OpSim - Test- und Simulationsumgebung für Betriebsführung und Aggregatoren

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!

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.

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. Die Simulation enthält eine Vielzahl dynamischer Modelle, von Erzeugungsanlagen, Speichern und Verbrauchern, welche teilweise mit den Daten des Szenariogenerators (siehe oben) parametriert werden.

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

Betriebsführungsstrategien des Übertragungsnetzes wurden in der OpSim-Simulationsumgebung weiterentwickelt

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 wurden in diesem Arbeitspaket folgende Ergebnisse erreicht:

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

Das virtuelle Kombikraftwerk des Fraunhofer IEE(VKK) wurde erweitert um Mechanismen zur Verwendung des OpSim-Systems. Simulierte Erzeugungsanlagen aus dem OpSim-System können nun dynamisch in das VKK hinzugefügt werden. Dafür verwendet das VKK eine standardisierte Schnittstelle für die Kommunikation (VHPready). Diese standardisierte Schnittstelle wird durch das OpSim-System nach außen angeboten und mit Daten aus den jeweiligen Simulations-Modulen gespeist.

Im Zuge der Erweiterung des VKK wurden bereits entwickelte Energiemanagement-Module aus anderen Projekten (z.B. RegModHarz, Kombikraftwerk 2 usw.) auf die neue VKK-Version aktualisiert und nutzbar gemacht. Somit bietet OpSim auch eine Testumgebung für Entwickler von Aggregationsstrategien.

Mit Hilfe des OpSim-Systems ist es möglich, 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 IEE wurden weiterentwickelt und in das OpSim-System integriert:

1. Entwicklung von Schnittstellen und Mechanismen für den direkten und indirekten Zugriff einer Verteilungsnetzbetriebsführung auf simulierte Netzinstanzen wie zum Beispiel Einzelanlagen, Netzbetriebsmittel, Zwischenaggregatoren und virtuelle Kraftwerke.
2. Integration von Algorithmen zur Optimierung der Wirk- und Blindleistung am Verknüpfungspunkt zur nächsten Spannungsebene.
3. Standard Schnittstellen (CIM, IEC61850) zum Anschluss einer externen operativen Netzregelungssoftware an das OpSim-System.

OpSim Pressespiegel

InnoVisions | 13.12.2018
Smart Test für Smart Grid - Test- und Simulationsumgebung für Stromnetze

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 (ab 2018 IEE) | 15.04.2014

Pressemitteilung Universität Kassel | 15.04.2014

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