Simulationswerkzeuge

SmartGrid – das Netz der intelligenten Erzeuger und Verbraucher eröffnet fundamental neue Perspektiven für den bewussteren Umgang mit den immer knapper werdenden Ressourcen. Die inhärente Komplexität eines SmartGrids macht seine Konstruktion zu einer anspruchsvollen Aufgabe, die mithilfe umfangreicher Simulationen und komplexer Modelle gelöst werden kann. Kommerzielle Werkzeuge erlauben oft nur die manuelle Betrachtung exemplarischer Fälle. Automatisierte Optimierung ganzheitlicher Simulationen gehört typischerweise nicht zum Funktions- und Leistungsumfang verfügbarer Software.

Am Fachgebiet e²n werden beschleunigte Verfahren für Parallelrechner und Grafikkartenbeschleuniger entwickelt. Die Forschungsschwerpunkte sind dabei:

  • Effiziente Berechnung des elektrischen Lastflusses auf Grafikbeschleunigern
  • Clusterbasierte schnelle Jahressimulation
  • Verteilte Anlagemodelle
  • Effiziente Schnittstellen für verteilte SmartGrid Simulationen

Für umfangreiche Simulationen des zukünftigen dezentralen Stromversorgungssystems mit hohem Anteil erneuerbarer Energien besitzt das Fachgebiet ein eigenes Rechencluster für GPU-gestützte Berechnungen. Weiterhin steht in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-IWES ein zweites Rechencluster zur Verfügung. Ende 2016 wurde dieses im Rahmen des Projekts „OpSimEval“ (www.opsim.net) durch das Fachgebiet erweitert. Zur Verfügung stehen insgesamt über 24 Rechenknoten mit insgesamt 440 CPU-Kernen, mehreren NVIDIA GPUs und über 3.5 Terabyte Arbeitsspeicher.

 

Microgrid-Labor

Möglichkeit zur Untersuchung des Verhaltens von Microgrids mit hohem Anteil erneuerbarer Erzeugung

Dem Fachgebiet e²n steht eine Laboreinrichtung bestehend aus zwei Umrichterschränken, einem Schaltschrank und einem Maschinensatz zur Verfügung. Der Standort des Labors ist das Design-Zentrum Modulare Versorgungstechnik (DeMoTec), welches gemeinsam von Fraunhofer IEE und der Universität Kassel betrieben wird. Die Umrichter sind über eine Matlab/Simulink-Schnittstelle frei programmierbar. Ein Umrichter wird zur Ansteuerung des Maschinensatzes verwendet. Der andere Umrichter kann als Spannungs- oder Stromquelle konfiguriert werden. Damit lässt sich beispielsweise das Verhalten einer Photovoltaik-Anlage nachbilden. Die Leistungsklasse der Umrichter und des Maschinensatzes liegt bei 15 kVA. Das System ist für eine Nennspannung von 400 V ausgelegt. Über den Schaltschrank lassen sich alle Komponenten des Systems auf praktische Weise verschalten. Das Hinzuschalten von weiteren Elementen, wie beispielsweise einer dreiphasigen Last, ist ebenfalls möglich.

Mit dem Versuchsaufbau wird das dynamische Verhalten von Microgrids untersucht. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf der Wechselwirkung zwischen der Regelung von Synchrongeneratoren und stromrichterbasierten Anlagen, wie beispielsweise Photovoltaikanlagen.

 

Laboraufbau zur Nachbildung eines Microgrids.

 

Industrie-Testleitstelle

Professionelle Leitstellensoftware zur Betriebsführung von Stromnetzen

Das Fachgebiet e²n verfügt über eine Testleitstelle aus der Industrie. Leitstellen werden dazu verwendet, reale Netze zu überwachen und zu führen. Sie empfangen Messungen aus dem Netz, die verarbeitet und visualisiert werden. Befehle, z. B. zum Schalten, werden an Geräte im Netz zurückgesendet. Eine Testleitstelle wurde dem Fachgebiet e²n durch einen führenden Leitsystem-Hersteller zur Verfügung gestellt; die Leitstelle wurde über einen IEC 60870-5-104 Proxy mit dem Simulations-Tool OpSim verbunden und kann in beide Richtungen Daten senden/empfangen (siehe Abbildung unten).

Die Leitstelle bietet eine Verwaltung von Netzdaten sowohl in Datenbanken als auch visuell. Anhand angelegter SCADA-Netzbilder können Netze überwacht und gesteuert werden. Ein weiterer Modus, der sogenannte HEO-Modus, dient der Ausführung von Netzberechnungen und Simulationen. Hierzu zählen unter anderem die Leistungsflussrechnung oder Netzzustandsschätzung, aber auch Funktionen zur Rechnung von Ausfallvarianten. Diese Funktionalität ermöglicht in Kombination mit anderen OpSim-Komponenten wie dem Echtzeit-Netzsimulator die Simulation des realen Netzbetriebs zu Test- oder Trainingszwecken. Anwendungsfälle sind Tests von neuen Netzführungsstrategien oder Komponenten, die nicht direkt an die Leitwarte angeschlossen werden können. Durch die große Zahl an Schnittstellen kann über OpSim die Kommunikation zwischen Leitstelle und externer Komponente eingerichtet werden. Auch zum Vergleich (Benchmarking) von neuartigen Algorithmen mit dem Industriestandard der Leitwarte kann das OpSim-System flexibel verwendet werden.

Strukturbild einer einfachen OpSim-Simulation mit Echtzeit-Netzsimulation und Testleitstelle.

 

In Koorperation mit Fraunhofer IEE

Das Fachgebiet e²n kann in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) in Kassel auf weitere Labore zugreifen: