CN110114766B - 对分配电能的现有电网进行构造的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种对分配电能的现有电网(11)进行构造的方法中，其中，电网(11)至少包括作为电网组件并以起始拓扑彼此连接的源、负载、线路、传感器、开关和转换器组件。基于电网组件的特性变量和可预定的调节限值，电网组件组合为多个本地自调节功能组(30.1、30.2、30.3)。每个本地功能组(30.1、30.2、30.3)都被分配了调节处理，调节处理包括在达到触发标准时执行的动作，以便符合调节限值。从用于分配电能的现有电网开始，该方法产生电网，该电网在调节方面是新构造，并且尽可能地省略了关于调节的分层结构，而是由在正常操作期间自调节的本地功能组(30.1、30.2、30.3)构成。这减少了易发生故障的可能性，从而尤其提高了操作安全性和供电可靠性。

Description

对分配电能的现有电网进行构造的方法
技术领域
本发明涉及一种对分配电能的现有电网进行构造的方法，其中所述电网至少包括作为电网组件并且以起始拓扑彼此连接的源、负载、线路、传感器、开关和转换器组件。本发明还涉及一种对根据构造方法所构造的用于分配电能的电网进行操作的方法。
背景技术
用于分配电能的电网(电力网)包括电线网络(即架空线和地下电缆)以及使用线路以特定拓扑彼此连接的其他电网组件。其他电网组件包括：源(例如发电厂的发电机)、或中间存储器(例如电池、负载(消费者))、用于捕获电网的操作参数(电压、频率、电流、功率、温度等)的传感器组件、用于连接和断开组件或电网段的开关组件、以及用于例如改变电压的转换器组件(例如变压器)。
拓扑被细分为多个电网层级。从诸如发电厂的生产商开始，首先通过具有超高电压(例如380或220kV)的输电网进行长距离分配。具有变压器的变电站用于连接具有高电压(例如36-150kV)的国家配电网，继而具有中电压(例如1-36kV)的区域配电网又通过其他变压器连接到该国家配电网。然后，具有低电压(例如400V-1kV)的本地配电网通过其他变压器和引线(可以通过变电站)连接到家庭连接器并且从而连接到最终消费者(尤其是私人家庭、工厂、商业企业和农场)。
取决于生产者(发电厂)和消费者的位置和功率，具有存在于电网中的组件的特定拓扑一直在增加。对拓扑的改变通常需要额外的电线或需要进行走线或尺寸不同的电线，因此成本高。
近年来，对电力网的要求已经改变，特别是由于本地生产者的出现，例如光伏设备。电网不再仅仅用于将电能“从顶部”(即从发电厂)分层地分配“到底部”(即到消费者)，而是根据生产条件(例如太阳辐射)和消费模式，电流可以不同。
旨在安全操作并且即旨在确保符合预定的调节限值(例如频率、电压、电流方面)的对电网的控制或调节通常仍然是分层组织的，这意味着需求大大增加，需要更频繁的干预措施来维持操作安全性。为了获得可以包括在控制或调节中的进一步的信息(特别是在消费者端的信息)，现在越来越多地使用所谓的“智能电表”，“智能电表”直接从消费者那里捕获信息，即消费信息，并且通过通信网络将信息发送到电网的上级设备，例如控制中心。
因此，在这个上级点产生大量数据，并且必须在短时间内对其进行处理。对在次级电网段中要采取的措施的选择是复杂的，并且在从智能电表(和其他传感器组件)到上级点传输测量信号或者将控制信号返回到电网中的组件期间出现错误时，存在操作故障的风险。
添加额外的组件(例如相对大的光伏或风力设备或热电联产发电厂)可以决定性地改变电网段的性能，这需要对控制和调节处理进行全面的适配，这无论如何都是复杂的。由于从组件到上级点的数据传输的延迟而存在物理限制，这涉及短期事件的可调节性。因此必须有相对较大的余地(例如相对于线路截面)，这进而限制了可以在不进行复杂改装的情况下提供的传输容量。
文献EP 2 533 396 A2(阿尔斯通电网)处理了上述的一些问题，其涉及智能配电网，并提出了一种在配电网的多个层级上延伸的控制系统。这尤其可以提供给控制系统的每个层级用作控制回路，用于待提供的冗余拓扑网络结构，或者用于待在各层级控制系统上分配的数据处理和控制。该文献同样提出将控制和数据方面移动到更高或更低的层级并提供基于规则的处理，这增加了层级的自主程度。具体地，提出了顶层分配网络节点控制器(DNNC)，并且在分层拓扑中，顶层分配网络节点控制器与较低层级上的DNNC组件进行交互。例如，较低层级的DNNC组件可以从智能电表接收信号，因此可以监控商业客户的能量消耗。例如，顶层DNNC可以指定仅当该能量消耗与历史消耗相差超过10％时由较低层级上的DNNC组件进行通知，因此可以减少数据拥堵。例如，顶层DNNC可以指示较低层级上的DNNC组件关闭其他组件以防止过载等。
所述文献基本上基于电网节点的分层结构，其本身是已知的，具有相关的已知缺点。该文献描述了目标状态，但并未公开从现有配电网到达该目标状态的成体系的方法。
文献WO 2014/079605 A1(西门子股份公司)涉及多模式电网，即由多个子电网组成的电网，其使用资源分配单元分配呈化石燃料、电能、水、热量和冷量的形式的不同资源。所述文献还涉及一种用于在多模式电网中分配资源的方法，其建议在子电网中集成转换单元，该转换单元将一个或多个子电网的资源转换成一个或多个其他子电网的一个或多个其他资源。还具有资源处理单元并且每个都分配有至少一个代理，其中代理以每个代理可以与电网中的其他代理通信的方式彼此联网。基于代理之间协商的货币交易来至少部分地分配电网中的资源。因此，目的是在多模式电网中实现不同资源的分散调节、自组织分配。
基于货币交易的资源分配在多模式电网中可是有用的。然而，如果基于不同资源的多个电网没有链接或者如果子电网之间的联网程度相对较低，则不能以所提出的方式实现对用于分配电能的电网的分布式稳健控制。
文献US 2015/0058061 A1(Salama等人)涉及用于智能电网的能量管理和优化的方法，其中以实现决策者的目的的方式管理可用的本地装置和资源。为此，监控并调节特定部分的电力，在这种情况下，考虑该部分的特性。在特定时间段内预测受监控系统的性能，并在此基础上，提出了实现所述目的(例如，最小化温室气体、能源成本、能量损失、额外组件的安装成本，或最大化电能质量)的某种能量流。
所提出的系统假设可以预测发生的处理，这需要复杂的建模，并且因此建立和不断更新系统的处理与高成本相关联。
发明内容
本发明的目的是提供一种对分配电能的现有电网进行构造的方法，该方法属于开头提到的技术领域，可以系统地应用于现有电网，并且具有高度的操作安全性且易发生故障的可能性较低。
该目的的实现由根据本发明的技术方案的特征限定。根据本发明，基于电网组件的特性变量和可预定的调节限值，
a)电网组件组合为多个本地自调节功能组，并且
b)为每个本地功能组分配调节处理，该调节处理包括在达到触发标准时执行的动作以便符合调节限值。
因此，根据本发明的方法用于将分配电能的现有电网组合为与所述电网的调节有关的本地功能组，并将调节处理分配给所述功能组。因此，该方法的结果包括利用相应的电网组件建立功能组、建立调节处理及将调节处理分配给功能组。该方法的结果可以包括进一步的信息，如下面进一步说明的。
“现有电网”可以是较大电网的一段。原则上，用户可以规定该方法的应用领域，也就是说实际上要考虑哪些电网组件。
在根据本发明的方法的意义上的“源”可以是发电机、(电流释放)电池或另一能量存储器或仅仅是所考虑的电网或电网段的“输入端”。在该方法的意义上，“负载”是消费者、充电模式中的电池或其他能量存储器，或者仅仅是所考虑的电网或电网段的“输出端”。根据电网的运行状态，某些电网组件有时可以构成电源或负载。同样，存在组合多个功能的电网组件(例如负载和传感器组件、源和转换器组件等)。
所述特性变量例如是电缆直径和电线长度、变压器功率或短路电流。调节限值尤其对应于期望的操作范围，其中，为了确保在期望的操作范围内操作，与期望的操作范围相同的变量相关的调节限值的值不一定必须与期望的操作范围的限值相同。为了确保足够早的反应，可以例如在超过所需的操作范围之前已经可以达到调节限值。
根据本发明的方法意义上的本地功能组由根据拓扑彼此连接的组件形成，其中，在极端情况下，单独的电网组件也可以形成功能组。在此上下文中，“本地”不一定意味着功能组中的所有组件必须在特定空间区域内。如果在组合电网组件以形成功能组时考虑信息传输的延迟和信息必须传输的距离，则这通常应导致所有本地功能组在每种情况下被限制在相对较小的地理区域。功能组通常不包括“孔”，并且不包括与所包括的电网组件的其余部分隔离的区域。具体地，上述的本地功能组中的组件根据其连接的拓扑是起始拓扑。如果该方法提出对拓扑的改变，则这也可以是与起始拓扑不同的结果拓扑。
原则上，功能组可以彼此交错，其中内部功能组可以被认为是外部功能组中的电网组件。
本地功能组在正常运作期间进行自我调节。如果达到触发标准，则可以通过调节处理的相应动作来启动相应功能组之外的措施。调节处理可以提供仅在功能组内部起作用的进一步动作。原则上，术语“调节处理”表示对电网组件操作的干预和特定信息从一个电网组件到某些其他电网组件(在同一功能组中、在另一个功能组中或在上级点或坐标点处)的传输。
在其最简单的形式中，触发标准由变量的预定值以及表示当超过或低于输入变量(例如测量变量)的值时是否满足标准的语句形成。然而，触发标准也可以由范围的语句限定，或者可以基于更复杂的还包括特别是逻辑(布尔)运算符的函数限定。触发标准可以涉及输入变量或多个输入变量的瞬时值，或者考虑某个过去的时间间隔。触发标准不仅可以取决于分配给相应调节限值的变量，还可以取决于这些变量的变化率(即时间导数)，因此变量的快速增加或快速降低已经指示了需要在到达调节限值之前进行动作。
根据步骤a)的本地功能组的组合和根据步骤b)的调节处理的分配不一定必须按照a)到b)的顺序进行。具体地，例如，如果在符合调节限值的情况下在步骤b)期间确定根据前述步骤a)提供的功能组的组合造成一些问题，则这些步骤可以在根据本发明的方法的范围内迭代地执行。
从用于分配电能的现有电网开始，根据本发明的方法产生电网，该电网在调节方面是新构造的并且尽可能地省略了关于调节的分层结构，而是由在正常操作期间进行自我调节的本地功能组构成。由于结构化电网的功能组尽可能以自主方式运行，并且只有当达到触发标准并且启动相应的动作或者当在功能组中收集了进一步的信息并且进一步的信息(另外)在其他功能组中作为标准来要求时，才需要以更远的距离传输信息，传输的数据量最小化。仅操作所需的信息被进一步收集。不需要额外收集并传输用于预测目的的综合信息。
由于传输的数据量减少以及每个功能组对组外数据的依赖性较低，电网更难以攻击，并且由于信息传输中断而导致问题的风险降低。管理电网的能源需求也减少了。
由于进行本地调节，最小化了数据传输延迟的问题。这同样提高了操作安全性和供应可靠性。
指定调节限值和与之相关的触发标准确保了如果存在出问题的风险，则总是能够从电网中出问题的该点开始立即反应，这也提高了操作安全性并确保了电网质量。
由于根据本发明的方法基于现有电网及其已知参数，因此立即清楚必须改装或激活哪些传感器、致动器和智能设备以及何处和哪些成本与此相关。对于用户而言，除其他外，还系统地阐明了使用本地功能组是否以及在何处有利以及适配操作被有效实施的程度。
如果这与符合调节限值(以及可能的其他预定标准)兼容，则可以避免额外的基础设施组件和不必要的信息传输。
根据本发明的方法可以基本上应用于静态和动态优化。确定自主调节操作还可以促进动态购买能量，因为通过指定调节限值(例如允许的电力)减少了特定的不确定性。
该方法可用于系统地连续地基本上自动化整个电网，并通过划分为自调节功能组而以节能的方式来操作电网。
在用于操作根据本发明的方法构造的用于分配电能的电网的方法中，使用本地功能组中的传感器组件来监视是否达到触发标准；在达到触发标准时，执行分配给相应功能组的动作之一以符合调节限值。
原则上，在操作期间，可以周期性地或连续地检查本地功能组中的电网的当前构造。因此，立即认识到，由于边界条件的变化，对功能组划分的变化和/或调节处理的适配是否有用。然后可以在合适的时间实施这种改变。
在根据本发明的用于构造电网的方法的范围内，有利地限定了潜在的本地功能组。然后进行检查以确定潜在的本地功能组是否可以在符合可预定的调节限值的同时进行本地调节。如果确定存在本地可调节性，则接受潜在的本地功能组。如果不存在本地可调节性，则可以使用其他电网组件扩展潜在的本地功能组。
例如，可以基于模拟来执行对本地可调节性的检查。替代地或另外地，也可以与存储的模式进行比较，其中模式尤其表示具有某些特性的多个组件的惯常组合。本地可调节性可能有各种标准；如果非本地干预的预期频率低于特定阈值，则优选地假设本地可调节性。可以根据电网层级、潜在的本地功能组的大小、非本地干预的可用性和/或其他影响因素来不同地选择该阈值。
有利地，利用已经在电网中可用的其他电网组件来执行扩展。这些电网组件可以是尚未分配给本地功能组的电网组件，或者合并多个功能组。如果不可能使用现有组件进行扩展，则建议使用附加组件，在这种情况下，有利地提出了相应组件的类型和规格以及其在电网中的最佳可能定位的建议。
其他方法可用于本地功能组的组合。不是限定潜在的功能组并且然后检查可调节性，而是可以将现有电网的整个部分划分为多个功能组以用于测试目的，之后通过合适的方法优化划分。这些方法尤其包括进化算法或MCMC(马尔可夫链蒙特卡罗)算法。原则上，还可以使用机器学习方法，即用于识别模式或将来自一个电网段的手动构造的知识应用于其他电网段。
这些动作优选地包括本地动作和非本地动作，本地动作影响相应本地功能组中的组件的操作，非本地动作包括向另一本地功能组或跨功能组控制中心传输数据。非本地行动又可分为两类，即：
a)基本上仅将调节要求转发到本地功能组之外的预定点的动作；然后，该点负责以适当的措施代为满足本地功能组的调节要求；该点可以是所提到的另一个本地功能组或跨功能组控制中心的组件；和
b)在本地功能组之外的预定点触发预定措施的动作。
如果限定了类型b)的动作，则应确保受影响的其他本地功能组不会因此而不稳定，因为在极端情况下，这可能触发级联(“多米诺效应”)，故障会通过该级联传播到电网的其他区域。
可以逐渐触发用于将数据传输到另一个本地功能组或跨功能组控制中心的非本地动作。例如，首先可以将数据传输到另一个功能组。如果这导致在预定的时间间隔内与相应的调节限值不符，则接着进行向跨功能组控制中心的传输。因此创建了额外的安全等级，并且同时确保电网总是尽可能在本地进行调节，并且仅在实际需要时才使用控制中心。
有利地确定对用于创建附加的本地功能组和/或用于确保可预定的调节限值的附加电网组件的需要。
借助于附加的本地功能组，可以实现更大的电网分散化。附加的电网组件具体包括传感器和致动器。特别地，需要传感器以充分监控各个本地功能组中对调节限值的顺从性。特别需要致动器以在相应的本地功能组的动作范围内实施必要的措施。此外，还可以提出增加发电机、存储器、转换器组件、线路等。该确定还特别包括组件性质及其放置的更具体细节。
替代地，该方法仅基于电网中可用的组件，并且仅形成在符合预定的边界条件的同时可用这些组件的那些本地功能组。如下面进一步所述，可以在该方法的范围内评估不同的扩展选项，特别是通过伴随地包括诸如附加电网组件的成本或在数值优化期间传输的数据量的标准来进行该评估。
在根据本发明的方法的一个优选变型中，基于起始拓扑确定目标拓扑。这意味着在该方法的范围内考虑了对拓扑的可能更改。如果由于拓扑(即最终现有组件和可能的未来组件的连接)的改变而在例如电网可靠性或运行成本方面产生优势，则提出对拓扑的改变。这通过改变连接、可能通过添加附加的线路、开关和转换器单元来实现。
替代地，起始拓扑被认为是固定边界条件，并且因此拓扑在该方法的范围内不改变。在这种情况下，例如，可以基于起始拓扑确定用于最大自主操作的必要组件。将确定可以规定多少个本地功能组以及需要改装哪些传感器和致动器。同时，最小化适应电网基础设施的支出。
可预定的调节限值有利地包括用于在本地功能组和/或不同的电网组件之间传输数据的最大延迟。符合最大延迟可确保在必要的时段内再次符合调节限值。对于尽可能在本进行电网的调节也是有利的。
该方法有利地包括对用于将电网组件组合为本地功能组的目标函数的数值优化。在目标函数中可以系统地考虑与不同类型的组合相关联的益处和成本因素。已知的方法，例如下降单纯形法或者牛顿或高斯-牛顿方法，可用于数值优化。
可以在目标函数的范围内考虑不同的因素，结果是有利于以最佳可行方式实现某些目标的本地功能组的组合：
a)目标函数因此可以取决于在电网组件之间传输的用于调节电网的数据量，其中数值优化有利于最小化该数据量(考虑其他标准，例如电网可靠性)：一方面，这提供了尽可能本地调节的电网，另一方面，以预定的错误率将数据的传输量减少到较小的绝对错误数量；
b)目标函数可能取决于附加电网组件的成本，其中数值优化有利于最小化这些成本(考虑其他标准，例如电网可靠性)；
c)目标函数可以取决于起始拓扑和目标拓扑之间的适配成本，其中数值优化有利于最小化这些成本(考虑其他标准)；
d)目标函数可以取决于本地功能组的本地价格(节点定价)，其中数值优化有利于最小化这些成本。
现有电网有利地包括至少以下电网层级的两个相邻层级中的组件：
a)超高压电网；
b)高压电网；
c)中压电网；和
d)低压电网。
因此构造了包括多于单个电网层级的电网段。这使得在划分成本地功能组时具有了更高程度的灵活性。包括仅来自一个电网层级的组件的本地功能组和包括来自两个或甚至更多个电网层级的组件的那些功能组通常可以在同一电网中生成。然而，原则上，根据本发明的方法也可以在仅在一个电网层级中延伸的电网段中执行。
在该方法的一个优选变型中，从地理信息系统(GIS)接收电网组件的特性变量和/或起始拓扑。因此，可以以简单的方式并且以最佳的更新度获得构造所需的与考虑的电网段有关的信息。此外，该方法可以基于连续更新的GIS定期应用于电网段，从而获得适配于本地条件的连续构造。
在用于操作根据本发明构造的电网的方法的范围内，优选地检测维护要求并且自动请求维护服务。例如，基于超过调节限值的频率增加或非本地动作的调用增加来检测维护要求。可以使用通用的沟通渠道(例如电子邮件)或集成软件环境(例如ERP)自动请求维护服务。
优选地，通过物流接口启动自动订购处理。这可以在构造电网时(例如，在需要额外组件的情况下)和在电网的后续操作期间(例如作为维护的一部分或在更改边界条件的情况下)执行。
如果合并了基于电网的GIS，则可以不断检查和优化拓扑、功能组的组合和现有组件。根据期望的优化，可以通过物流接口连续地改装所需的组件，例如致动器。除了自主操作外，该程序还可以实现对电网的独立维护。
根据本发明的用于构造和操作电网的方法尤其借助于合适的计算机上的计算机程序来执行。
本发明的其他有利实施例和特征组合可从以下详细描述和所有专利权利要求中得出。
附图说明
以下为用于解释示例性实施例的附图：
图1是具有中央控制的现有电能配电网的示意图；
图2是根据本发明的方法的流程图；
图3是使用根据本发明的方法构造的具有本地调节的配电网的示意图；并且
图4是用于执行根据本发明的操作电能配电网的方法的系统的框图。
原则上，图中相同的组件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1是具有中央控制的用来分配电能的现有电网的示意图。电网1被细分为多个电网层级1.1……1.7。在对应于输电网或配电网的电网层级1.1、1.3、1.5、1.7中，电压从上到下降低：
电网层级1.1：超高压电网(例如380或220kV)；
电网层级1.3：高压电网(例如36-150kV)；
电网层级1.5：中压电网(例如1-36kV)；和
电网层级1.7：低压电网(例如400V-1kV)。
电压转换器(变压器)分别布置在电网层级1.1、1.3、1.5和1.7之间，作为电网层级1.2、1.4、1.6。常规发电厂将电力馈送到电网层级1.1、1.3、1.5，并且终端消费者通常连接到电网层级1.7中的低压电网。
电网1包括控制中心2，其集中执行电网的管理任务。为此，经过所有电网层级1.1……1.7在控制中心2和电网层级1.1……1.7中的组件之间传输信息。即，测量数据从测量点传输到控制中心2，并且控制数据从控制中心2传输到电网的各个组件。此外，在相邻的输电网或配电网层级1.1、1.3、1.5、1.7之间以及在输电网或配电网层级与电网层级1.2、1.4、1.6中的直接相邻的电压转换器之间进行通信。
下面描述根据本发明的用于构造现有电能电网的方法的顺序。相应的流程图如图2所示。
首先必须限定考虑哪个系统(步骤101)。例如，从基于电网的地理信息系统(GIS)获得与现有电网有关的信息。可选地或另外地，从数据库读取数据或手动添加数据。例如通过标记要构造的电网的那些部分，以本身已知的方式使用图形用户界面来选择所考虑的组件。还可以通过电网层级，例如通过对特定电网层级的限制，或者基于其他技术特性来限定系统。例如，可以构造由特定电网运营商操作的电网的整个部分。但跨电网运营商构造和电网段构造无疑也是可行的。
第二步骤102确定系统中可以调节的哪些变量。这些信息也来自GIS、其他数据库和/或手动输入。然后从这些可调节变量中选择那些在构造期间实际应该被调节的变量(步骤103)。原则上，可以选择少量的、更大数量的或者所有实际上可以调节的变量。
还限定了类(或从已经存在的类库中采用类)(步骤104)。每个类代表电网段(也就是说电网的连续区域以及相关的电网组件)，其具有关于测量变量、测量范围以及可能的可调节性的特定特性。在这种情况下，应该注意的是，类也可以只代表单个电网组件。
然后，所考虑的电网段可以由对以起始拓扑进行连接的现有类中的实体的选择来表示。如果这在使用类库中的现有类时最初不可行，则可以限定其他类。但是，并非强制要求使用已限定类中的实体来表示整个电网。在这种情况下，未被表示的组件和电网段将按常规进行调节，并且不会自动操作或组合形成自主操作的功能组。
对于所有类(或其中在电网中至少有一个实体可用的所有类)，然后规定要调节的变量的期望范围；原则上，这些信息也可以从库中自动获取。此时，特定类或类组合可已经基于预定标准(例如关于外部调节要求的预期频率)被识别为自主作用的功能组。
调节变量的期望操作限定了规则、可行的动作和必要信息，以便能够检查是否已满足动作的触发标准。在步骤105中，在期望操作期间在操作参数方面应符合的限值是：
a)由电网运营商确定的；
b)按软件规范确定的；和/或
c)在基于GIS的电网信息系统(其中组件与操作数据一起存储)的情况下通过软件自动确定的。由于对组件及其已知或可计算的最大负载的了解，不需要知道实际可用(最大)功率或其他动态参数。
为了限定限值，存在对现有组件和/或标准(例如电缆的最大允许电流)的定位，或者例如在新结构的情况下对连接和所请求的最大功率的定位。
下表列出了例如针对本地配电网中所需操作的参数。如果不符合操作范围(即满足相应的触发标准)，则分别执行右栏中列出的动作：
还限定了动作(或从已经存在的动作库中采用动作)(步骤106)。如上所述，动作包括一个或多个措施，特别是致动器的启动和/或向其他组件发送消息。将这些动作分配给各个实体。如果已经限定了与多个实体(特别是在不同类中)相关的动作，则还可以将动作分配给实体(彼此连接)的特定组合。
然后确定必须提供哪些信息以便能够实际执行调节(步骤107)，从中限定要测量的变量和可计算的变量。
在此基础上，因此识别了哪些测量变量可用于调节(步骤108)。调节处理最终包括确定一个或多个测量变量、为确定要采取的(一个或多个)动作而进行的处理以及在调节变量受到影响之前对动作的执行。某个信息传输时间的产生取决于调节处理的复杂性、电网中涉及的组件的分布以及处理测量变量的时间要求。确定该信息传输时间并将其与最大允许信息传输时间进行比较(步骤109)。最大允许信息传输时间不需要对于所有调节处理都相同，因为如果不希望电网受到负面影响的话，某些调节操作必须比其他调节操作更快地进行。
以与测量变量类似的方式，还可以规定电网组件的选择和拓扑可以改变的程度。例如，可以执行限于动态变量的优化，或者可以将对基础设施的可能改变限制为添加特定的致动器和传感器。
可选地确定物理上最小的可行信息延迟(步骤110)。这使得可以立即消除与所需延迟不兼容的特定情况，例如，如果“实时”在秒范围内，或者如果每天仅传输一次数据(例如来自家用电表)并且“实时”意味着最多10分钟，则消除通过智能电表对智能电网的实时控制。
基于具有不同类的实体的起始拓扑和相关的期望范围、要调节的变量以及可用的测量变量和动作，然后在考虑允许的传输时间的情况下对电网进行数值优化(步骤111)。如上所述，为此目的，甚至可以组合地进行本身已知的各种方法。特别地，执行对目标函数的(非线性)数值优化，其中包括相关标准。在任何情况下要观察的限值可以作为次要条件通过例如拉格朗日乘数包括在目标函数中。标准通常既是技术性的，也是经济性的。
可以针对最广泛的可行的电网分散来执行优化，因为可以预期在这种情况下操作安全性(即，相对于本地故障的稳健性)被最大化。因此，根据优化得出本地功能组中的多个实体(甚至通常不能在本地调节的实体)的组合，包括相关联的动作(和触发标准)。
如上所述，作为数值优化的一部分，还可以直接检查向现有基础设施添加其他组件。相反，如果首先执行关于动态变量的优化，则在违反规则的情况下可以基于规定的动作检查必要的基础设施、特别是传感器和致动器是否已经可用。替代地，在规定了期望的操作之后，可以建议检查哪些动作是可行的，或者自动计算哪些功能组在物理上是可行的，以及如果技术或产品存储有特征值(例如基于GIS)，哪些行动是必需的。如果技术或产品信息无法立即获得，则建议执行对比，在这种情况下，可以在根据本发明的方法的帮助下检查各种假设的可行性。
在一个应用中，所提出的步骤例如如下进行。步骤101规定，在电网层级1.7上的所有消费者(即在低压电网中的消费者)都应被考虑。原则上，根据步骤102，在此可以将由电压和最大电流产生的功率以及频率作为动态变量进行调节。
在示例性应用的范围内，对电网层级1.7的能量需求旨在通过调节相电流和电压来限制，同时符合欧洲标准EN 50160。例如，如果因为能量必须以不理想的价格购买而使得峰值负载时间导致高成本，或者如果电缆等材料达到其工作极限并且存在财产和人身伤害或电网故障的风险，则这可是有用的。在步骤104中，根据最小和最大电流和电压，将消费者例如分类为具有230V的工作电压和100A的最大电流的私人家庭以及具有400V的工作电压和更高的最大电流的企业。步骤105限定了期望的操作，在这种情况下符合EN 50160并限制最大功率。在该方法的简单变型中，所有消费者被限制在相同的程度，例如最大电流的80％。在扩展变型中，可以考虑电压。在另一变型中，可以基于变电站的连接串来限制功率，并且可以基于总功率来适配所连接的消费者的最大功率。
现在根据步骤106限定动作。这些动作尤其包括：如果超过根据步骤105规定的最大电流，则限制电流。
步骤107规定了实施调节任务所需的信息。在简单的变型中，该信息是家庭连接器的电流，在扩展变型中，该信息也可以是电压，并且在基于的功率限制(StranbezogenenLeistungsbegrenzung)的变型中，该信息是瞬时串功率的计算总和。因此，识别出可以使用哪些测量变量以及是否需要额外的测量点或者是否有利(步骤108)。
步骤109包括确定用于发送针对每个调节处理的信息的最大允许时间。在该情况下，这可以取决于基础设施和成本而在秒或分钟范围内选择。在该情况下，可以忽略根据步骤110的对物理上可能的信息延迟的规定。在传统的体系结构中，该步骤是必要的，传统体系结构中应该在中央控制中心的基础上对这种限制进行调节处理—本地优化的功率限制是不可能的，或者只有在取决于解决方案的相当大的支出情况下才有可能。
步骤111包括根据上述步骤优化现有电网。但在该情况中，可以进行数值优化，但不是强制性的。在此，与电网拓扑或测量基础设施的比照可以手动或以自动方式进行。如果合适，在成本分析之后，然后改装具有适当测量能力的智能电表和/或用于功率限制的致动器，或者执行电网增强。生成的订单和安装订单可以使用自动化物流接口实现。
为了构造用于相对于电网中的动态变量分配电能的电网，在特定情况下使用以下过程，例如：
1.首先将由电网运营商操作的整个电网确定为要构造的电网段。
2.以下结果显示该电网中的能量：
E电网＝E消耗+E生产+E传输+E转换+E输入+E输出，
其中E＝P*t；P＝U*I等。
来自可再生能源的可用电能可以通过限制到最大值来调节。该最大值也可以动态地优化或在本地优化或两者兼而有之。
3.根据功率值容易得到各个能量值：
En＝Pn*t
4.因此，也容易得到调节限值：
5.如果超出或低于这些限值，则需要采取动作：
故障消息
削减
6.这导致对各个功率、电压和电流值Pn(t)、Un(t)、In(t)的要求。
7.对于Pmax(A、ρ、I、t)，最早可能发生电缆起火或设备故障的时间是调节处理实行之前的最大时间；对于Pmin，意图是符合用于故障消息的最大容忍时间。
8.所需的信息传输时间计算如下：
t分钟＝t测量+tAD/转换+2*t传输+t算法+t致动器
根据这些信息，然后评估各种可能的解决方案，以便找出例如通过微处理器和组件本身的致动器执行调节是否更有用或变压器站中的调节是否更方便。除了技术标准(例如关于电网的运行安全性)，经济标准(例如转换和运营成本)也在此评估中发挥作用。
根据该方法构造的电网由多个自操作的、优选地也是自优化的和自维护的功能组组成。电网可以部分或完全由这些功能组组成。在图3中示意性地示出了这种电网11。该电网仍然被细分为已知的电网层级11.1……11.7，其对应于图1中的电网层级1.1……1.7。控制中心2仍然存在，但仅在无法使用所提出的方法进行调节的例外情况下才需要。除了控制中心2之外，还提供故障管理中心13，并且当事件不能在本地功能组中或在较低电网层级解决时使用故障管理中心13。
信息优先在本地功能组之间的输电网或配电网层级11.1、11.3、11.5、11.7之间传输。进而在输电网或配电网层级11.1、11.3、11.5、11.7之间进行传输，或者如果需要，经过多个电网层级11.1……11.7向中央控制中心2进行传输。
图4示出了可用于执行根据本发明的用于操作电能电网的方法的系统的框图。电网11根据图3中的图示构造。该系统包括中央计算机单元20，根据本发明的用于操作电网11的方法在该中央计算机单元20上运行。计算机单元20连接到基于电网的地理信息系统(GIS)21。基于电网的GIS 21包括数据库，该数据库尤其存储电网的当前拓扑和电网运营商已知的具有其相关特性的组件。计算机单元20还连接到物流接口22，物流接口22可用于自动请求附加的电网组件或更换组件。计算机单元20还连接到维护接口23，维护接口23可用于请求用于维护、故障校正或维修的维护服务。
计算机单元还与控制中心2和故障管理中心13通信。
在各个电网层级中或以跨电网层级的方式限定多个本地功能组。作为示例，图4示出了三个这样的功能组30.1、30.2、30.3。功能组中的两个功能组30.1、30.2布置在电网层级11.7中，并且另一个功能组在电网层级11.5-11.7上延伸并且尤其包括转换器11.6。
功能组30.1……30.3分别包括控制单元31.1、31.2、31.3(由矩形表示)。至少一个传感器单元32.1、32.2、32.3(用圆圈表示)同样分别存在于所示的功能组30.1……30.3中，该传感器单元测量一个或多个相关变量并将其传输给相应的控制单元31.1……31.3。在所示的三个功能组中的两个功能组30.2、30.3中还存在至少一个致动器33.2、33.3(由正方形表示)，该致动器可以用于通过由相应的控制单元31.2、31.3触发的方式影响相应功能组30.2、30.3的操作的方法。
两个本地功能组30.1、30.2的控制单元31.1、31.2在电网层级11.7中彼此连接，并且可以在触发相应的动作时交换信息。本地功能组30.1的控制单元31.1还连接到跨电网层级本地功能组30.3的控制单元31.3。跨电网层级本地功能组30.3的控制单元31.3继而可以与故障管理中心13交换数据。
所示的连接应被理解为示例性的。图示并不意味着所提到的组件之间必须存在(直接)物理连接，并且数据可以例如通过总线系统或中央路由器交换。最后，涉及到将哪些动作分配给各个功能组30.1……30.3。可以通过添加其他动作来实现与其他功能组或组件的单向或双向数据交换。
根据本发明的用于构造电网的方法可以应用于许多问题，例如可以用于优先考虑本地可用能量的消耗、例如由光伏设备产生的能量。这使得可以减少能量的传输路径。由此减小了电网中相对于待传输电力的预期动态响应，并且因此电网的设计同样可以满足降低的要求。
在进一步的应用中，可以为电网层级1的发电厂限定最小日程，并且可以规定违反所需操作(未达到频率或产量等)的规则。在无法通过本地致动器进行调节的情况下，信息项被传输到外部系统(控制中心、故障管理中心)。用于操作的信息可以对应于来自其他功能组的测量到的违规，在这种情况下，在达到相应的触发标准(例如频率干扰)时执行的测量功能组的动作将要发送的信息提供给接收功能组(例如，在电网层级1上)。
总之，可以说本发明提供了一种对分配电能的现有电网进行构造的方法，该方法可以系统地应用于现有电网并且能够实现高度操作安全性且不易发生故障。

Claims (15)

1.一种对分配电能的现有电网进行构造的方法，其中所述电网至少包括作为电网组件并以起始拓扑彼此连接的源、负载、线路、传感器、开关和转换器组件，其中，根据所述电网组件的特性变量和可预定的调节限值，
a)所述电网组件组合为多个本地自调节功能组，并且
b)为每个本地功能组分配调节处理，所述调节处理包括在达到触发标准时执行的动作，以便符合所述调节限值，
其中所述动作包括本地动作和非本地动作，所述本地动作影响相应本地功能组中的组件的操作，所述非本地动作包括将数据传输到另一本地功能组或跨功能组控制中心；
其中从地理信息系统接收所述电网组件的特性变量和/或所述起始拓扑。
2.如权利要求1所述的方法，包括对潜在的本地功能组的限定并包括检查以确定所述潜在的本地功能组是否可以在符合所述可预定的调节限值的同时被本地调节，其中如果确定了本地可调节性，则接受所述潜在的本地功能组，并且其中如果不存在本地可调节性，则使用其他电网组件扩展所述潜在的本地功能组。
3.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，确定对用于创建附加的本地功能组和/或用于确保所述可预定的调节限值的附加电网组件的需求。
4.如权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，基于所述起始拓扑确定目标拓扑。
5.如权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，所述可预定的调节限值包括用于在本地功能组和/或不同电网组件之间传输数据的最大延迟。
6.如权利要求1至2之一所述的方法，包括对用于将所述电网组件组合为所述本地功能组的目标函数进行的数值优化。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述目标函数取决于在电网组件之间传输的用于调节所述电网的数据量，并且所述数值优化有利于最小化该数据量。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目标函数取决于附加电网组件的成本，并且所述数值优化有利于最小化这些成本。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目标函数取决于在起始拓扑和目标拓扑之间进行适配的成本，并且所述数值优化有利于最小化这些成本。
10.如权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，确定所述本地功能组的本地价格，目标函数取决于所述本地价格，并且数值优化有利于最小化这些成本。
11.如权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，所述现有电网至少包括以下电网层级的两个相邻层级中的组件：
a)超高压电网；
b)高压电网；
c)中压电网；和
d)低压电网。
12.一种用于操作如权利要求1至11之一所构造的用于分配电能的电网的方法，其中，所述本地功能组中的传感器组件用于监视是否达到触发标准，并且其中，在达到触发标准时，执行分配给相应功能组的动作之一以便符合调节限值。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，检测维护要求并自动请求维护服务。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，通过物流接口启动自动订购处理。
15.一种用于执行如权利要求1至14之一所述的方法的计算机程序。
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