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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungsnetzwerks
sowie ein System zur Steuerung der Lastverteilung in einem Energieversorgungsnetzwerk.
Das Energieversorgungsnetzwerk umfasst als Einheiten ein oder mehrere
Energieerzeuger, welche Energie erzeugen und in das Energieversorgungsnetzwerk
einspeisen, und/oder ein oder mehrere Energieverbraucher, welche
aus dem Energieversorgungsnetzwerk Energie beziehen und verbrauchen,
und/oder einen oder mehrere Energiespeicher zum Zwischenspeichern von
in dem Energieversorgungsnetzwerk bereitgestellter Energie oder
zum Abgeben von in dem Energiespeicher enthaltener Energie in das
Energieversorgungsnetzwerk. Die Erfindung betrifft ferner verschiedene
Rechner innerhalb des Systems zur Steuerung der Lastverteilung.
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Energieversorgungsnetzwerke
wurden in der Vergangenheit im Hinblick auf eine zentrale Energieeinspeisung
hin ausgelegt. Da die Energieerzeugung und die Energieverteilung über das
Energieversorgungsnetzwerk in der Regel in einer Hand liegen, wurden
die Kapazitäten
der Versorgungsleitungen des Energieversorgungsnetzwerks sowie dessen
Topologie an einige wenige, zentrale Energieerzeugungseinrichtungen
ausgelegt. Aufgrund der zentralen Energieversorgung fließen Ströme in den
Leitungen des Energieversorgungsnetzwerks in der Regel in einer
Richtung. Demgemäß sind Schalt-
und Schutzeinrichtungen auf eine derartige Betriebssituation ausgelegt.
In jüngerer
Vergangenheit sind an die Energieversorgungsnetzwerke eine Vielzahl
an dezentralen Energieerzeugungseinrichtungen (z. B. regenerative
Energiequellen) angeschlossen worden. Da diese Energieerzeugungseinrichtungen
nicht in der Hand der Betreiber des Energieversorgungsnetzwerks
liegen, kann durch diese nicht beeinflusst werden, zu welchen Zeitpunkten
und in welcher Menge Energie in das Energieversorgungsnetzwerk eingespeist
wird. Hierdurch bedingt kann eine Situation eintreten, in welcher
die Kapazitäten
der Leitungen des Energieversorgungsnetzwerks nicht mehr an die tatsächliche
Energiesituation angepasst sind. Der forcierte Einsatz dezentraler
Energieerzeugung erfordert deshalb neue Strategien zur Steuerung
von Energieerzeugung und -verbrauch.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Betreiben eines Energieversorgungsnetzwerks sowie ein System zur
Steuerung der Lastverteilung in dem Energieversorgungsnetzwerk anzugeben,
welche den Einsatz einer beliebigen Anzahl an dezentralen Energieerzeugern
ermöglicht.
Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Rechner des Systems
zur Steuerung der Lastverteilung anzugeben, welche die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermöglichen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches
1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruches
21, ein System zur Steuerung der Lastverteilung mit den Merkmalen
des Patentanspruches 22, einen Bereichsrechner für ein erfindungsgemäßes System
mit den Merkmalen des Patentanspruches 23, einen Stromverteilungsrechner
für ein erfindungsgemäßes System
mit den Merkmalen des Patentanspruches 25, einen Geräterechner
für ein erfindungsgemäßes System
mit den Merkmalen des Patentanspruches 27 und einen Energieversorgungsbereichsrechner
für ein
erfindungsgemäßes System
mit den Merkmalen des Patentanspruches 29 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind jeweils in den abhängigen
Patentansprüchen
wiedergegeben.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Betreiben eines Energieversorgungsnetzwerks, das als Einheiten zumindest
ein oder mehrere Energieerzeuger, welche Energie erzeugen und in
das Energieversorgungsnetzwerk einspeisen, und/oder ein oder mehrere
Energieverbraucher, welche aus dem Energieversorgungsnetzwerk Energie
beziehen und verbrauchen, und/oder einen oder mehrere Energiespeicher
zum Zwischenspeichern von in dem Energieversorgungsnetzwerk bereitgestellter
Energie oder zum Abgeben von in dem Speicher enthaltener Energie
in das Energieversorgungsnetzwerk umfasst, wird den Einheiten jeweils
eine oder mehrere Versorgungsklassen mit vorgegebener Priorität zugewiesen
und auf Basis der jeweiligen Versorgungsklassen eine rechnergestützte, d.
h. automatische, Steuerung der Energieerzeuger oder der Energiespeicher
in Bezug auf die Energieeinspeisung und/oder der Energieverbraucher
in Bezug auf den Energieverbrauch und/oder der Energiespeicher in Bezug
auf die Energieaufnahme vorgenommen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
basiert auf dem Grundgedanken, dass die Stromversorgung mit unterschiedlicher
Priorisierung erfolgt. Hierdurch lässt sich mit generischen Komponenten
ein skalierbares System für
große,
hierarchisch gegliederte und verteilte Stromversorgungsnetze sukzessiv
erstellen. Hierdurch kann eine priorisierte Stromversorgung und/oder
-generierung automatisiert gesteuert werden.
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Um
eine effiziente Steuerung vornehmen zu können ist es zweckmäßig, wenn
jede der Versorgungsklassen mit einer Versorgungswahrscheinlichkeit
korrespondiert. Zweckmäßigerweise
umfasst eine der Versorgungsklassen eine Priorität, die einer 100%-Versorgungswahrscheinlichkeit
entspricht, und die andere oder anderen Versorgungsklassen Prioritäten mit
einer geringeren Versorgungswahrscheinlichkeit als 100% aufweisen.
Unter einer 100%-Versorgungswahrscheinlichkeit wird in der vorliegenden
Beschreibung eine im Rahmen des technisch Möglichen maximale Versorgungswahrscheinlichkeit
verstanden. Die Klassierung und Bestimmung der Anteile am generierten
Strom in Abhängigkeit
von der Wahrscheinlichkeit ihrer Verfügbarkeit ermöglicht einen
zuverlässigen
und koordinierten Betrieb des Energieversorgungsnetzwerks. Ist die
Verfügbarkeit
von generiertem Strom sicher, so wird diesem Stromanteil eine hohe
Priorität
zugewiesen. Hängt
die Verfügbarkeit
von nicht beeinflussbaren Faktoren (wie z. B. Wind und/oder Sonne
und dergleichen) ab, so wird dem Stromanteil eine niedrige Priorität zugewiesen.
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Im
Rahmen der Erfindung wird die Versorgung mit Strom in mindestens
zwei Versorgungsklassen unterschieden. Eine Versorgungsklasse mit höchster Priorität umfasst
dabei den Teil des erzeugten Stroms, für den garantierte Versorgungszusagen existieren.
Dies trifft beispielsweise auf Strom zu, welcher von einem kontinuierlich
laufenden Kraftwerk (z. B. ein Kohlekraftwerk, Kernkraftwerk, usw.) bereitgestellt
wird. Eine Versorgungsklasse mit niedrigster Priorität umfasst
den Anteil der Stromproduktion, der beispielsweise durch regenerative
Energiequellen – und
damit unter Umständen
diskontinuierlich zu nicht vorhersagbaren Zeiträumen – bereitgestellt werden kann.
Optional sind weitere Versorgungsklassen mit zusätzlichen Prioritäten, gestaffelt nach
Versorgungswahrscheinlichkeit bzw. -notwendigkeit, denkbar.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
erfolgt eine rechnergestützte
Erfassung der Topologie des Energieversorgungsnetzwerks. Die automatisierte
Erfassung der Topologie des Energieversorgungsnetzwerks ermöglicht eine
bedarfsgerechte Steuerung jeweiliger Einheiten des Energieversorgungsnetzwerks.
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In
einer weiteren Ausgestaltung werden Versorgungszusagen für die Energieverbraucher
rechnergestützt
bestimmt. Das Bestimmen der Versorgungszusagen kann in feiner Granularität, d. h.
bis hin zu einem einzelnen Verbraucher, erfolgen.
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Es
ist ferner zweckmäßig, wenn
für jeden Verbraucher
für einen
vorgegebenen Zeitpunkt oder für
eine vorgegebene Zeitspanne eine rechnergestützte Verbrauchsbestimmung erfolgt.
Die Bestimmung der Verbrauchsdaten kann ebenfalls in beliebiger
Granularität,
d. h. bis hin zum einzelnen Verbraucher, vorgenommen werden.
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Es
ist weiterhin vorgesehen, dass eine Erfassung und Auswertung des
Stromflusses in Versorgungsleitungen des Energieversorgungsnetzwerks und
eine Steuerung von Energieerzeugung und Energieverbrauch durch die
Steuerung jeweiliger Energie verbraucher und/oder Energieerzeuger
und/oder Energiespeicher durchgeführt wird. Hierdurch können Erzeugung
und Verbrauch ausbalanciert werden.
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Zweckmäßigerweise
werden die oben beschriebenen Funktionalitäten auf generische Komponenten
verteilt, die in Kommunikationsverbindung zueinander stehen. Die
Vernetzung der Komponenten erfolgt dabei derart, dass eine einfache
Skalierbarkeit gegeben ist.
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Eine
weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht
vor, dass das Energieversorgungsnetzwerk benachbarte und/oder hierarchisch
gegliederte Energieversorgungsbereiche mit jeweiligen Energieverbrauchern
und Energieerzeugern umfasst, wobei eine Konfiguration der Energieverbraucher
und Energieerzeuger für
jeden Energieversorgungsbereich separat erfolgt.
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In
jedem der Energieversorgungsbereiche werden Konfigurationen nur
für den
jeweiligen Energieversorgungsbereich vorgenommen. Nebengeordnete
bzw. übergeordnete
bzw. untergeordnete Energieversorgungsbereiche können, müssen jedoch keinen direkten
Einfluss auf Kontrolldaten eines bestimmten Energieversorgungsbereichs
nehmen. Energieversorgungsbereiche können, sofern die Verfügbarkeit
jeweiliger Komponenten gegeben ist, sämtliche Ebenen oder Einheiten
in einem Energieversorgungsnetzwerk sein: eine Hochspannungs-Ebene
kann beispielsweise eine Top-Domäne darstellen.
Eine Mittelspannungsebene ist eine Unter-Domäne der Top-Domäne. Niederspannungs-Verteilnetze
können
dann Unter-Domänen
der Mittelspannungs-Domänen
darstellen. Unter diesen können
wiederum lokale Domänen
für Betriebe, Haushalte
bis hin zu komplexen elektrischen Geräten vorgesehen sein. Unter
einem komplexen elektrischen Gerät
wird beispielsweise ein Gerät
mit mehreren elektrischen Komponenten verstanden, die jeweils unterschiedlich
mit Strom versorgt werden können.
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Um
die Priorisierung der Stromversorgung in dem Energieversorgungsnetzwerk
zu erzielen, umfasst jeder der Energiever sorgungsbereiche, welcher als
eigene Einheit gesteuert wird, über
eine Mehrzahl an generischen Kommunikations-Komponenten.
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Zweckmäßigerweise
werden während
der Konfiguration eines der Energieversorgungsbereiche gewonnene
Konfigurationsdaten in einem Bereichsrechner eines jeweiligen Energieversorgungsbereichs
vorgehalten, der die Stromversorgung gemäß der Zuweisung der Einheiten
zu den Versorgungsklassen in dem Stromversorgungsbereich überwacht und
steuert. Der Bereichsrechner ist damit verantwortlich für die Umsetzung
der priorisierten Stromversorgung in dem ihm zugewiesenen Energieversorgungsbereich.
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Es
ist ferner zweckmäßig, wenn
die Konfigurationsdaten verschiedener Energieversorgungsbereiche
in aggregierter und/oder gefilterter Form zwischen den jeweiligen
Bereichsrechnern ausgetauscht werden. Ferner kann vorgesehen sein,
dass der Bereichsrechner eines Energieversorgungsbereichs mit den
in diesem Energieversorgungsbereich angeschlossenen Einheiten, d.
h. den Energieerzeugern und/oder den Energieverbrauchern und/oder den
Energiespeichern, Versorgungszusagen aushandelt. Dabei ist nicht
nur das Aushandeln von Versorgungszusagen der Einheiten innerhalb
eines Energieversorgungsbereichs, sondern auch ein Datenaustausch
zwischen mehreren der Energieversorgungsbereiche möglich. So
kann vorgesehen sein, dass der Bereichsrechner eines jeweiligen
Energieversorgungsbereichs die Versorgungszusagen an Bereichsrechner
anderer Energieversorgungsbereiche zur weiteren Verarbeitung überträgt oder
von diesen zur weiteren Verarbeitung empfängt.
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Zweckmäßigerweise
ermittelt der Bereichsrechner gemäß einer weiteren Ausgestaltung
eines jeweiligen Energieversorgungsbereiches statistische Gerätewerte
und/oder Zustandsdaten der Einheiten. Optional übermittelt der Bereichsrechner
diese Daten an die benachbarten und/oder hierarchisch über- und untergeordneten
Energieversorgungsbereiche.
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Der
Bereichsrechner nutzt damit Topologieinformationen des ihm zugeordneten
Energieversorgungsbereichs, Informationen über Versorgungszusagen und
Informationen über
den aktuellen Zustand bei der Umsetzung der priorisierten Stromversorgung durch
eine geeignete Steuerung der an den Energieversorgungsbereich angeschlossenen
Einheiten. Zur Umsetzung dieser Priorisierung kann z. B. eine direkte
Kontrolle der Versorgungsleitungen innerhalb des Energieversorgungsbereichs
und/oder eine nachgelagerte adaptive Kontrolle/Steuerung vertrauenswürdiger Einheiten
erfolgen, wobei letztere mit Kommunikationskomponenten versehen
sind, welche einen Datenaustausch mit dem Bereichsrechner vornehmen
können.
Bei solchen vertrauenswürdigen
Einheiten ist garantiert, dass diese sich gemäß vereinbarten Priorisierungsregeln
verhalten, d. h. dass sie in Abhängigkeit
vom Versorgungszustand des Energieversorgungsnetzwerks eine entsprechende Strommenge
aufnehmen oder abgeben. Die Vertrauenswürdigkeit unter den Einheiten
kann durch ein geeignetes Authentisierungssystem, z. B. unter Verwendung
bekannter PKI-Methoden (PKI = Public Key Infrastructure), sichergestellt
werden.
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Ferner
kann gemäß einer
weiteren Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Bereichsrechner eines
jeweiligen Energieversorgungsbereichs bei Vorliegen eines vorgegebenen
Kriteriums selektiv die Abschaltung einzelner Einheiten oder Gruppen
von Einheiten des Energieversorgungsbereichs oder den Energieversorgungsbereich
im Gesamten bewirkt. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung
zu Grunde, dass in einem Energieversorgungsbereich nicht nur vertrauenswürdige Einheiten
vorhanden sind. Daher werden ermittelte Daten jeweiliger Einheiten verglichen
mit aktuell gemessenen Leitungsdaten. Bei einer auftretenden Diskrepanz
können
dann die oben genannten Maßnahmen
getroffen werden.
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Bereichsrechner
werden z. B. in Netzteile der Einheiten integriert.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass durch einen
Stromverteilungsrechner, an den eine Anzahl an Versorgungsleitungen
eines Energieversorgungsbereichs des Energieversorgungsnetzwerks
angeschlossen ist, erfasst wird, welche Einheiten an eine jeweilige
Leitung angeschlossen sind oder werden. Durch den Stromverteilungsrechner
wird weiter ermittelt, welche elektrischen Kenndaten die Einheiten
aufweisen. Die Kenndaten werden an den Bereichsrechner des Energieversorgungsbereichs
zur weiteren Verarbeitung übertragen.
Als Kenndaten können
unter anderem physikalische Daten einer Versorgungsleitung, und/oder
der Stromfluss auf einer angeschlossenen Versorgungsleitung ermittelt
werden. Der Bereichsrechner kann die ihm von einem oder mehreren
Stromverteilungsrechnern zur Verfügung stehenden Kenndaten wiederum
an sog. Geräterechner,
welche einer jeweiligen Einheit zugeordnet sind, übertragen.
Vom Bereichsrechner aus gesteuert können die Stromverteilungsrechner
die Versorgungsleitungen öffnen
und schließen.
Die Stromverteilungsrechner können
z. B. in einem intelligenten Schutzrelais integriert sein.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Geräterechner, der einer jeweiligen
Einheit zugeordnet ist, Authentisierungsinformationen und die für die priorisierte
Stromversorgung notwendigen Kenndaten der Einheit an den Bereichsrechner
des Energieversorgungsbereichs überträgt, in dem
die Einheit angeordnet ist. Zweckmäßigerweise handelt der Geräterechner
für die
ihm zugeordnete Einheit die Versorgungsklasse mit dem Bereichsrechner
rechnergestützt,
und damit automatisiert, aus. Es ist dabei vorgesehen, dass eine
Versorgungsklasse mit niedrigster Priorität immer garantiert wird.
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Die
von dem Geräterechner
ermittelten Kennwerte der ihm zugeordneten Einheit können statische
elektrische Geräteanschlusswerte
und die Kennung(en) des bzw. der letzten Gliedes bzw. Glieder des
Energieversorgungsnetzwerkes umfassen. Die vereinbarten Versorgungsklassen
können
z. B. eine Energielast oder einen Energieeinspeisungsfaktor pro
Versorgungsklasse in Abhängigkeit
gegebenenfalls weiterer Faktoren, wie z. B. aktueller Gerätezustand,
Tageszeit, Datum, umfassen.
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Die
ausgehandelten, und gegebenenfalls signierten, Stromversorgungsregeln
werden in dem Bereichsrechner gespeichert. Das initiale Aushandeln
der Stromversorgungsregeln erfolgt automatisiert, entweder unter
Verwendung einer generischen gerätetypischen
Konfiguration, welche z. B. herstellerseitig in der Einheit implementiert
ist, oder anhand von Benutzerspezifisch gesetzten Konfigurationswerten.
Durch den Geräterechner
kann ein Erfolg oder Misserfolg des Aushandlungsprozesses signalisiert
werden. Hierbei soll dann zumindest die Stromversorgung in niedrigster
Priorität
immer garantiert sein.
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Eine
Neuaushandlung der Stromversorgungsregeln ist nach Ablauf einer
bestimmten Zeitfrist immer wieder möglich. Diese kann beispielsweise
durch den Bereichsrechner konfiguriert sein.
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Der
Geräterechner
regelt nach Abschluss der Aushandlungen den Stromfluss in bzw. aus
der angeschlossenen Einheit entsprechend der vereinbarten Stromversorgungsregeln
für die
Einheit. Zusätzlich
kann der Geräterechner
aktuelle Zustandsdaten messen und diese an den Bereichsrechner übermitteln.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
ist ein jeweiliger Energieversorgungsbereichsrechner an Übergängen zwischen
miteinander verbundenen Energieversorgungsbereichen vorgesehen,
welche einen Stromfluss in und/oder aus den Energieversorgungsbereichen überwachen
und in Abhängigkeit
von Stromversorgungszusagen regeln. Die Energieversorgungsbereichsrechner
können
von dem Bereichsrechner des eigenen Energieversorgungsbereichs berechtigt
werden, Versorgungszusagen mit anderen Energieversorgungsbereichen
abzuschließen.
Die Energieversorgungsbereichsrechner überwachen und limitieren daraufhin
den Stromfluss in bzw. aus den angeschlossenen Energieversorgungsbereichen
entsprechend. Energieversorgungs bereichsrechner können aggregierte
Zustandsinformationen von verbundenen Energieversorgungsbereichen
abrufen und an den zuständigen
Bereichsrechner übermitteln.
Im Gegenzug können
von dem Bereichsrechner aggregierte Zustandsinformationen des ihm
zugeordneten Energieversorgungsbereichs zur Verfügung gestellt werden.
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Von
der Erfindung ist ferner ein Computerprogrammprodukt umfasst, das
direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen
werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte
gemäß den vorherigen
Ansprüchen ausgeführt werden,
wenn das Produkt auf einem Computer läuft.
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Die
Erfindung umfasst ferner ein System zur Steuerung der Lastverteilung
in einem Energieversorgungsnetzwerk. Das Energieversorgungsnetzwerk
umfasst folgende Einheiten: ein oder mehrere Energieerzeuger zur
Erzeugung von Energie und zur Einspeisung der Energie in das Energieversorgungsnetzwerk,
und/oder ein oder mehrere Energieverbraucher zum Beziehen und Verbrauchen
von Energie aus dem Energieversorgungsnetzwerk, und/oder einen oder
mehrere Energiespeicher zum Zwischenspeichern von in dem Energieversorgungsnetz
bereitgestellter Energie oder zum Abgeben von in dem Energiespeicher
enthaltener Energie in das Energieversorgungsnetzwerk. Den Einheiten
sind jeweils eine oder mehrere Versorgungsklassen mit vorgegebener
Priorität
zugewiesen. Das System umfasst ein Mittel zur Steuerung, das auf
Basis der jeweiligen Versorgungsklassen eine rechnergestützte Steuerung
der Energieerzeuger oder der Energiespeicher in Bezug auf die Energieeinspeisung
und/oder der Energieverbraucher in Bezug auf den Energieverbrauch
und/oder der Energiespeicher in Bezug auf die Energieaufnahme vornehmen
kann.
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Mit
dem erfindungsgemäßen System
sind die gleichen Vorteile verbunden, wie sie vorstehend in Verbindung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert
wurden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Bereichsrechner für ein System
zur Steuerung der Lastverteilung in einem Energieversorgungsnetzwerk
der vorstehend beschriebenen Art vorgesehen, der ein Mittel umfasst,
das die Stromversorgung gemäß der Zuweisung
der Einheiten zu den Versorgungsklassen in einem Energieversorgungsbereich
des Energieversorgungsnetzwerks überwacht
und steuert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Stromverteilungsrechner für ein System zur
Steuerung der Lastverteilung in einem Energieversorgungsnetzwerk
gemäß der vorstehend
beschriebenen Art umfasst, an den eine Anzahl an Versorgungsleitungen
eines Energieversorgungsbereichs des Energieversorgungsnetzwerks
anschließbar
sind. Der Stromverteilungsrechner umfasst ein erstes Mittel zur
Erfassung, welche Einheiten an eine jeweilige Leitung angeschlossen
sind oder werden. Es ist ein zweites Mittel vorgesehen zur Ermittlung, welche
elektrischen Kenndaten die Einheiten aufweisen. Es ist ein drittes
Mittel zur Übertragung
der Kenndaten an einen Bereichsrechner des Energieversorgungsbereiches
zu weiteren Arbeiten vorgesehen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Geräterechner für ein System zur Steuerung
der Lastverteilung in einem Energieversorgungsnetzwerk gemäß der vorstehend
beschriebenen Art umfasst, der einer jeweiligen Einheit des Energieversorgungsnetzwerks
zugeordnet ist, mit einem Mittel zur Übertragung von Authentisierungsinformationen
und von für
die priorisierte Stromversorgung notwendigen Kenndaten der jeweiligen
Einheit an einen Bereichsrechner eines Energieversorgungsbereichs,
in dem die Einheit angeordnet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Energieversorgungsbereichsrechner
für ein
System zur Steuerung der Lastverteilung in einem Energieversorgungsnetzwerk
der oben beschriebenen Art umfasst, welcher an Übergängen zwischen miteinander verbundenen
Energieversorgungsbereichen des Energieversorgungsnetzwerks vorgesehen
ist, welcher ein Mittel zur Überwachung eines
Stromflusses in und/oder aus den Energieversorgungsbereichen und
ein Mittel zur Regelung des Stromflusses in Abhängigkeit von Stromversorgungszusagen
umfasst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
anhand einer Figur erläutert.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung ein Energieversorgungsnetzwerk
ENW.
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Das
Energieversorgungsnetzwerk ENW umfasst exemplarisch hierarchisch
gegliederte Energieversorgungsbereiche D1, D1.1, D1.1.1, sowie hierarchisch
auf einer Ebene befindliche und benachbarte Energieversorgungsbereiche
D1.1.1.1 bis D1.1.1.4. Der Energieversorgungsbereich D1 umfasst
sämtliche
einer Hochspannungs-Ebene zugeordneten Einheiten. Der hierarchisch
unter dem Energieversorgungsbereich D1 angeordnete Energieversorgungsbereich
D1.1 umfasst beispielsweise sämtliche
Einheiten einer Mittelspannungs-Ebene. Diesem Energieversorgungsbereich
D1.1 ist der Energieversorgungsbereich D1.1.1 untergeordnet, welcher
sämtliche
Einheiten eines Niederspannungs-Verteilnetzes umfasst. In dem Energieversorgungsbereich
D1.1.1 sind die hierarchisch nebeneinander angeordneten Energieversorgungsbereiche
D1.1.1.1 bis D1.1.1.4 angeordnet, welche beispielsweise Betriebe,
Haushalte oder elektrisch komplexe Geräte darstellen.
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Das
Energieversorgungsnetzwerk ENW umfasst eine Vielzahl an Energieerzeugern
EE, Energieverbrauchern EV und Energiespeichern ES, welche über Versorgungsleitungen
EL (durchgezogene Linien) elektrisch miteinander verbunden sind.
Jeder Energiespeicher ES stellt einen Energieerzeuger dar, wenn
dem Energiespeicher Energie entnommen und in das Energieversorgungsnetzwerk
ENW eingespeist wird. In entgegengesetzter Weise stellt ein Energiespeicher
ES einen Energieverbraucher dar, wenn dieser aus dem Energieversorgungsnetzwerk Energie
bezieht, um diese für
eine spätere
Entnahme zwischenzuspeichern. Die Energieerzeuger EE, Energieverbraucher
EV und Energiespeicher ES können
in dem Energieversorgungsnetzwerk ENW in beliebiger Weise verteilt
sein und demgemäß wahlweise
in einem der beschriebenen Energieversorgungsbereiche angeordnet
sein. Kennzeichen des in der Figur dargestellten Energieversorgungsnetzwerks ENW
ist eine dezentrale Energieeinspeisung, insbesondere auch in den
hierarchisch unteren Energieversorgungsbereichen.
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Um
eine automatische Anpassung der Regelung des Energieversorgungsnetzwerks
zur Steigerung der Netzwerkseffizienz zu erzielen, ist vorgesehen,
jeder der Einheiten (Energieerzeuger EE, Energieverbraucher EV und
Energiespeicher ES) Versorgungsklassen mit vorgegebener Priorität zuzuweisen.
Einheiten, die eine Strombereitstellung garantieren können (wie
z. B. ein zentrales Kraftwerk) sowie Energieverbraucher, welche
eine 100%-ige Versorgungswahrscheinlichkeit benötigen, wird eine Versorgungsklasse
mit höchster
Priorität
zugewiesen. Einheiten, welche eine Strombereitstellung nicht garantieren
können
(z. B. aufgrund der Nichtverfügbarkeit
von Generatoren aufgrund von Wartung, bei regenerativen Energiequellen
usw.) oder Energieverbrauchern, bei welchen eine Versorgung zu bestimmten
Zeitpunkten nicht notwendig ist, wird eine Versorgungsklasse mit
geringerer Priorität
zugewiesen. Die Erfindung sieht vor, dass zumindest zwei Versorgungsklassen
zur Anwendung gelangen, von denen eine Versorgungsklasse eine Priorität umfasst,
die einer 100%-Versorgungswahrscheinlichkeit entspricht. Optional
sind beliebige zusätzliche
Versorgungsklassen mit gestaffelten Prioritäten, d. h. geringeren Versorgungswahrscheinlichkeiten,
denkbar.
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Um
die priorisierte Stromversorgung zu gewährleisten sind folgende Funktionalitäten in dem Energieversorgungsnetzwerk
vorgesehen:
- – Klassierung und Bestimmung
der Anteile am generierten Strom in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit
ihrer Verfügbarkeit,
wobei eine sichere Verfügbarkeit
einen Stromanteil hoher Priorität
und eine geringere Verfügbarkeit
einen Stromanteil niedriger Priorität umfasst;
- – automatische
Erfassung der Topologie des Energieversorgungsnetzwerks;
- – automatisches
Aushandeln von Versorgungszusagen in feiner Granularität;
- – Bestimmung
aktueller Verbrauchsdaten in feiner Granularität;
- – Ausbalancieren
von Energieerzeugung und Energieverbrauch durch die Kontrolle des
Stromflusses in Versorgungsleitungen und an Übergängen von Energieversorgungsbereichen
in Kombination mit der Steuerung von Energieverbrauchern, Energieerzeugern
und Energiespeichern.
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Die
dazu notwendigen funktionellen Komponenten, die nachfolgend näher erklärt werden,
sind in dem Energieversorgungsnetzwerk verteilt und stehen untereinander
in Kommunikationsverbindung (angedeutet durch Kommunikationskanäle KK mit
einer strichpunktierten Linie).
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Zur
Durchführung
des Verfahrens notwendige Konfigurationen erfolgen getrennt für jeden
der Energieversorgungsbereiche D1, D1.1, D1.1.1, D1.1.1.1 bis D1.1.1.4.
Hierbei können über- bzw. untergeordnete
Energieversorgungsbereiche keinen direkten Einfluss auf lokale Kontrolldaten
nehmen. Sofern ein Datenaustausch zwischen den einzelnen Energieversorgungsbereichen
erfolgt, wird dies in aggregierter und gefilterter Form realisiert.
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Jeder
Energieversorgungsbereich, der als eigene Einheit gesteuert wird,
verfügt über folgende generische
IT-Komponenten:
- – einen
Bereichsrechner DOC, der pro Energieversorgungsbereich einmal vorgesehen
wird;
- – eine
Anzahl an Geräterechnern
DEC, die im Idealfall an jeder Einheit des Energieversorgungsbereichs
vorgesehen sind;
- – ein
Energieversorgungsbereichsrechner GW, der auch als Gateway bezeichnet
werden kann und optional an Übergän gen zu
benachbarten bzw. über-
bzw. untergeordneten Energieversorgungsbereichen vorgesehen ist;
- – einen
Stromverteilungsrechner SW, der optional z. B. an Stromverteilelementen
des Energieversorgungsbereichs vorgesehen ist.
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Jeder
der Bereichsrechner DOC ist verantwortlich für die Umsetzung der priorisierten
Stromversorgung in dem ihm zugeordneten Energieversorgungsbereich.
Hierfür
verfügt
jeder Bereichsrechner DOC über
die notwendigen Daten des betreffenden Energieversorgungsbereichs,
nämlich
Daten über die
Topologie des Energieversorgungsbereichs, Daten über ausgehandelte Versorgungszusagen
und Zustandsdaten des Energieversorgungsbereichs.
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Die
Topologiedaten des Energieversorgungsbereichs repräsentieren
die Struktur des Versorgungsleitungsnetzes sowie statische Gerätewerte (z.
B. elektrische Anschlusswerte bzw. Nennwerte von Energieverbrauchern,
Energieerzeugern oder Energiespeichern sowie deren Lage/Position
in dem Energieversorgungsbereich) der Einheiten in dem betreffenden
Energieversorgungsbereich. Die Struktur des Leitungsnetzes kann
hierbei durch Datenaustausch zwischen jeweiligen Stromverteilungsrechnern
SW und dem Bereichsrechner DOC automatisch erkannt werden. Um Veränderungen
der Topologiedaten während
des Betriebs des Energieversorgungsnetzwerks aufgrund von ausfallenden
Einheiten oder entfernten oder hinzugefügten Einheiten erkennen zu
können,
ist vorgesehen, dass der Bereichsrechner DOC pro-aktiv periodisch
die Gerätewerte
abruft, um die Topologiedaten für
den Energieversorgungsbereich pflegen zu können.
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Versorgungszusagen
für jeweilige
Einheiten des Energieversorgungsbereichs werden mit den innerhalb
des Energieversorgungsbereichs angeschlossenen Einheiten ausgehandelt.
Hierzu tauscht der Bereichsrechner DOC über eine Kommunikationsverbindung
mit den jeweiligen Geräterechnern DEC
der Einheiten Daten aus (vgl. Kommunikationskanäle KK). Versorgungszusagen benachbarter
bzw. über-
oder untergeordneter Energieversorgungsbereiche werden darüber hinaus
zwischen den jeweiligen Bereichsrechnern DOC ausgetauscht.
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Zustandsdaten
werden neben statischen und topologiebezogenen Informationen von
anderen, verteilten Einheiten ermittelt. Zustandsdaten umfassen
z. B. einen aktuellen Stromfluss in jeweilige oder aus jeweiligen
Einheiten, eine aktuelle Erzeugungs-/Speicherkapazität jeweiliger
Einheiten, aktuelle Stromflussdaten in einem Energieversorgungsbereich,
aktuelle Stromflussdaten aus oder in benachbarte und über- bzw.
untergeordnete Energieversorgungsbereiche.
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Jeder
Bereichsrechner DOC nutzt die Topologiedaten, Versorgungszusagen
und Zustandsdaten bei der Umsetzung der priorisierten Stromversorgung durch
geeignete Steuerung der innerhalb des Energieversorgungsbereichs
angeschlossenen Einheiten. Die Umsetzung der Priorisierung erfolgt
durch eine Mischung aus direkter Kontrolle der Versorgungsleitungen
EL innerhalb des Energieversorgungsbereichs (mit Hilfe der Stromverteilungsrechner
SW) und einer nachgelagerten adaptiven Kontrolle durch sog. „vertrauenswürdige Geräte". Vertrauenswürdige Geräte sind
Einheiten, die mit einem Geräterechner
DEC ausgerüstet
sind oder aber Bereichsrechner von untergeordneten Energieversorgungsbereichen.
Bei solchen vertrauenswürdigen Einheiten
ist sichergestellt, dass diese sich gemäß den vereinbarten Priorisierungsregeln
(sog. Polocies) verhalten, d. h. dass sie in Abhängigkeit vom Versorgungsnetzzustand
eine entsprechende Strommenge aufnehmen oder abgeben. Die Vertrauenswürdigkeit
unter den Einheiten des Energieversorgungsnetzwerks ENW kann durch
bekannte Authentisierungsmechanismen sichergestellt werden. Solche
sind beispielsweise PKI(Public Key Infrastructure)-Verfahren.
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Es
muss jedoch auch davon ausgegangen werden, dass in dem Energieversorgungsnetzwerk ENW
nicht nur vertrauenswürdige
Einheiten angeschlossen sind. Daher werden die von vertrauenswürdigen Einheiten
an einen jeweiligen Bereichsrechner DOC übertragenen Daten verglichen
mit aktuell gemessenen Versorgungsleitungsdaten. Bei Auftreten einer
Diskrepanz werden von dem Bereichsrechner DOC dann entsprechende
Abhilfemaßnahmen
getroffen. So können
Versorgungsleitungen ab einem bestimmten Diskrepanzwert mit Hilfe
der Stromverteilungsrechner von benachbarten und/oder über- bzw.
untergeordneten Energieversorgungsbereichen abgekoppelt werden.
Dabei kann ein tolerierter Diskrepanzschwellwert in Abhängigkeit vom
Zustand des Energieversorgungsnetzwerks unterschiedlich sein.
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Die
Stromverteilungsrechner SW stellen intelligente Stromverteiler in
dem Energieversorgungsnetzwerk ENW dar. An jeden der Stromverteilungsrechner
können
mehrere Versorgungsleitungen EL angeschlossen sein oder werden.
Wird ein Stromverteilungsrechner SW an eine Versorgungsleitung EL angeschlossen,
so erfasst dieser selbständig,
welche Einheiten bereits an der betreffenden Versorgungsleitung
EL angeschlossen sind. Unter Umständen misst er hierbei bereits
physikalische Leitungsdaten, wie z. B. die Impedanz. Im Anschluss
daran werden die durch den Stromverteilungsrechner SW gewonnenen
Informationen an den Bereichsrechner DOC des betreffenden Energieversorgungsbereichs übermittelt.
Der Bereichsrechner DOC verwendet diese Daten für die Erstellung der Topologie
des Energieversorgungsbereichs und übermittelt daraufhin spezifische
Leitungskennungen (z. B. eine Leitungs-ID) an den Stromverteilungsrechner
SW. Der Stromverteilungsrechner SW setzt dann für jeden seiner aktiven Versorgungsleitungs-Ports
energieversorgungsbereichspezifische Leitungskennungen. Daraufhin
signalisiert der Stromverteilungsrechner SW die für den Energieversorgungsbereich
spezifischen Leitungskennungen an alle angeschlossenen Geräterechner
DEC an allen von dem Stromverteilungsrechner SW ausgehenden Versorgungsleitungen. Hierdurch
ist eine automatische Bestimmung der Topologie eines Energieversorgungsbereichs
mit Hilfe der Stromverteilungsrechner SW möglich.
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Darüber hinaus
messen die Stromverteilungsrechner SW den aktuellen Stromfluss aus
den von ihnen ausgehenden Versorgungs leitungen und übermitteln
die gewonnenen Daten an den Bereichsrechner DOC. Nachdem Letzterer
für die
Steuerung des Energieversorgungsbereichs verantwortlich ist, wird
ein eventuelles Öffnen
und/oder Schließen
der Versorgungsleitungen, was durch den Stromverteilungsrechner
SW durchgeführt
wird, unter Kontrolle des Bereichsrechners DOC durchgeführt.
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Die
Stromverteilungsrechner SW können beispielsweise
in einem intelligenten Schutzrelais integriert sein.
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Jeder.
der Geräterechner
DEC meldet sich bei Anschluss an einen jeweiligen Energieversorgungsbereich
bei dessen Bereichsrechner DOC an. Dies bedeutet, zwischen dem Bereichsrechner
und den Geräterechnern
DEC eines jeweiligen Energieversorgungsbereichs existiert ein Kommunikationskanal
KK. Der Geräterechner
DEC übermittelt
Authentisierungsinformationen und für eine priorisierte Stromversorgung
notwendige Kennwerte, deren Integrität anhand der Authentisierungsinformation überprüft werden
kann. Die Kennwerte umfassen statische elektrische Anschlusswerte
oder Kennwerte zeitlicher Natur sowie Kennung(en) der letzten Einheit
bzw. der letzten Einheiten des Versorgungsleitungsnetzwerks, über das
der Anschluss erfolgt. Ferner werden Versorgungszusagen für das angeschlossene
Gerät,
dem ein Geräterechner
DEC zugeordnet ist, mit dem Bereichsrechner DOC ausgehandelt. Die
vereinbarten Priorisierungsregeln, die für die betreffende Einheit gelten
sollen, umfassen beispielsweise einen Energielastfaktor bzw. einen Energieeinspeisungsfaktor
pro Versorgungsklasse in Abhängigkeit
gegebenenfalls weiterer Faktoren. Diese weiteren Faktoren können ein
aktueller Gerätezustand,
eine Tageszeit oder ein Datum sein.
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Die
ausgehandelten und signierten Stromversorgungsregeln werden in dem
Bereichsrechner DOC gespeichert. Das initiale Aushandeln der Stromversorgungsregeln
erfolgt automatisiert. Dies kann entweder unter Verwendung einer
generischen gerätetypischen
Konfiguration, welche herstellerseitig permanent in der dem Geräterechner
DEC zugeordneten Einheit gespeichert ist, oder anhand von benutzerspezifisch
gesetzten Konfigurationswerten erfolgen. Der Geräterechner DEC signalisiert
einen Benutzererfolg bzw. Misserfolg des Aushandlungsprozesses.
Hierdurch ist sichergestellt, dass zumindest die Stromversorgung
in einer niedrigsten Versorgungsklasse (mit niedrigster Priorität) immer
garantiert ist.
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Eine
Neuaushandlung von Stromversorgungsregeln ist nach Ablauf einer
vorgegebenen, konfigurierbaren Zeitfrist möglich. Die Zeitfrist kann beispielsweise
durch den Bereichsrechner DOC konfiguriert sein oder werden.
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Der
Geräterechner
DEC regelt nach Abschluss der Aushandlung der Versorgungsklasse
den Stromfluss in bzw. aus einer angeschlossenen Einheit entsprechend
den vereinbarten Stromversorgungsregeln. Zusätzlich misst dieser aktuelle
Zustandsdaten und übermittelt
diese an den Bereichsrechner DOC.
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Die
Geräterechner
DEC können
beispielsweise in Netzteile der Einheiten integriert werden.
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Die
Energieversorgungsbereichsrechner GW sind an den Übergängen zwischen
benachbarten oder verbundenen Energieversorgungsbereichen vorgesehen.
Diese regeln die Beziehungen zwischen benachbarten sowie zu über- bzw.
untergeordneten Energieversorgungsbereichen. Die Energieversorgungsbereichsrechner
GW werden von dem Bereichsrechner DOC des eigenen Versorgungsbereichs
berechtigt, Versorgungszusagen mit anderen Energieversorgungsbereichen
abzuschließen.
Dies wird an den Bereichsrechner DOC übermittelt. Die Energieversorgungsbereichsrechner
GW überwachen
und limitieren daraufhin gegebenenfalls den Stromfluss in bzw. aus
den angeschlossenen Energieverbrauchsbereichen entsprechend. Die
Energieversorgungsbereichsrechner GW rufen ferner aggregierte Zustandsinformationen
von verbundenen Energieversorgungsbereichen (d. h. deren Bereichsrechner
DOC) ab und übermitteln
diese an ihren Bereichsrechner DOC. Im Gegenzug werden über den Energieversorgungsbereichsrechner
GW von dem Bereichsrechner DOC aggre gierte Zustandsinformationen
des eigenen Energieversorgungsbereichs den anderen, angeschlossenen
Energieversorgungsbereichen zur Verfügung gestellt.
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Die
oben beschriebenen, funktionalen Komponenten können auch in einzelnen physikalischen Komponenten
kombiniert werden. So können
beispielsweise die funktionalen Komponenten Energieversorgungsbereichsrechner
GW und Bereichsrechner DOC in einem sog. „Smart Meter", d. h. einem intelligenten
Stromzähler,
kombiniert integriert sein.
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Das
der Erfindung zu Grunde liegende Vorgehen besteht darin, bekannte
Technologien aus dem Bereich von Telekommunikationsnetzwerken, wie
z. B. Quality of Service QoS oder Differentiated Services, und von
Telekommunikations-Lösungen, wie
z. B. PKI-Infrastruktur, Adressierung von Einheiten in einem Netzwerk,
abzuleiten und angepasst auf ein Energieversorgungsnetzwerk anzuwenden.
Hierdurch ergeben sich unter Verwendung generischer Komponenten
skalierbare durchgängige
IT-Lösungen
auch für
große,
hierarchisch gegliederte und verteilte Stromversorgungsnetze, welche
sich sukzessiv aufbauen und erweitern lassen. Hierdurch kann eine priorisierte
Stromversorgung bzw. -generierung automatisiert gesteuert werden.