SimBench: Zielstellung und aktueller Stand 16.08.2017

Inhaltsverzeichnis SimBench: Motivation, Benefits und Ziel Zeitplan Methodik Status Quo der SimBench-Aktivitäten Ausblick Sicherstellung der Eignung als Benchmarkdatensatz durch Validierungsschleife Heutiges Programm 24.05.2019

Motivation des SimBench-Datensatzes Unterschied-liche Daten+ Annahmen Gleiche Daten + Annahmen Unklarheit über die Belastbar- keit von Vergleichs-ergebnissen Vergleich-barkeit ist gewähr-leistet Auf dieser Folie wird als Motivation der Status Quo dem Zielvorgehen mit SimBench gegenüber gestellt: Unterschiedliche Lösungen werden getestet und verglichen. Im besten zu erwartenden Fall geschieht dies sogar an dem gleichen Netz . Durch weitere (notwendige) zu treffende Annahmen, welche typischerweise unterschiedlich sind, sind die Ergebnisse aber dennoch nicht vergleichbar. Nutzen die vergleichenden Algorithmen hingegen den selben Datensatz, wie den SimBench-Datensatz, sind Vergleichsergebnisse belastbar. 24.05.2019

Allgemeine Benefits durch das SimBench-Projekt Es entsteht ein Benchmarkdatensatz, der frei verfügbar ist für die adressierten Anwendungsfälle vollständig ist alle in Deutschland üblichen Spannungsebenen abdeckt eine Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit von Lösungen und Algorithmen ermöglicht Der SimBench-Datensatz wird mit einer nachvollziehbaren Methodik erstellt. Dadurch kann der SimBench-Datensatz aktuell bleiben, indem Anwender den SimBench-Datensatz mit der SimBench-Methodik für weitere oder zukünftige Anwendungsfälle erweitern. Frei verfügbar: Bereitstellung auf Homepage (www.simbench.net) Vollständig: Berücksichtigung einer Vielzahl gesammelter Anwendungsfälle Übliche Spannungsebenen: HöS, HS, MS, NS – 380 kV, 110 kV, 20 kV, 0.4 kV Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit: Bereitstellung eines eingefrorenen, vollständigen Datensatzes; Datensatzziel hat in 1. Linie kein repräsentativen sondern einen Testnetzcharakter Nachvollziehbare Methodik: Die Beschreibung der Entwicklung des Datensatzes anhand einer Methodik wird ebenfalls veröffentlicht. 24.05.2019

Entwicklungsszenarien Erzeugungszeitreihen Bestandteile des SimBench-Datensatzes Entwicklungsszenarien HöS-Netze Komponentenmodelle HS-Netze MS-Netze NS-Netze Erzeugungszeitreihen IKT-Kopplung Hier ist das Verständnis unseres Antrags dargestellt, woraus ein Datensatz bestehen muss. Es handelt sich nicht, wie bei den weithin bekannten Benchmarknetzen des IEEE, rein um HöS oder HS-Netze, sondern um alle Spannungsebenen mit zusätzlichen Angaben zu Szenarien, Zeitreihen, Komponenten und IKT-Kopplung. Besonders die zusätzliche Bereitstellung von Zeitreihen und Szenarien trifft eine Vielzahl von AWFs. Last-/ Speicherzeitreihen 24.05.2019

Die Marke SimBench Unser Logo steht für … … eine erfolgreiche, zielführende Zusammenarbeit von vier renommierten Instituten und sechs erfahrenen Verteilnetzbetreibern … das Setzen von Standards bei der Netzberechnung … innovative und zukunftsweisende Entwicklungen im Bereich der Netzanalyse, Netzplanung und Netzbetriebsführung Marke SimBench: auch bleibendes Ergebnis Auf Logo drücken  Verlinkung zur Website  fehlende Logos/Texte ansprechen (Syna und NetzeBW schon Logos, Syna schon Text deutsch, sonst fehlt) 24.05.2019

Zeitplan aktueller Zeitpunkt AP1-3: abgeschlossen soweit sinnvoll möglich AP4: in Arbeitsphase AP5: teilweise begonnen AP6: wesentliche Überlegungen und Arbeiten durchgeführt, Hoffnung auf Austausch mit IndPartnern AP7: wartet, abhängig von AP4-6 AP8: wesentliche Aufgaben erledigt, weitere Veröffentlichungen stehen aus 24.05.2019

Überblick Methodik zur Generierung der SimBench-Netzdaten Notwendiger und sinnvoller Einstieg Schaffung eines ganzheitlichen Blicks auf die Aufgabe. Sichtung von Erkenntnissen und Informationen aus der Literatur.  Welche speziellen Anforderungen ergeben sich für einen Benchmarkdatensatz? Wo ist der Unterschied zur Literatur und woran fehlt es jener für das Ziel aus 1) ? Eine Analyse realer Netzdaten ermöglicht eine begründete Datenauswahl und die Nähe zur Realität kann bewahrt und beurteilt werden. Abwägung der Erkenntnisse und Anforderungen aus 2)-4) und darauf aufbauende Datenauswahl. Validierung des Datensatzes  entweder: neue Erkenntnisse für erneute Datenauswahl; oder: geeigneter Datensatz wurde gefunden. 24.05.2019

Auf die AWFs sind wir beim letzten Treffen bereits näher eingegangen Auf die AWFs sind wir beim letzten Treffen bereits näher eingegangen. Als kleiner auffrischender Überblick hier noch einmal ein Auszug. Außerdem wollen wir in TOP3 noch tiefer auf die Anforderungen eingehen. Dazu haben Sie außerdem noch einen Handzettel vor sich liegen. 24.05.2019

Definition von Anwendungsfällen Auszug Netzbetrieb ÜNB Netzbetrieb VNB Netzplanung Netzsimulation Redispatchsimulation Blindleistungsanforde-rung überlagerter Netzbetreiber Konventionelle Netzausbauplanung Zeitreihenbasier-te Ermittlung der Netzbelastung Topologieoptimierung Spannungshaltung Spannungsebenen-übergreifende Ausbauplanung Zentrale Blindleistungs-optimierung/-regelung Innovative Netzausbauplanung Netzverlustminimierung Spitzenkappung Lokales Engpassmanagement State Estimation Vorausschauende Netzbetriebsführung Auszug aus knapp über 40 AWFs. 24.05.2019

Geplante Datenanalyseaktivitäten Je nach Spannungsebene und verfügbarer Datenmenge unterschiedlich Validierung und Ergänzung fehlender Informationen aus Literaturquellen, wie Stationskonzepte, Verbreitung verschiedener Topologien sowie Typparameter Bestimmung und Analyse typischer statistischer Kennwerte Erfassung inhaltlicher Zusammenhänge verschiedener Kenngrößen beispielsweise durch Korrelationsberechnung Kategorisierung von Netzgruppen durch Clustering-Analyse Blau: bearbeitete Methodikabschnitte Rot: aktuelle oder noch ausstehende Methodikabschnitte 24.05.2019

4) wegen noch ausstehender Daten ausgelassen. 5) Soll der aktuelle Stand dargestellt werden. 24.05.2019

Aktuelle Arbeiten IAEW Knoten-Zweig-Modell Aktuelle Arbeiten IAEW Knoten-Zweig-Modell Ziel: Generierung realitätsnaher Modellnetze in der HS-Ebene als Benchmark Vorgehen Modellierung deutschlandweites HS-Netz auf Basis öffentlicher Daten Detaillierte Abbildung der Versorgungsaufgabe und Netztopologie (z.B. Stationskonzepte und Netzgruppenzuschnitte) Auswahl repräsentativer Netzausschnitte bzw. Netzgruppen (Clustering Versorgungsaufgabe und Analyse realer Daten)  Station Lehrte Knoten-Zweig-Modell   Ziel: Generierung von Modellnetzen in der Hochspannungsebene, die zum einen vergleichbar und zum anderen vor allem realitätsnah sind und aktuelle Entwicklungen wie die Zunahme der Einspeisungen in niedrigeren Spannungsebenen und somit mögliche bidirektionale Leistungsflüsse abbilden können Bisher und auch schon erfolgt: Modellierung deutschlandweites HS-Netz (deutschlandweit ist nicht das Ziel der Modellnetze!) auf Basis von OSM-Daten, dabei hoher Aufwand (mehrere Algorithmen) zur Generierung eines zusammenhängenden und somit rechenfähigen Netzes aufgrund fehlender Informationen z.B. über die Spannungsebene oder z.B. offene Leitungsenden Stationskonzepte und Netztopologie teilweise in öffentlichen Daten gegeben (Angaben an Stationen bei Anbindung an HöS-Ebene, Angabe zu Anzahl Stromkreisen) jedoch unvollständige Angabe sowie keine Angaben zu Sammelschienenkonfigurationen und Netzgruppenzuschnitten) Bisher Clustering der Versorgungsaufgabe über Daten aus Veröffentlichungspflichten jedoch für Gebiete der Netzbetreiber, die in sich teils sehr inhomogen und eine zu hohe Knotenzahl für Modellnetze aufweisen -> Analyse realer Daten -> Netzgruppen, im Anschluss, Anwendung der aus Analyse ergebenden Cluster auf Netzmodell Quelle: flosm 24.05.2019

Aktuelle Arbeiten e²n Topologiedarstellung Vorstadt-Netz 1. Netzdatenaufschlag generiert und besteht aus: 4 Netzen (104-180 Knoten) mit unterschiedlicher Topologie und Prägung (Land, Vorstadt, Stadt, Gewerbe) Dadurch wurden Datenformat und Generierungsvorgehensweise getestet Aktuell werden AWFs getestet (Evaluierung) zeitreihenbasierte Netzbelastungsermittlung Spannungshaltung Spitzenkappung Topologieuntersuchungen Bild: Längen nicht berücksichtigt. 24.05.2019

Aktuelle Arbeiten ie³ Validierung der Clusteranalyse Implementierung des Generierungsalgorithmus in Java Sichtung und Analyse realer Netze sowie Erzeugung erster Niederspannungsnetze Die Clusteranalyse ist erfolgt und die Ergebnisse werden derzeit validiert; es wird Anhand von Kennzahlen bestimmt, wie viele Cluster verwendet werden (nach aktuellem Stand sind 6 Cluster ausreichend, siehe Abbildung Deutschlandkarte) Der Algorithmus zur Generierung von Niederspannungsnetzen wird derzeit in Java implementiert, so dass Netze grundsätzlich generiert werden können Zur Parametrierung des Algorithmus wäre dann ein weiterer Schritt die Sichtung realer Netze, was natürlich erst erfolgen kann sobald die Netze zur Verfügung stehen; die realen Netzen werden analysiert und mit diesem Wissen und dem Generierungsalgorithmus werden dann erste, realitätsnahe Niederspannungsnetze erzeugt Zu den Abbildungen: Deutschlandkarte: hier sind farblich die Ergebnisse der Clusterung dargestellt; es gibt 6 unterschiedliche Cluster und aus jedem Cluster sind die jeweils 5 „repräsentativsten“ Gemeinden ausgewählt worden und in die Karte gezeichnet Niederspannungsnetz: Diese Abbildung zeigt wie ein Knoten-Zweig-Modell des Algorithmus‘ für ein Niederspannungsnetz aussieht Quelle: Seack, Kays, Rehtanz – Generating Low Voltage Grids on the Basis of Public Available Data – CIRED Workshop 2014, Rome 24.05.2019

Aktueller Stand der Sektorenkopplung Power Gas Heat Anwendungskatalog: Vergleich zwischen Strom, Wärme, Gas und welche Parallelen und Unterschiede liegen vor Expertenwissen wichtig, Austausch erforderlich Anwendungsfälle: Übertragung der Anwendungsfälle im Strom auf Gas und Wärme Diskrete Simulation und gekoppelte Simulation am Beispiel der Netzverluste: OPSIM: Message Bus Sincal/Modelica: Wärmenetz Sincal/Stanet: Gasnetz Sincal/PP: Stromnetz P2G P2H Anwendungskatalog: Hier wollen wir einen Katalog aufbauen bzw. haben es schon getan, in dem wir die einzelnen Sektoren miteinander vergleichen. Da dies viele Bereiche abdeckt, versuchen wir uns auch hier v.a. an den Anwendungsfällen zu orientieren. Bsp. hierbei: Betriebsmittel: Was ist eine Muffe bei Wärme und Gas, Politische Bedingungen: Welche rechtlichen Rahmenbedingungen gibt es bei Gas und Wärme im Vergleich zu Strom.  Abstimmungsbedarf mit den Netzbetreibern notwendig Anwendungsfälle: Konkrete Übertragung der Anwendungsfälle Strom auf Gas und Wärme  Recherche, was den Stromanwendungsfällen in den Gas und Wärmenetzen entspricht. Bsp. Netzverluste: evtl. Reibungsverluste, könnten aber auch Wärmeverluste und Gasverluste sein. Bsp. Blindleistungsmanagement: Was ist Blindleistung bei Gas und Wärme? Gibt es das überhaupt? Simulationen: diskret und gekoppelt: Diskrete Simulation von Gas-, Wärme-, Stromnetzen und Vergleich am Beispiel der Netzverluste, gekoppelte Simulation: Netzverluste, wenn man die Netze miteinander koppelt. Derzeit Erarbeitung der Kopplung. Idee: Kopplung über ein Co-Simulationstool des Fraunhofer IWES und Berechnung der Auswirkungen der Kopplung. 24.05.2019

Bedeutung generierter Netzdaten SimBench auch so schon eine Verbesserung, da: Vollständiger, alle wesentlichen Spannungsebenen, Zeitreihen, Entwicklungsszenarien Aber warum besonders als Benchmark geeignet? 24.05.2019

Problemstellung Eignung und Vollständigkeit bzgl. der AWFs Vergleichbarkeit Gewährleistung der Eindeutigkeit, welche Datengrundlage verwendet wird Zeitreihen und Spannungsebenen kombinierbar u.U. stark belastete Netzzustände SimBench-Datensatz Schwarz: Grundlegende Anforderungen Grau: Bspw. Folgen Blitze: Evtl. Widersprüchlichkeit bzw. Koordinierungsbedarf Nachvollziehbar, nicht zu komplex Realitätsnah (nicht repräsentativ) 24.05.2019

Datensatzvalidierung Durchführung einer Vielzahl von Anwendungsfall-untersuchungen an: den Benchmarknetz-Kandidaten und Einfachen Beispielnetzen (zur klaren Darstellung grundlegender Effekte/Wirkungszusammenhängen) Realen Netzen (zur Validierung) Analyse und Diskussion im Konsortium Abstimmung zwischen Spannungsebenen und Zeitreihen Analyse und Diskussion mit Industriepartnern I. Vorhandene Lösungsalgorithmen sollen gegen einander verglichen werden (möglichst mit bereits vorhandenen Tools). 24.05.2019

Abschnitte in denen wir Ihre Unterstützung erbeten Bereitstellung von Netzdaten, um eine Datenanalyse zu ermöglichen Reale Netze als Evaluierungs- und Vergleichsobjekte. Beratung bei der Einschätzung der Ergebnisse der Validierung und des Datensatzes mit Ihrem Expertenwissen. 24.05.2019

Heute diskutierte Abschnitte TOP 3: Anforderungen an Benchmarknetze am Bsp. der Mittelspannungsebene TOP 4: Zeitreihen: Ableitungen, Status und Aufgaben der „Spezifikation der Informations- und Datenanfrage“ TOP 5: Planungs- und Betriebsgrundsätze: Welche Standardbetriebsmittel, Stationskonzepte, Kategorisierung von Netztypen, … sind für Benchmarknetze geeignet? 24.05.2019

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Universität Kassel, Konsortialführung TU Dortmund RWTH Aachen Fraunhofer IWES Kontakt für die Universität Kassel Fachbereich Elektrotechnik/Informatik Fachgebiet Energiemanagement und Betrieb elektrischer Netze (e²n) Wilhelmshöher Allee 73 D-34121 Kassel, Germany M.Sc. Steffen Meinecke Fon: +49 561 804 6084 steffen.meinecke@uni-kassel.de Dr.-Ing. Nils Bornhorst Fon: +49 561 804 6381 nils.bornhorst@uni-kassel.de 24.05.2019