Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik
Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik

OpSim - Test- und Simulationsumgebung für Betriebsführung und Aggregatoren

OpSim ist eine Test- und Simulationsumgebung für die Entwicklung und Erprobung von Regler-Konzepten bis zu Leitsystemen im „Smart Grid“. Die Umgebung wurde durch Fraunhofer IEE und Universität Kassel entwickelt und ermöglicht Nutzern, ihre Software mit simulierten Stromnetzen zu verbinden und entweder einzeln oder in Kombination mit anderer Software zu testen. Die Netzsimulation kann umfangreiche Spannungsebenen-übergreifende Netzgebiete mit hoher Anzahl dezentraler Erzeuger, Speicher und Lasten emulieren.

Im Kern besteht OpSim aus einer flexiblen Message Bus Architektur, welche beliebige Co-Simulationen von Stromnetzen, Reglern und operativer Software ermöglicht.

© Fraunhofer IEE

Besondere Merkmale & Vorteile

  • APIs für diverse Simulationen: pandapower, PYPOWER, MATPOWER, OPAL-RT, PowerFactory, PSS Sincal oder eigene Skripte in MATLAB, Python und Java
  • Standard Schnittstellen: Websocket, REST, IEC 61850, IEC 60870-5-104, CIM, VHPready
  • Ermöglicht kombinierte Strom/Gas- und Strom/Wärme-Simulationen
  • Skalierbar lauffähig von Desktop-Rechnern bis zu Rechenclustern.
  • Schnittstellen für Hardware-in-the-Loop (HIL) Tests.
  • Einfach umschaltbar zwischen Echtzeit- und beschleunigter Simulation.
  • Geographisch plausible Zeitreihen auf Basis von Wetterdaten, für beliebige Netzgebiete.

Durch diese Merkmale ist OpSim für ein breites Spektrum an Forschungsfragen einsetzbar.
Im Bereich "Anwendungen" demonstrieren wir die aktuellen Einsatzgebiete.

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Die Anwendungen der OpSim-Umgebung

 

Entwicklung und
Test von Regelungs- konzepten

 

 

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Benchmarking
Strom/Gas/Wärme
Betriebsführungs-
konzepte

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Untersuchung von
Cyber-Security Risiken
im Smart Grid

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Test der Interaktionen mit anderen Akteuren im Smart Grid

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Simulation langer
Zeiträume zur Analyse
der Wirtschaftlichkeit

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Test und virtuelle
Inbetriebnahme
operativer
Softwaresysteme

 

 

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Ein Framework für verteilte Simulationen

© Fraunhofer IEE

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

© Fraunhofer IEE

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

© 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. 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.

Weiterentwicklung der Betriebsführung für Übertragungsnetze

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).

Virtuelles Kraftwerk

© Fraunhofer IEE

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.

Weiterentwicklung der Betriebsführungsstrategien für Verteilungsnetze

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.

Industriearbeitskreis
 

Während und nach der Projektlaufzeit von "OpSim" und "OpSimEval" wird die Weiterentwicklung und Anwendung 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 wurden bereits während der Projektlaufzeit im Rahmen von Funktionstests des Systems angegangen.

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

CIRED, 2019

F. Schäfer, J.H. Menke, F. Marten, M. Braun

Time Series Based Power System Planning Including Storage Systems and Curtailment Strategies

2018 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (ISGT-Europe)

S. Wende - von Berg, F. Marten, M. Braun

Quadratic programming-based grid optimization algorithms for real-time applications

Workshop on Modeling and Simulation of Cyber-Physical Energy Systems (MSCPES), 2018

S.R. Drauz, C. Spalthoff, M. Würtenberg, T.M. Kneikse, M. Braun

A modular approach for co-simulations of integrated multi-energy systems: Coupling multi-energy grids in existing environments of grid planning & operation tools

Zweites PTJ-Statusseminar »Zukunftsfähige Stromnetze«, 2018

F. Marten, F. Schäfer, J.H. Menke, M. Vogt, C. Töbermann, M. Braun

OpSimEval – Integration von Netzplanung und Betriebsführungen im Smart Grid

IECON, 2018

J. Montoya, R. Brandl, M. Vogt, F. Marten, M. Maniatopoulos

Asynchronous Integration of a Real-Time Simulator to a Geographically Distributed Controller through a Co-Simulation Environment

IEEE SmartGridComm, 2018

J.H. Menke, F. Schäfer, M. Braun

Performing a Virtual Field Test of a New Monitoring Method for Smart Power Grids

IEEE SmartGridComm, 2018

F. Schäfer, J.H. Menke, M. Braun

Contingency Analysis of Power Systems with Artificial Neural Networks

Applied Energy, 2018

M. Vogt, F. Marten, M. Braun

A survey and statistical analysis of smart grid co-simulations

IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies ISGT Asia 2017

V. Hoa Nguyen, Y. Besanger, Q.T. Tran, T. Lam Nguyen, C. Boudinet, R. Brandl, F. Marten, A. Markou, P. Kotsampopoulos, A. A. van der Meer, E. Guillo-Sansano, G. Lauss, T.I. Strasser, K. Heussen

Real-Time Simulation and Hardware-in-the-Loop Approaches for Integrating Renewable Energy Sources into Smart Grids: Challenges & Actions

Computer Science - Research and Development, 2017

F. Marten, A. Mand, A. Bernard, B.K. Mielsch, M. Vogt

Result processing approaches for large smart grid co-simulations

CIM Users Group – European Meeting 2017, Herzogenaurach

S. Wende - von Berg, B. Requardt, B. Ernst, M. Braun

CIM CGMES Applications in research projects for DER

International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2017

J.H. Menke, J. Hegemann, S. Gehler, M. Braun

Heuristic monitoring method for sparsely measured distribution grids

4. Konferenz „Zukünftige Stromnetze für erneuerbare Energien“, 31.01.-01.02.2017, Berlin

S. Wende – von Berg, F. Marten, B. Requardt, H. Wang, M. Vogt, M. Braun

Technische Bewertung von Betriebsführungen mithilfe einer Echtzeit-Simulationsumgebung, am Beispiel des Verbundforschungsprojektes SysDL2.0

14. Symposium Energieinnovation, 10.-12.02.2016, Graz/Austria

S. Wende-von Berg, N. Bornhorst, S. Gehler, E. Schneider, H. Hänchen, Th. Pilz, K. Seidl, U. Zickler, M. Braun, U. Schmidt, T. Wagner, J. Götz,
J. Schwedler, E. Habermann

SysDL 2.0 - Systemdienstleistungen aus Flächenverteilnetzen: Methoden und Anwendungen

Statuskonferenz "Zukunftsfähige Stromnetze", Berlin

F. Marten, M. Braun

OpSimEval - Ziele, Ergebnisse, Status & nächste Schritte

IEEE ISGT 2016

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

Resilient Distribution Grids - Cyber Threat Scenarios and Test Environment.

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

 

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

 

 

OpSim Ansprechpartner

Contact Press / Media

Dr. Frank Marten

Fraunhofer IEE
Königstor 59
34119 Kassel

Telefon +49 561 7294-444

Contact Press / Media

Mike Vogt

Fraunhofer IEE
Königstor 59
34119 Kassel

Telefon +49 561 7294-119