OpSim - Test- und Simulationsumgebung für Betriebsführung und Aggregatoren

Das Fraunhofer IWES entwickelt in Zusammenarbeit mit der Universität Kassel eine Test- und Simulationsumgebung für Netzbetriebsführungsstrategien und Aggregatoren, in dem BMWi-geförderten Projekt „OpSim".

Das Ergebnis ist ein Echtzeit-Simulator eines elektrischen Energiesystems mit der Möglichkeit, diverse Regler (z.B. Spannungsregelung, virtuelles Kraftwerk) anzuschließen und in ihrem Zusammenspiel zu testen.

Im Folgeprojekt "OpSimEval" wird der Rechenkern des Simulators erweitert um eine Jahressimulation für beschleunigte Berechnungen von langen Zeiträumen. Die Bausteine des Simulators sind so konzipiert, dass für die angeschlossenen Betriebsführungssysteme identische Bedingungen wie im realen Einsatz vorliegen. Dies bedeutet: Anlagen und Betriebsmittel sind über standardisierte Schnittstellen von extern ansteuerbar und Kommunikationsverzögerungen werden durch eine Schnittstellen-Nachbildung emuliert.

Co-Simulation

Der Simulator beinhaltet ein umfangreiches Verteilnetz mit mehreren Spannungsebenen, dynamischen Modellen von Erzeugungsanlagen, Speichern und Lasten, sowie eine Übertragungsnetz-Topologie. Einzigartig ist, dass beliebig viele Betriebsführungen an das System angeschlossen werden können (Co-Simulation). Somit kann beispielsweise eine Software zur Verteilnetzoptimierung getestet werden unter Berücksichtigung der Vorgaben einer zweiten Optimierung durch die Betriebsführung eines Übertragungsnetzbetreibers. Auch können virtuelle Anlagenpools realitätsnahe simuliert werden, um die Software eines virtuellen Kraftwerks zu testen.

Die Anwendungen der OpSim-Umgebung

Test und virtuelle Inbetriebnahme

neuer Regelungskonzepte für Smart Grids.

 

Interaktionstests

von Regelungen im Smart Grid, bspw. der Interaktion ÜNB/VNB, VNB/VNB
oder ÜNB/virtuelle Kraftwerke.

 

Einbindung operativer Software

über standardisierte Schnittstellen.

Ein Framework für verteilte Simulationen

OpSim Framework für verteilte Simulationen diverser Komponenten (Netz, Anlagen, Betriebsführungen,…)
© Foto Fraunhofer IWES

OpSim Framework für verteilte Simulationen diverser Komponenten (Netz, Anlagen, Betriebsführungen,…)

OpSim ist ein Framework zur verteilten Simulation komplexer elektrischer Energiesysteme. Die aktuelle Struktur von OpSim ist in der Grafik dargestellt. Das Herzstück bildet eine zentrale intelligente Middleware, welche die Simulation steuert und die Kommunikation einzelner Komponenten (z.B. Netzsimulation, Virtuelles Kraftwerk, Verteilnetz-/Übertragungsnetz-Optimierung) miteinander ermöglicht. Dieses flexible Framework, motiviert durch ein Konzept von Faschang et al. (IECON 2013), erlaubt beliebige Konfigurationen der Komponenten und kann problemlos um neue Komponenten erweitert werden. Außerdem bieten standardisierte Schnittstellen (IEC61850, VHPready,…) die Möglichkeit, externe Software mit OpSim zu verbinden. So wurde bereits ein operatives Energiemanagement mit einer Echtzeit-Netzsimulation in OpSim verknüpft!

 

Realistische Zeitreihen und Prognosen

© Foto Fraunhofer IWES

Für die Simulation des zukünftigen elektrischen Energiesystems ist eine solide Datenbasis unumgänglich: erneuerbare Erzeugungsanlagen, Verbraucher, aber auch Großkraftwerke und Speicher ändern sich ständig und müssen durch geeignete Modelle und Zeitreihen nachgebildet werden. Für erneuerbare Erzeuger werden die räumlichen und zeitlichen Einspeisungsmuster überwiegend durch meteorologische Einflussgrößen bestimmt. Eine möglichst korrekte Abbildung dieser Effekte wird in OpSim durch den „Szenariengenerator“ gewährleistet. Diese Komponente erstellt, basierend auf geographischen Eingangsdaten (wo liegt das Netzgebiet?) und historischen Wetterdaten, netzknotenscharfe und realitätsnahe Zeitreihen für Erzeugungsanlagen und Verbraucher.

OpSim soll als Testplattform für neuartige Betriebsführungsstrategien (z.B. virtuelles Kraftwerk, prognosebasierte Netzbetriebsführung) eingesetzt werden. Für diese Anwendung erstellt der Szenariengenerator in einem zweiten Schritt auch konsistente Prognosezeitreihen, auf Basis der Ist-Zeitreihen und statistischen Fehlerverteilungen.

Netz- und Anlagensimulation

© Foto Opal-RT

Eine wichtige Komponente des OpSim Simulationssystems ist eine leistungsfähige Netzsimulation; diese bildet ein detailliertes Verteilungsnetz (Nieder-, Mittel- und Hochspannung) sowie einen Abschnitt des deutschen Übertragungsnetzes nach. Nicht-modellierte Netzbereiche werden durch geeignete dynamische Äquivalente ersetzt. Die Simulation enthält eine Vielzahl dynamischer Modelle, von Erzeugungsanlagen, Speichern und Verbrauchern, welche teilweise mit den Daten des Szenariogenerators (siehe oben) parametriert werden.

Neben dem Aufbau dieser Anlagen- und Netzsimulation wird auch die Interaktion zu anderen OpSim-Komponenten (z.B. virtuelles Kraftwerk, Verteilnetz-/Übertragungsnetz-Optimierung) realisiert. Es ist vorgesehen, große Netze im Bereich von bis zu 10.000 Knoten zu simulieren. Dafür werden zum Beispiel Lösungen der Firma OPAL-RT Technologies eingesetzt.

Weiterentwicklung der Betriebsführung für Übertragungsnetze

Betriebsführungsstrategien des Übertragungsnetzes werden in der OpSim-Simulationsumgebung weiterentwickelt. Dazu sind folgende Arbeitsschritte vorgesehen:

  1. Weiterentwicklung von Algorithmen zur technischen und netzknotenscharfen Sollwertoptimierung (z.B. Blindleistung, Spannung, (n-1)-Kriterium).
  2. Entwicklung von kurativen Redispatch-Algorithmen, welche klassische Kriterien (technische Netzsicherheit) und wirtschaftliche Kriterien (Optimierung) einbeziehen.
  3. Entwicklung einer einheitlichen Schnittstelle zwischen ÜN-Betriebsführung und Netzsimulation.

Neuartig ist dabei auch, dass der Beitrag von flexiblen Erzeugungsanlagen in den Verteilnetzen berücksichtigt wird, z.B. zur Beseitigung von Netzengpässen.

Zusammenfassend entstehen in diesem Arbeitspaket:

  1. Algorithmen zur Sollwertoptimierung des Systems im Normalbetrieb und kurative Redispatch-Entwicklungen.
  2. Schnittstelle zwischen ÜN-Betriebsführungsverfahren und Netzsimulation, sowie Schnittstellen zu anderen Betriebsführungen
    (z.B. Verteilnetzbetriebsführung).

Virtuelles Kraftwerk

© Foto Fraunhofer IWES

Das virtuelle Kombikraftwerk des Fraunhofer IWES (VKK) wird erweitert um Mechanismen zur Verwendung des OpSim-Systems. Hierfür werden simulierte Erzeugungsanlagen aus dem OpSim-System dynamisch in das VKK hinzugefügt. Dafür verwendet das VKK ausschließlich standardisierte Schnittstellen für die Kommunikation, exakt so, wie ein reales Kraftwerk in das VKK integriert werden würde. Diese standardisierten Schnittstellen werden durch das OpSim-System nach außen angeboten (z.B. IEC 60870-5-104) und mit Daten aus den jeweiligen Simulations-Modulen gespeist.

Im Zuge der Erweiterung des VKK werden bereits entwickelte Energiemanagement-Module aus anderen Projekten (z.B. RegModHarz, Kombikraftwerk 2 usw.) auf die neue VKK-Version aktualisiert und nutzbar gemacht. So wird ein Day-Ahead und Intraday-Marketing für die eingebundenen Kraftwerke simuliert. Somit bietet OpSim auch eine Testumgebung für Entwickler von Aggregationsstrategien.

Weiterentwicklung der Betriebsführungsstrategien für Verteilungsnetze

Mit Hilfe des OpSim-Systems soll es zukünftig möglich sein, einen ganzheitlichen Betrieb zukünftiger Verteilnetze zu untersuchen und zu simulieren. Denkbar sind Abstimmungen zwischen Verteilnetzbetreiber und Aggregatoren von dezentralen Anlagen (virtuelle Kraftwerke) zum Erreichen eines technisch und wirtschaftlich optimalen Betriebszustands des Netzes, oder ein aktiver Beitrag des Verteilnetzes zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen an den Übertragungsnetzbetreiber. Bestehende Betriebsführungsstrategien für Verteilnetze aus vorangegangenen Projekten am Fraunhofer IWES werden weiterentwickelt und in das OpSim-System integriert. Die Ziele dieses Arbeitspakets umfassen:

  1. Entwicklung von Schnittstellen und Mechanismen für den direkten und indirekten Zugriff von Verteilungsnetzbetreibern auf simulierte Netzinstanzen wie zum Beispiel Einzelanlagen, Zwischenaggregatoren und virtuelle Kraftwerke.
  2. Integration von Betriebsführungsverfahren für Einzelanlagen und Zwischenaggregatoren für die Bereitstellung von Systemdienstleistungen für den Verteilungsnetzbetrieb in der OpSim-Simulationsumgebung.
  3. Integration anreizbasierter Verfahren im Netzbetrieb zur Bereitstellung nicht-kritischer Systemdienstleistungen durch dezentrale Anlagen und virtuelle Kraftwerke in der OpSim-Simulationsumgebung.

Industriearbeitskreis
 

Während der Projektlaufzeit von "OpSim" und "OpSimEval" (bis Anfang 2018) wird die Entwicklung unserer Simulationsumgebung durch einen Industriearbeitskreis aus Netzbetreibern, Anlagenherstellern, Betreibern von virtuellen Kraftwerken und Herstellern von Leitsystemen begleitet. Aktuell nehmen 15 namhafte Firmen am Arbeitskreis teil.

Durch die Anforderungen aus dem Industriearbeitskreis wird sichergestellt, dass die OpSim-Simulationsumgebung die technischen Voraussetzungen für Fragestellungen der Industriepartner bietet. Wir möchten gewährleisten, dass die Umgebung mit minimalem Aufwand in Folgeprojekten und für Aufgabenstellungen aus der industriellen Praxis direkt eingesetzt werden kann. Erste Fragestellungen können bereits während der Projektlaufzeit im Rahmen von Funktionstests des Systems angegangen werden.

Der Arbeitskreis bietet somit einen wertvollen Informationsaustausch zwischen diversen Akteuren der Energieversorgung.

Die Teilnahme ist kostenfrei und wir freuen uns jederzeit über weitere Teilnehmer, die zusammen mit uns die OpSim-Umgebung vorantreiben.

Die Anmeldung ist einfach: eine Mail an den Projektleiter (Kontakt per Email) mit einigen Details zu Ihrer Firma und Begründung für Ihr Interesse an dem Projekt genügt.

Beispiele einiger Firmen, die aktuell teilnehmen

IEEE ISGT 2016

E. Drayer, J. Hegemann, S. Gehler, M. Braun.

Resilient Distribution Grids - Cyber Threat Scenarios and Test Environment.
(Paper eingereicht)

Opal-RT RT16 International User Conference, München

F. Marten, S. Wende-von Berg, M. Vogt, C. Töbermann.

Testing an IEC 61850 compliant voltage control algorithm for Smart Grids, using a real-time simulation.

ETG Congress 2015 - Die Energiewende

H. Wang, T. Stetz, F. Marten, M. Kraiczy, S. Schmidt, C. Bock, M. Braun.

Controlled Reactive Power Provision at the Interface of Medium- and High Voltage Level: First Laboratory Experiences for a Bayernwerk Distribution Grid using Real-Time-Hardware-in-the-Loop-Simulation

Opal-RT RT15 Regional User Group Event, Barcelona

F. Marten und J.-Christian Töbermann.

OpSim - a smart grid co-simulation environment

PowerTech Eindhoven 2015

M. Vogt, F. Marten, L. Löwer, D. Horst, K. Brauns, D. Fetzer, J.-H. Menke, M. Troncia, J. Hegemann, C. Töbermann, M. Braun.

Evaluation of interactions between multiple grid operators based on sparse grid knowledge in context of a smart grid co-simulation environment

E-World SmartER-EUROPE 2015

F. Marten, M. Vogt, M. Widdel, M. Wickert, A. Meinl, M. Nigge-Uricher und J.-Christian Töbermann.

Real-time simulation of Distributed Generators, for testing a Virtual Power Plant software.

ETG Fachtagung: von Smart Grids zu Smart Markets 2015

F. Marten, M. Vogt, M. Widdel, M. Nigge-Uricher, A. Meinl und J.-Christian Töbermann.

Echtzeit Simulationsplattform OpSim: Systemtests der Software eines virtuellen Kraftwerks durch simulierte Anlagenpools.

18th Power Systems Computation Conference PSCC2014

F. Marten, L. Löwer, C. Töbermann, M. Braun.

Optimizing the reactive power balance between a distribution and transmission grid through iteratively updated grid equivalents.

OpSim Pressespiegel

 

HNA | 11.06.2014
Stromnetz soll stabiler sein – Kasseler Forscher entwickeln System für gleichmäßige Netzbelastung.

 

Göttinger Tagesblatt – de | 03.05.2014, Seite 32
Intelligentes Netz –
Forschungsprojekt will Stromversorgung aus erneuerbaren Energien verbessern.

 

Behörden Spiegel – de | 02.05.2014, Seite 4
Wissen, was passiert – Kasseler Forscher entwickeln Test- und Simulationswerkszeuge

 

Pressemitteilung Fraunhofer IWES | 15.04.2014

 

Pressemitteilung Universität Kassel | 15.04.2014

 

SONNE WIND & WÄRME | 07.03.2014, Seite 28
Netzinfrastruktur: Planungstools