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Funktions-Ebene − Funktionalitäten von Microgrids

Tabelle 3-2: EMS kontrollierte MG-Komponenten [42]

Komponente Funktionalität Beispiel

verteilte Erzeugung (DG) erzeugen Strom und Nutzwärme für lokale Benutzer und nutzen eine Vielzahl von Energieressourcen

CHP, Brennstoffzellen, Mikroturbinen, kleine WEA und PV-Anlagen dezentrale Energiespeicher

(DES)

Speichern überschüssige Energie bei Off-Peak-Zeit und arbeiten als zusätzliche Generatoren zu Spitzenzeiten

Batteriebänke, Schwungräder, Superkondensatoren, Druck-Luftspeicher steuerbare Lasten Regelung der Last zur Minimierung

der Störungen im Netz und

Maximierung der Kundenpräferenz.

HVAC-Systeme, PHEV, PEV, Geschäfts- und Wohnbauten kritische Lasten dienen als Grundlast mit hoher

Priorität

benötigen

Netzqualitäts-unterstützung für die kritischen Lasten

Schulen, Krankenhäuser

Netzverknüpfungspunkt Umschaltung zwischen Inselnetz- und Netzparallelbetrieb

Schütz,

Leistungsschalter

Tabelle 3-3: Einteilung der Funktionen mit allgemeinen Beispielen

Überwachungsfunktionen Steuerungsfunktionen

Messung von Netzzuständen und Netzqualität

dynamische Anpassung der Netztopologie

Messung Erzeugung und Last direkte Spannungssteuerung

Prognose Erzeugung und Last Blindleistungssteuerung

Bereitstellung von Netzdaten Blindleistungsbereitstellung

Monitoring der Betriebsmittel dynamische Parametrierung von Schutzeinrichtungen

Netzzustandsschätzung (State Estimation)

Wirkleistungssteuerung (Verschiebung von Last und Erzeugung, Notreduktion der Erzeuger) Ausgehend von den Ansätzen aus [39] werden folgend beispielhafte, wichtige Funktionen für die Funktions-Ebene herausgearbeitet. Einen Gesamtüberblick zu den Use-Cases der IEC enthält [43]. Folgende Aufzählung erfolgt in Anlehnung an [39]

Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage auf unterschiedlichen Zeitskalen

 Zuverlässige und effiziente Leistung eines MG basiert auf den zentralen Aufgaben Lastverteilung und Leistungsstabilisierung.

 Dabei behandelt das Szenario neben dem stetigen Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Last die elektrische Stabilität durch Spannungs- und Frequenzregelung.

 Dazu nutzt der Microgrid-Operator (MG-O) neben prognostizierten Informationen und Statusberichten der Erzeugungs-, Last- und Speichersysteme Echtzeit-Messungen, um Prognose und Ist-Zustand im Rahmen von definierten Differenzbändern zu genügen.

Prognose auf verschiedenen Zeitskalen

 Um das mögliche Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch vorauszusagen, sind kurz-, mittel- und langfristige Vorhersagen der Erzeuger- und Verbraucherseite nötig.

 Dazu zählen ebenfalls Wettervorhersagen und typische vergangene Lastprofile.

 Mit Hilfe zusätzlicher Applikationen ermittelt der MG-O/MG-CC die Erzeugungsprognose und Lastprognose.

Überwachung und Datenerfassung

Ein komplexes Monitoring-Tool ist für einen effizienten MG-Einsatz wichtig. Dabei sind folgende Aspekte zu beachten:

 Datenerhebung (Messdaten verschiedener Zeitskalen, Prognose und Regeldaten),

 Bereitstellung einer grafischen Datenpräsentation,

 Datenerfassung (als Kollation zwischen historischen und aktuellen Daten),

 Datenpunkte sowie Zeithorizonte der Erfassung, Einteilung nach zeitkritischen Werten und Abtastraten, Schwellenwerte für die Erfassung,

 Optimierte Datenerfassung (Kompromiss zwischen Präzision und Datenmenge),

 Erstellung eines Datenmanagementtools zur Transformation, Analyse und Speicherung (Datenbank) von einer Vielzahl an Echtzeit-, historischen, statistischen und dynamischen Betriebsdaten. Es klassifiziert, korreliert und filtert prozessüberwachende Daten und liefert Zustandsinformationen des MG. Dies bedeutet die Koordination, Manipulation und Interpretation einer Vielzahl an Datenpunkten zur Nutzung aller Ressourcen.

Lastflussoptimierung

Der Anwendungsfall dient der Lastflussoptimierung bzw. intelligenten Verlustminimierung unter Beachtung folgender Aspekte:

 Spannungssteuerung des Netzes innerhalb der angegebenen Grenzen,

 Verlustreduktion durch Schieflasten mit Hilfe des Austauschs von belasteten mit unbelasteten Leitungen,

 Kontrolle der Wirk- und Blindleistung durch Flexibilität des Wirk- und Blindleistungsangebotes der DER und steuerbaren Lasten.

Umschalten Insel- und Netzparallelbetrieb

Dieser Anwendungsfall besteht aus zwei Alternativen:

 Das MG schaltet aus dem Netzparallel- in den Inselbetrieb.

 Das MG schaltet aus dem Insel- in den Netzparallelbetrieb.

Dabei befasst sich dieses Szenario nicht mit der Ursache des Umschaltens, sondern lediglich mit dem Prozess des Schaltvorgangs.

Weitere wichtige Anwendungsfälle sind:

 Schwarz-Start im Inselbetrieb,

 Demand Side Management (DSM) – Nachfragesteuerung,

 DSM – intelligenter Lastabwurf mit den Unterfunktionen Lastabwurf-Plan-Auswahl und Lastabwurf-Ausführung,

 Supply Side Management (SSM) – Angebotssteuerung,

 SSM mit Verbesserung der Leistungsqualität,

 SSM mit Blindleistungskompensation, Wirkleistungs-Spannungs-Regelung und Blindleistungs-Spannungs-Regelung,

 SSM mit Primär-, Sekundär- und Tertiärregelleistung,

 Autokonfiguration.

Abhängig dieser Use-Cases bildet [39] Funktionsblöcke mit Zuordnung zu einzelnen Domänen und Zonen (siehe Abbildung 3-9).

Ausgehend einer grundlegenden funktionalen domänenabhängigen Einordnung der Aufgaben und Funktionen von Komponenten in MGs, kann eine Spezifizierung der Teilaufgaben im Einklang mit dem MGAM herausgearbeitet werden (siehe Abbildung 3-11).

vorgelagerte Verteilung MG Verteilung Prosumer

Prozess Feld Station Betrieb Unternehmen Markt

Verteilungsnetz-steuerung

Schutztechnik

Selbständige Regelung der Einzelanlagen in

Abhängigkeit von Frequenz und Spannung

Selbstoptimierung der Prosumer Energiemarkt

Microgrid-Steuerung

Abhängigkeiten - Informationsfluss, Steuerung

Abbildung 3-9: Grundlegende Verteilung der Funktionen in Anlehnung an [5]

Die Interaktionen zwischen den Domänen- und Funktionsgruppen bedeuten einen Austausch von Informationen und angelehnten Funktionen, die durch den Datentransfer in den nächsten beiden folgenden Ebenen des MGAM beschrieben werden. Dazu sind die Steuerungshierarchien für ein Beispiel-Use-Case in Abbildung 3-10 zusammengestellt.

Die Abbildung 3-10 beschreibt die Eingriffe und Funktionen mit Einfluss auf die Komponenten oder Komponentengruppen des MGAM in Bezug auf die Funktion Prognose auf verschiedenen Zeitskalen. In Anlehnung an diese Zuordnung lassen sich die Funktionen entsprechenden Komponenten zuweisen.

In Anlehnung an die Abbildung 3-5, als Grundlage der folgenden Visualisierung (siehe Abbildung 3-11), können die Use-Cases und Funktionsgruppen den entsprechenden Komponenten, Zonen und Domänen zugeordnet werden. Diese Darstellung ist für alle Funktionen und Anwendungsfälle kongruent.

Verteilungsnetz Prosumer Energiemarkt

Microgrid-Steuerung Fahrpläne,

Erzeugungsprognosen, Angebot/Reservierung für/

von Regelreserven

Vorausschauende Einwirkung zur Vermeidung von Überlastungen

Fahrpläne, Potentiale

für Lastverschiebung Vorausschauende Einwirkung zur Vermeidung von Überlastungen

Prognose von Last und Erzeugung, Zustand Speicher, Wetter Angebot/

Reservierung für/von Regelreserven

Angebote für Energie, Potentiale für Lastverschie-bung

Vorausschauende Einwirkung zur Vermeidung von Überlastungen, Fahrpläne

Energiepreis-kurven, Fahrpläne

Fahrpläne, Potentiale für Lastverschiebung, Angebote Regelreserven

Abbildung 3-10: Beispiel: Prognose auf verschiedenen Zeitskalen

vorgelagerte Verteilung MG Verteilung Prosumer

Prozess Feld Station Betrieb Unternehmen Markt

NS/MS MS/MS

G S L

NS/MS Schalter- Controller

Mess-geräte Steuerungs einheit

Unterspannungs-knoten

Aggregations-knoten MG-CC BEMS

ERP System

OG-CC

Mess-geräte Steuerung

DER Steuerung

Speicher Steuerung Last Kommunikation

Netzwerk

Kommunikation Netzwerk

Kommunikation Netzwerk

Kommunikation Netzwerk

Kommunikation Netzwerk Wetterdienst

Wetter-prognose

6, 8

6, 8 1, 2, 4, 5, 6,

7, 8 3

Abbildung 3-11: Anwendungsfall − Prognose auf verschiedenen Zeitskalen – Funktionsebene

Dabei zeigt Tabelle 3-4 die Funktion der einzelnen Blöcke

Tabelle 3-4: Index der Abbildung 3-11 Nr. Funktion

1 Wettervorhersage, Erzeugungs- und Lastkurven 2 Planung

3 Vertragsmanagement 4 Reservemanagement

5 MG offline Simulation

6 Einsatzplanung Erzeugung/Last 7 MG Betriebsoptimierung

8 Planung Datenerhebung DER