Methodiken und Algorithmen mit Fokus auf Systemintegration und Interaktion zwischen Subsystemen differenzierter SOFTprotection Stufen. Dafür wurden für jeden PoSyCo Use Case sogenannte Test Cases entwickelt, welche wiederum untergliedert sind in die drei Dimensionen „Physikalisch, Information und Kommunikation (IKT) und Prozessdimension. Diese Test Cases wurden mit den Methoden Labor-, Simulations- und Feldtests in den unterschiedlichen Testumgebungen erprobt.

Testmethoden

Labortests werden beim AIT durchgeführt mittels Nutzung der Hard- und Software-in-the-Loop-Testumgebung für UC3 “Überlastungsschutz durch Kundenaktivierung”. Die TU Graz führt außerdem Leistungsschutzschalter Tests am Labordemonstrator für UC4 “Überlastungsschutz durch temporäre Vermaschung” durch.

Simulationstests werden von Siemens mittels Demonstration und Validierung von ausgewählten SOFTprotection Funktionalitäten durchgeführt. Diese werden über die Simulationsumgebung Bifrost simuliert und visualisiert.

Feldtests mit Fokus auf die Prozessdimension werden im ASCR Living-Lab in Aspern durchgeführt. Außerdem werden Tests zum UC3 im neuen Siemens E-Mob Testbed durchgeführt.

Spezifische PoSyCo Testumgebungen:

BIFROST: ist ein Design-Tool und eine Simulationsumgebung für die realistische Replikation von Smart Cities, aber auch Energiegemeinschaften, mit Fokus auf Stromnetz- und Kommunikationsinfrastruktur. Bifrost wird als virtuelles Testbed für PoSyCo Lösungen verwendet.
AIT Hard- und Software-in-the-Loop Plattform: Um Cyber-Physikalische Energiesysteme zu analysieren braucht es drei Hauptkomponenten 1) das physikalische System 2) das Kontrollsystem 3) das Kommunikationsnetz zwischen den Controllern. Die PoSyCo Implementierungen basieren auf OPAL-RT für das Emulieren des physikalischen Systems sowie Lablink und Redis um eine Kommunikation zwischen Controllern und der Simulation herzustellen. Dies ermöglicht ein flexibles Setup, das zur Validierung von verschiedenen Reglerarten verwendet werden kann.
TU Graz “Leistungsschalter Labordemonstrator”: Um eine praktische Eignung zu demonstrieren und realistische Analysen der Algorithmen des PoSyCo Switching Management Moduls (SMM) für Use Case 4 zu ermöglichen, hat das Projektteam einen dazugehörigen Labordemonstrator entwickelt.
Siemens E-Mob Testbed: Die in UC3 entwickelte Smart Charging Applikation wird im neuen Smart Charging Testbed in der Siemens City in Wien implementiert und getestet.
ASCR Living-Lab beinhaltet intelligente Gebäude mit dezentralen Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen. Darüber hinaus existiert dort die notwendige Kommunikationsinfrastruktur bereits. Das Stromnetz kann beobachtet und die notwenigen Daten gesammelt werden. Der Smart Charging Use Case in Hinblick auf Interaktion mit öffentlicher Ladestationsinfrastruktur wird in der Parkgarage „Seehub“ erforscht.

Herausforderungen

Für unsere Stromnetze wird sich in den nächsten Jahren vieles ändern. Zukünftig – wie teilweise bereits heute erkennbar – werden wir nicht ausschließlich durch einige wenige Großkraftwerke mit Strom versorgt werden, sondern auch durch dezentral eingespeiste Energie, zum Beispiel von privaten Photovoltaik-Anlagen. Vor allem beim Verbrauch steht etwa durch den Zuwachs an Elektromobilität oder den Umstieg von Gas- und Ölheizungen auf elektrische Wärmepumpen ein massiver Wandel bevor. Regionale Energiegemeinschaften, die verteilte Energietechnologien effizienter einsetzen und mit dem regionalen Verbrauch besser abstimmen können, werden diese Entwicklung noch verstärken.

Unsere Mittel- und Niederspannungsnetze bilden die Versorgungsgrundlage für eine Vielzahl an Haushalts-, Gewerbe und Industriekunden und müssen laufend an die neuen Anforderungen angepasst werden, um auch in Zukunft Ausfallsicherheit bieten zu können.

PoSyCo beschäftigts sich mit der Erweiterung des herkömmlichen Netzschutzes um das SOFTprotection System – ein intelligentes Add-on um nachfolgenden Herausforderungen zu begegnen bzw. Chancen zu nutzen:

Steigender Anteil an E-Mobilität und der Kombination aus entsprechender Ladeinfrastruktur, erneuerbare und dezentrale Energieerzeugung sowie der vermehrte Einsatz von Batteriespeichern führt über kurz oder lang zu Überlastungen der Leitungssegmente.
Unterschiedliche Speicher und Ladestationen haben unterschiedliche Charakteristika, insbesondere die Speicherkapazität und Anschlussleistung betreffend.
Das Mobilitätsverhalten der Nutzer und fahrzeugspezifische Charakteristika zum Verbrauch müssen beachtet werden und führen zu neuen Auslastungsszenarien für Verteilnetze
Flexibilitäten von Wärmepumpen, Batteriespeicher, Photovoltaik Anlagen und E-Mobilität könnten bei Netzüberlastungen von SOFTprotection als Aktor genutzt werden.
Um diese Flexibilitäten nutzen zu können braucht es die erforderlichen, regulatorischen Rahmenbedingungen (Stichwort: digitale Netzkundenschnittstelle) und kosteneffiziente und intelligente technische Lösungen.

Diese Herausforderungen bzw. Chancen werden vom PoSyCo Konsortium in 6 Anwendungsfälle gebündelt und die abgeleiteten SOFTprotection Funktionalitäten werden in den 5 Testbeds bzw. Labors eingehend erforscht.

Verwertung der Ergebnisse

Durch dieses Projekt ist nun klar, wie ein Netzbetreiber einen erweiterten Netzschutz sowohl technisch als auch in die organisatorischen Prozesse implementieren und steuern kann. Die dafür neu geschaffenen Informationsquellen ermöglichen eine verbesserte Analyse sowie raschere Klärung von Störungen. Daraus resultierend können künftige Energiesysteme mit hohem Anteil an erneuerbarer volatiler Erzeugung und flexiblen Lasten wie E-Mobilität oder Batteriespeichersystemen zuverlässiger und sicherer betrieben werden. Damit kann das oberste Ziel eines jeden Netzbetreibers – die Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit – auch im Hinblick auf die vielen zukünftigen Herausforderungen wie die Integration von Energiegemeinschaften weiterhin erreichet werden.

Basierend auf den Erkenntnissen einer ökonomischen Fallstudie sowie der weiterführenden SWOT Analyse wurden Strategien und Maßnahmen identifiziert, welche die Energiewende durch Netzdigitalisierung unterstützen können. Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse bilden Bausteine für künftige Normen und Richtlinien, standardisierte Komponenten und Business Cases. Durch das die letzten Jahre im Projektteam aufgebaute Know How konnten „SOFTprotection“ Ansätze in den Testbeds der Partner implementiert und getestet werden. Die Ergebnisse von PoSyCo werden in weiteren Projekten einfließen und durch die im Projekt entstandenen Dissertationen, Diplomarbeiten, Papers und dem ASCR DemoCenter werden diese unter Stakeholdern verschiedenster Art verbreitet und reichern das wissenschaftliche Know-how in den Bereichen Energiewende und intelligente Stromnetze an.

Use Cases

Basierend auf den Herausforderungen wurden 6 Use Cases (UC) abgeleitet, welche wiederum auf die drei Dimensionen: Physikalisch, Information und Kommunikation (IKT) und Prozess angewendet wurden.

Use Case 0 – Sensor Eingliederung und Sensor Netzwerk Integration

Um Messdaten für Analysen des SOFTprotection Systems zur Verfügung zu stellen, befasst sich UC0 mit Ansätzen und Konzepten zur Systemintegration von bereits existierenden wie auch neuen Sensor Technologien, die ins Verteilnetz installiert werden.

Use Case 1 – Akquirieren von Felddaten und Fehlerprotokolle

Dieser UC definiert Konzepte zur Datenakquise und intelligente Daten Vorverarbeitung. Relevante Messdaten werden von dezentralen Sensoren akquiriert oder von externen Quellen (z.B. Netzsteuerungssysteme wie SCADA) übermittelt. Diese und event-basierte Daten werden vorverarbeitet, angereichert (z.B. mit Forecasts), gespeichert und verschmolzen, um diese für die Funktionalitäten und Visualisierungen der SOFTprotection verfügbar zu machen.

Use Case 2 – Verteile Fehleranalysen zur beschleunigten Servicewiederherstellung

Basierend auf den gesammelten und vorverarbeiteten Daten in UC1 wird eine aussagekräftige Vorhersage des Systemstatus in UC2 abgegeben, um damit eine Netzsektion mit normalem Betrieb von einer fehlerhaften Sektion automatisch durch Nutzung von SOFTprotection abzugrenzen. Darüber hinaus geben die automatisierten Analysen der Ausfälle kombiniert mit Input (z.B. Erfahrungen) der technischen Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen, Informationen und Hinweise auf den Grund der Ausfälle und deren genaue Verortung. Dem Netztechniker wird außerdem ein optimierter Plan zur beschleunigten Netzwiederherstellung zur Verfügung gestellt.

Use Case 3 – Überlastungsvermeidung und Kundenaktivierung

In diesem UC werden Möglichkeiten untersucht, auf lokale Überlastungssituationen, die in UC1 identifiziert wurden, einerseits zu reagieren aber auch ihnen durch koordinierten Betrieb von flexiblen Kundenanlagen wie Elektroladestationen, Batteriespeichersysteme und Wärmepumpen entgegenzuwirken. Dafür werden beispielsweise übergeordnete Ladestrategien entwickelt.

Use Case 4 – Überlastungsvermeidung durch temporäre Vermaschung

Dieser UC studiert die Nutzung von aus der Ferne gesteuerten Schaltern wie (Schutzschalter), um mittels temporärer Vermaschung von Niederspannungsteilnetzen mögliche Überlastungen von Segmenten zu verhindern. Ein Beispiel für die Notwendigkeit einer solchen Vermaschung wäre ein Photovoltaik System mit hoher Einspeisung mit einer in der Nähe lokalisierten Schnelladestation. Zusätzlich werden Methoden zur automatisierten Vermeidung von Netzausfällen oder -störungen, die durch permanente Leistungsspitzen hervorgerufen werden, entwickelt.

Use Case 5 – Stakeholderübergreifende Systeminteraktion und Prozessadaption

Abgestimmt auf die Tätigkeiten der anderen UC untersucht dieser die tatsächliche Einführung des SOFTprotection Systems hinsichtlich Unterstützung des konventionellen Netzschutzes unter Betrachtung der Bedürfnisse aller involvierten Akteure.

PoSyCo-Konsortium

Konsortialführung und Projektleitung: AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Industriepartner: Aspern Smart City Research GmbH & Co KG, Siemens AG Österreich, Wiener Netze GmbH, Wien Energie GmbH

Wissenschaftlicher Partner: TU Wien – Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, TU Graz – Institut für Elektrische Anlagen, TU Wien – Institute of Computing Engineering (E191)

KMU-Partner: MOOSMOAR Energies OG

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