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Die Erfindung betrifft die Steuerung eines Energienetzes. Insbesondere betrifft die Erfindung die Behandlung einer Unterversorgung in einem Energienetz.
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Ein Energienetz umfasst üblicherweise mehrere Energieerzeuger und mehrere Energieverbraucher. Üblicherweise spricht man von einem Inselnetz, wenn das Energienetz nicht mit weiteren Energienetzen gekoppelt ist und die Energieerzeuger und Verbraucher im Wesentlichen bekannt sind. Die Energieerzeuger können unterschiedlichen Typs sein, sodass für sie unterschiedliche Einschränkungen gelten. Bestimmte Arten von Energieerzeugern wie beispielsweise ein Kernkraftwerk sind am besten dazu geeignet, eine konstante Energiemenge bereitzustellen. Andere Arten von Energieerzeugern, beispielsweise ein Wasserkraftwerk mit einem Stausee, kann leichter an sich ändernde Anforderungen im Energienetz angepasst werden. Wieder andere Energieerzeuger, insbesondere solche, die auf regenerativen Energien basieren, wie einer Fotovoltaikanlage oder ein Windkraftwerk, können von einem Tag-Nacht-Zyklus oder lokalen Wetterbedingungen abhängig sein. Häufig sind die Energieerzeuger mittels eines Energiespeichers, der Energie zwischenspeichern kann, miteinander gekoppelt.
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Um die Energieerzeuger geeignet steuern zu können, wird versucht, eine Prognose von Energienachfragen der Verbraucher und eine weitere Prognose der Leistungsfähigkeit der Energieerzeuger zu erstellen. Auf der Basis dieser Prognosen können dann Leistungsvorgaben für die Energieerzeuger erstellt werden, sodass diese zur Bereitstellung einer ausreichenden Leistung angesteuert werden.
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Es ist bekannt, die Bestimmung der Leistungsvorgaben als Optimierungsproblem mittels mathematischer oder informatischer Ansätze, beispielsweise der gemischt-ganzzahligen Programmierung (Mixed Integer Linear Programming, MILP), durchzuführen. Dabei werden Leistungsvorgaben bestimmt, die sicherstellen, dass die Summe der durch die Energieerzeuger bereitgestellten Energieangebote der Summe der durch die Energieverbraucher benötigten Energienachfragen entspricht. Einige Ansätze nehmen implizit an, dass diese Bedingung stets erfüllt ist oder fehlende Energie kurzfristig extern bezogen werden kann, was häufig nicht der Realität entspricht. Andere Arbeiten stellen den Kosten für die Energieerzeugung einen Wert der versorgbaren Lasten gegenüber. Die Optimierung wird dann dahingehend durchgeführt, dass der Gesamtwert der versorgbaren Lasten möglichst weit über den dazu erforderlichen Energieerzeugungskosten liegt. Dies führt dazu, dass zu jedem Zeitpunkt Lasten abgeworfen werden können, auch wenn dies nicht zwingend notwendig wäre. Außerdem ist die Parametrisierung dieses Ansatzes in der Realität häufig schwierig, da für jede Last ein geeigneter Gegenwert festzulegen ist
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Es ist daher wünschenswert, eine Technik bereitzustellen, mit der eine Unterversorgung von Energieverbrauchern in einem Energienetz durch Energieerzeuger in dem gleichen Energienetz möglichst frühzeitig festgestellt werden kann. Idealerweise kann auf der Basis der Feststellung geeignet eingegriffen werden, um die Menge bereitgestellter Energie zu erhöhen oder die Menge der angeforderten Energie zu senken, sodass die Unterversorgung ausbleibt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Energienetz umfasst wenigstens einen Energieerzeuger und wenigstens einen Energieverbraucher. Ein Verfahren zum Vorhersagen einer Unterversorgung in dem Energienetz umfasst Schritte des Erfassens von diskreten Zeitschritten, die zwischen einem Jetzt-Zeitpunkt und einem vorbestimmten Planungshorizont liegen, des Erfassens einer ersten Prognose eines potenziellen Energieangebots des Energieerzeugers für jeden Zeitschritt, des Erfassens einer zweiten Prognose einer Energienachfrage des Energieverbrauchers für jeden Zeitschritt, des Bestimmens einer Leistungsvorgabe für den Energieerzeuger in jedem Zeitschritt mittels eines gemeinsamen mathematischen Modells unter der Bedingung, dass in jedem Zeitschritt die Energienachfrage im Wesentlichen so groß wie das Energieangebot ist, und des Ausgebens eines Signals, falls keine passende Leistungsvorgabe mittels des mathematischen Modells gefunden werden konnte.
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Als mathematisches Modell kann insbesondere MILP verwendet werden, das als Werkzeug erhältlich ist, um beliebige Optimierungsaufgaben zu lösen. Das Werkzeug umfasst üblicherweise ein Computerprogramm, das auf einem programmierbaren Computer ausgeführt wird. Solche Werkzeuge, die mathematische Optimierungsmodelle implementieren, können aber nicht blind für beliebige Problemstellungen verwendet werden. Es ist vielmehr nötig, ein vorliegendes Problem geeignet für das Werkzeug zu formulieren, um ein brauchbares Ergebnis des Werkzeugs in annehmbarer Zeit zu erhalten. Die bloße Verwendung eines mathematischen Modells bzw. eines darauf aufbauenden Werkzeugs ist daher nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, vielmehr wird das beschriebene Werkzeug in dem angegebenen Verfahren lediglich exemplarisch verwendet.
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Im Allgemeinen wird die Bedingung, dass die Energienachfrage im Wesentlichen so groß wie das Energieangebot ist, umgesetzt, indem Gleichheit der Energien gefordert wird. Abweichungen in die eine oder andere Richtung können jedoch toleriert werden, wenn sie das Gesamtergebnis des Verfahrens nicht verfälschen. Das ist üblicherweise bei einer Abweichung von < 10%, bevorzugt < 5%, noch weiter bevorzugt < 2% der Fall. In einer Ausführungsform kann auch gefordert werden, dass die Energienachfrage höchstens so groß wie das Energieangebot sein soll.
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Das Verfahren kann insbesondere in einem Inselnetz eingesetzt werden, wobei auch mehrere Energieerzeuger oder mehrere Energieverbraucher vorgesehen sein können. Durch das Verfahren kann bestimmt werden, ob innerhalb des Planungshorizonts eine Unterversorgung droht oder nicht. Droht keine Unterversorgung, so bestimmt das MILP automatisch eine Leistungsvorgabe, die durch den Energieerzeuger eingehalten werden kann. Kann keine Lösung gefunden werden, so ist offenbar, dass eine Unterversorgung auf der Basis der Prognosen ohnehin droht, unabhängig davon, welche Leistungsvorgabe dem Energieerzeuger gestellt wird. Durch die Vorhersage können Maßnahmen eingeleitet werden, um die drohende Unterversorgung abzuwenden. Beispielsweise kann ein zusätzlicher Energieerzeuger in das Energienetz aufgenommen werden oder die Energieaufnahme des Energieverbrauchers kann gesenkt werden (Lastabwurf).
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Bevorzugterweise wird mittels des Verfahrens auch der früheste Zeitschritt bestimmt und ausgegeben, für den keine passende Leistungsvorgabe gefunden werden kann. Die Vorhersage der drohenden Unterversorgung kann auf diese Weise zeitlich konkretisiert werden. Insbesondere wird dadurch bekannt, wie viel Zeit zur Einleitung von Gegenmaßnahmen zur Abwendung der drohenden Unterversorgung noch verbleibt. Die technischen Maßnahmen zur Abwendung der Unterversorgung können auf dieser Basis verbessert geplant und eingesetzt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Bestimmen des frühesten Zeitschritts, für den keine passende Leistungsvorgabe gefunden werden kann, mittels des mathematischen Modells ohne Beachten der Bedingung durchgeführt wird.
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Durch das Außerkraftsetzen der Bedingung erfolgt eine Entspannung (Relaxation) des mathematischen Modells. Die Leistungsvorgabe wird nun dahingehend bestimmt, den prognostizierten Energieverbrauch nicht mehr unter allen Umständen, sondern nur noch so gut wie möglich zu bestimmen. Die Leistungsvorgabe für den Energieerzeuger kann dadurch so gestaltet werden, dass die drohende Unterversorgung erst in einem möglichst entfernten Zeitschritt erfolgt.
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In einer Ausführungsform werden Bestimmungen des mathematischen Modells in der Reihenfolge von am weitesten entfernten Zeitschritt bis zum Jetzt-Zeitpunkt nacheinander durchgeführt. Dadurch kann der nächstliegende Zeitschritt, für den keine passende Leistungsvorgabe gefunden werden kann, einfach identifiziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Bestimmen jedoch mittels binärer Suche und Bestimmen, mittels des mathematischen Modells, einer passenden Leistungsvorgabe für zusammenhängende Gruppen von Zeitschritten. Dieses Verfahren ist auch als Binärsuche oder sukzessive Approximation bekannt. Insbesondere dann, wenn die Zahl der Zeitschritte groß ist, kann der nächstliegende Zeitschritt, für den keine passende Leistungsvorgabe gefunden werden kann, beschleunigt bzw. mit verringertem Aufwand gefunden werden.
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Es ist bevorzugt, dass für das Bestimmen des frühesten Zeitpunkts, für den keine passende Leistungsvorgabe gefunden werden kann, das Bestimmen mittels des mathematischen Modells als Optimierungskriterium ein Energiedefizit zu minimieren versucht, wobei das Energiedefizit als Differenz zwischen der Energienachfrage und dem Energieangebot definiert ist. Dadurch kann verbessert dafür gesorgt werden, dass der früheste Zeitschritt, für den keine passende Leistungsvorgabe gefunden werden kann, möglichst weit in der Zukunft liegt.
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Je weiter ein Zeitpunkt, auf den sich eine Prognose bezieht, in der Zukunft liegt, desto ungenauer ist üblicherweise die Prognose. Es ist daher bevorzugt, dass die Zeitschritte mit steigendem Abstand von Jetzt-Zeitpunkt größer werden. Die zeitliche Auflösung der Zeitschritte sinkt damit in Richtung des Zeithorizonts ab. Auf diese Weise kann modelliert werden, wie vertrauenswürdig kurz laufende Prognosen bzw. wie wenig vertrauenswürdig lang laufende Prognosen sind. Außerdem kann dadurch die Gesamtzahl der gebildeten Zeitschritte reduziert sein, sodass ein Aufwand zur Durchführung des Verfahrens verkleinert sein kann.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Verfahren periodisch wiederholt und die Ergebnisse aktualisiert werden. Nachdem der durch das Verfahren bearbeitete Zeitraum stets gleich groß ist und sich zwischen dem Jetzt-Zeitpunkt und dem Planungshorizont erstreckt behandeln nacheinander liegende Durchläufe des Verfahrens auch unterschiedliche Zeitintervalle. Das Verfahren kann so rollierend betrieben werden, um das Energienetz verbessert zu überwachen. Wird eine Maßnahme ergriffen, um ein drohendes Energiedefizit abzuwenden, so kann die Maßnahme oder ihr Effekt im Rahmen einer der Prognosen für einen folgenden Durchlauf des Verfahrens bereitstehen, sodass das Verfahren die Effektivität der Maßnahme widerspiegeln kann. Insbesondere kann so bestimmt werden, ob die Maßnahme voraussichtlich dazu ausreicht, das Energiedefizit abzuwenden.
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Der Energieerzeuger kann einer mehreren Einschränkungen unterworfen sein, wobei bevorzugt ist, dass die Einschränkungen als Nebenbedingungen für das mathematische Modell modelliert sind. Dies kann sowohl für den ersten Durchlauf des mathematischen Modells bezüglich aller Zeitschritte als auch für die weiteren Bestimmungen mittels des mathematischen Modells bezüglich einzelner Zeitschritte oder Gruppen von Zeitschritten gelten. Die Einschränkungen können beispielsweise eine technische Rahmenbedingung wie eine minimale oder eine maximale Leistung, eine minimale oder maximale Betriebsdauer eines Generators, eine minimale Abschaltdauer eines Generators, ein Anfahrverhalten eines Generators oder einen anderen Parameter des Energieerzeugers betreffen. Einige dieser Nebenbedingungen können die von den Energieerzeugern bereitgestellten Energien miteinander koppeln, sodass sich die Energien der Energieerzeuger in verstärktem Maß gegenseitig bedingen. Es können auch noch andere Nebenbedingungen für das mathematische Modell vorgegeben sein, um den Betrieb des Energienetzes auf eine bestimmte Weise zu steuern. Beispielsweise können Vorgaben bezüglich einer Zuverlässigkeit oder bezüglich Kosten einer Einrichtung oder einer Infrastruktur vorgegeben sein.
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Der Energieerzeuger kann Energie aus einer regenerativen Quelle bereitstellen. Zu solchen Quellen zählen insbesondere Naturphänomene wie Wetter, Niederschlag, Temperatur oder Gezeiten. Ein regenerativer Energieerzeuger kann insbesondere eine Fotovoltaikanlage, ein Wind- oder Wasserrad, ein Wellenkraftwerk oder ein Gezeitenkraftwerk umfassen.
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In einer Ausführungsform ist im Energienetz ein Energiespeicher vorgesehen, der alternativ als Energieverbraucher oder als Energieerzeuger betrieben werden kann. Ein solcher Energiespeicher kann beispielsweise als Pumpspeicherkraftwerk, als rotierende Schwungmasse oder als elektrochemische Batterie vorgesehen sein. Die Leistungsvorgabe für den Energiespeicher kann daher positiv sein, um Energie aus dem Energiespeicher zu entnehmen, oder negativ, um den Energiespeicher anzufüllen. Charakteristika des Energiespeichers wie ein Wirkungsgrad, ein minimaler Füllstand oder eine Reaktionsgeschwindigkeit können wieder als Nebenbedingungen für das mathematische Modell bereitgestellt sein. Der Energiespeicher kann eine besonders starke Kopplung der durch die anderen Energieerzeuger bereitgestellten Energien bedingen, sodass die Analyse aller Zeitschritte in einem gemeinsamen mathematischen Modell besonders vorteilhaft ist. Die Kopplung kann jedoch auch aus anderen Gründen vorliegen, wie oben ausgeführt ist, sodass die Analyse aller Zeitschritte in einem gemeinsamen Modell nicht auf ein Energienetz mit einem Energiespeicher beschränkt ist.
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Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Verfahren auf einer Ausführungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist.
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Eine Vorrichtung zur Vorhersage einer Unterversorgung in dem oben beschriebenen Energienetz umfasst eine Steuereinrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens und eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe eines Signals, das darauf hinweist, dass keine passende Leistungsvorgabe gefunden werden konnte.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 ein Energienetz mit einer Steuervorrichtung;
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2 eine Veranschaulichung von Zeitschritten eines Zeitintervalls;
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Energienetzes wie dem von 1;
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4 ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Implementation eines Teils des Verfahrens von 2;
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5 Verläufe von beispielhaften Leistungen und Lasten im Energienetz von 1 und
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6 einen Verlauf eines beispielhaften Ladezustands einer Batterie, korrespondierend zu 5
darstellt.
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1 zeigt ein Energienetz 100 mit einer Steuervorrichtung 105. Das Energienetz 100 ist bevorzugterweise ein Inselnetz, das heißt, dass das Energienetz 100 deterministisch behandelt werden kann, insbesondere dass seine Komponenten bekannt und bevorzugterweise beeinflussbar sind. Das Energienetz 100 umfasst einen oder mehrere Energieerzeuger 110 und einen oder mehrere Energieverbraucher 115. Die Energieerzeuger 110 können beispielsweise eine Fotovoltaikanlage 120, einen Windkraftgenerator 125 und/oder ein auf fossiler Energie basierendes Kraftwerk 130 umfassen. Jeder Energieerzeuger 110 kann bestimmten Restriktionen bezüglich seines Betriebs unterworfen sein. Beispielsweise kann für jeden Energieerzeuger 110 eine minimale oder eine maximale Leistung, eine Vorgabe bezüglich eines An- oder Ausschaltverhaltens oder eine andere Vorgabe existieren. Einige der Energieerzeuger 110 können in ihrer Leistungsabgabe zusätzlich von externen Faktoren abhängig sein. Beispielsweise kann die Fotovoltaikanlage 120 vom Grad einer Sonneneinstrahlung oder der Windkraftgenerator 125 von herrschenden Windverhältnissen abhängig sein. Zu den Energieerzeugern 110 kann auch ein Energiespeicher 135 zählen, wobei der Energiespeicher 135 zwischenzeitlich Energie aufnehmen muss und dabei zu den Energieverbrauchern 115 gezählt werden kann. Der Energiespeicher 135 kann beispielsweise eine Anordnung von Batterien zur Speicherung elektrischen Stroms umfassen.
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Die Energieverbraucher 115 können beliebige Verbraucher umfassen, beispielsweise einen industriellen Verbraucher 140 oder einen Privathaushalt 145. Energieerzeuger 110 und Energieverbraucher 115 sind mittels eines üblicherweise elektrischen Netzwerks 150 miteinander verbunden.
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Zur Steuerung des Energienetzes 100 wird üblicherweise versucht, die Energieerzeuger 110 so zu steuern, dass die Summe der durch sie erbrachten Energie der Summe der durch die Energieverbraucher 115 nachgefragten Energie entspricht oder diese übersteigt. Abweichungen können beispielsweise mittels des Energiespeichers 135 ausgeglichen werden. Zum Betrieb des Energienetzes 100 können Betriebskosten berücksichtigt werden, die beispielsweise Kosten für Brennstoff des Kraftwerks 130, Alterungskosten oder Wartungskosten für die Komponenten 120 bis 135 umfassen. Darüber hinaus kann eine Zuverlässigkeit der Steuerung des Energienetzes 100 eine Vorgabe für dessen Steuerung bilden. Ferner können Sicherheitsaspekte, beispielsweise eine Betriebsreserve, eine Energiereserve, eine Redundanz oder ein Kurzschlussstrom einzuhaltende Parameter für die Steuerung des Energienetzes 100 bilden. Üblicherweise kann eine Prognose erstellt werden, wie sich ein Energiebedarf der Energieverbraucher 115 innerhalb eines bevorstehenden, vorbestimmten Planungshorizonts entwickelt. In ähnlicher Weise kann die Leistungsfähigkeit der einzelnen Energieerzeuger 110 innerhalb des Planungshorizonts zumindest ungefähr bestimmt werden. Im Fall von Energieerzeugern 110, die auf regenerative Energiequellen bauen, im vorliegenden Beispiel die Fotovoltaikanlage 120 oder der Windkraftgenerator 125, kann die Prognose auf der Basis einer Wettervorhersage oder einer ähnlichen Vorhersage der zugrunde liegenden Naturkräfte bestimmt werden. Auf der Basis der Prognosen werden Leistungsvorgaben für die einzelnen Energieerzeuger 110 bestimmt, um sicherzustellen, dass die Summe der bereitgestellten Energie möglichst zu jedem Zeitpunkt größer oder gleich der Summe der nachgefragten Energie ist.
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Es wird vorgeschlagen, die Leistungsvorgaben auf der Basis der Prognosen innerhalb des Planungshorizonts mittels einer gemischt-ganzzahligen Programmierung (MILP) als mathematisches Modell zu bestimmen. MILP ist ein bekannter Optimierungsansatz, für den kommerzielle Programme bzw. Verarbeitungseinrichtungen erhältlich sind. Zusätzlich zu einer Lösung wird auch bestimmt, wie weit diese Lösung von einer fiktiven, optimalen Lösung entfernt ist. Die Optimierung kann abgebrochen werden, wenn der Suchraum vollständig durchgearbeitet wurde oder die Qualität der Lösung einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Die Optimierung kann auch nach einer vorbestimmten Zeitdauer beendet werden.
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Es wird weiter vorgeschlagen, die Leistungsvorgaben mittels des mathematischen Modells unter der Bedingung zu bestimmen, dass die Ausgeglichenheit des Energienetzes 100 gewahrt ist, das heißt, dass die bereitgestellte Energie wenigstens so groß wie die nachgefragte Energie ist. Kann auf diese Weise mittels des mathematischen Modells keine Lösung gefunden werden, können also keine passenden Leistungsvorgaben ermittelt werden, die eine zulässige Kombination von Vorgaben für die Energieerzeuger 110 darstellen, so kann im Rahmen der Prognosen vorhergesagt werden, dass innerhalb des Planungshorizonts eine Unterversorgung droht. Die Unterversorgung kann üblicherweise entweder durch Zuziehen eines zusätzlichen Energieerzeugers 110 oder durch Abschalten eines Energieverbrauchers 115 behoben werden.
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Wie unten noch genauer ausgeführt wird, ist weiterhin bevorzugt, dass ein Zeitpunkt oder ein Zeitraum, zu dem die Unterversorgung innerhalb des Planungshorizonts droht, genauer bestimmt wird. Die Bestimmung, ob eine Unterversorgung droht und bevorzugterweise auch die Bestimmung der Leistungsvorgaben wird mittels der Steuervorrichtung 105 durchgeführt. Droht eine Unterversorgung, so wird ein entsprechendes Signal mittels einer Ausgabeeinrichtung 155 ausgegeben. Bevorzugterweise wird mittels der Ausgabeeinrichtung 155 auch ausgegeben, wann die Unterversorgung droht.
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2 zeigt eine Veranschaulichung eines Zeitintervalls 200, das in Zeitschritte 205 unterteilt ist. Das Zeitintervall 200 erstreckt sich zwischen einem Jetzt-Zeitpunkt 210 und einem Planungshorizont 215, dessen zeitlicher Abstand vom Jetzt-Zeitpunkt 210 vorbestimmt ist. Ein üblicher Planungshorizont 215 bestimmt ein Zeitintervall 200 von ca. 24 Stunden. Das bedeutet, dass absolute Start- und Endzeiten des Zeitintervalls 200 vom Jetzt-Zeitpunkt 210 abhängen. Es können beispielsweise ca. 40 bis 50 Zeitschritte 205 in einem Zeitintervall von 24 Stunden vorgesehen sein.
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Es ist bevorzugt, dass die Zeitschritte 205 unterschiedliche Größen haben, wobei die Größen mit steigendem Abstand vom Jetzt-Zeitpunkt 210 ansteigen. Dadurch kann modelliert werden, dass eine Prognose bezüglich des bevorstehenden Energieverbrauchs der Energieverbraucher 115 oder bezüglich der Leistungsfähigkeit der Energieerzeuger 110 üblicherweise an Zuverlässigkeit abnimmt, je weiter sich die Prognose in die Zukunft bezieht. Der am nächsten am Jetzt-Zeitpunkt liegende Zeitschritt kann beispielsweise ca. 30 Sekunden groß sein, während der entfernteste ca. eine Stunde groß sein kann. Die Größen der dazwischen liegenden Zeitschritte 205 können daraus beispielsweise linear oder polynomial bestimmt werden.
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Es wird vorgeschlagen, zunächst mittels des mathematischen Modells Leistungsvorgaben für jeden der Energieerzeuger 110 in jedem der Zeitschritte 205 zu bestimmen, wobei alle Zeitschritte 205 im gleichen Durchlauf des mathematischen Modells behandelt werden. Dabei soll als Bedingung gelten, dass die Summe der durch die Energieerzeuger 110 bereitgestellten Energie in jedem Zeitschritt 205 wenigstens der Summe der durch die Energieverbraucher 115 nachgefragten Energie entsprechen soll. Zusätzliche Randbedingungen, beispielsweise bezüglich Betriebsparametern der einzelnen Energieerzeuger 110 oder Optimierungskriterien, beispielsweise bezüglich Kosten für die Bereitstellung von Energie oder den Betrieb des Energienetzes 100 können durch das mathematische Modell ebenfalls berücksichtigt werden.
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Kann keine Lösung gefunden werden, so wird bevorzugterweise derjenige Zeitschritt 205 bestimmt, zu dem die Summe der Energienachfragen die Summe der bereitgestellten Energie innerhalb des Zeitintervalls 200 frühestens übersteigt.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Steuern eines Energienetzes 100 wie dem aus 1. In einem Schritt 305 wird eine Erzeugerprognose erfasst, das heißt, es wird bestimmt, welche Energie jeder Energieerzeuger 110 innerhalb des Planungshorizonts 215 voraussichtlich bereitstellen kann. In einem Schritt 310 wird eine Verbraucherprognose erstellt, das heißt, es wird bestimmt, wie viel Energie jeder einzelne Energieverbraucher 115 innerhalb des Planungshorizonts 215 voraussichtlich benötigt. Jede Prognose kann optional auch summatorisch, bezogen auf mehrere oder alle Energieerzeuger 110 bzw. mehrere oder alle Energieverbraucher 115 erstellt werden. Optional werden in einem Schritt 315 Einschränkungen oder Randbedingungen erfasst. Dazu kann beispielsweise ein temporärer Ausfall eines der Energieerzeuger 110 während eines Wartungsfensters innerhalb des Planungshorizonts 215 berücksichtigt werden.
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In einem Schritt 320 wird der Planungshorizont 215 erfasst. Der Planungshorizont 215 ist üblicherweise eine konstante Größe, die die Größe des Zeitintervalls 200 bezüglich des Jetzt-Zeitpunkts 210 definiert. In einem Schritt 325 können die Zeitschritte 205 bestimmt werden. Dabei können absolute Grenzen des Beginns und/oder des Endes jedes Zeitschritts 205 bestimmt werden. Diese Bestimmung kann vom absoluten Jetzt-Zeitpunkt 210 abhängig sein. Bevorzugterweise haben die Zeitschritte 205 nicht gleiche, sondern unterschiedliche Größen, wie oben mit Bezug auf 2 genauer beschrieben ist.
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In einem Schritt 330 werden mittels des mathematischen Modells Leistungsvorgaben für die Energieerzeuger 110 bestimmt, wobei als Bedingung gelten soll, dass die Summe der bereitgestellten Energie im Rahmen der erfassten Prognosen die Summe der nachgefragten Energie wenigstens abdecken soll.
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In einem Schritt 335 wird bestimmt, ob mittels des mathematischen Modells eine Lösung gefunden wurde, also eine zulässige Kombination von Leistungsvorgaben für die Energieerzeuger 110 bestimmt werden konnte, die die Bedingung in jedem der Zeitschritte 205 erfüllt. Ist dies der Fall, so wird die Lösung in einem Schritt 340 ausgegeben. Bevorzugterweise werden die Energieerzeuger 110 auf der Basis der Lösung, also auf der Basis der bestimmten Leistungsvorgaben, angesteuert, die jeweiligen Energiemengen bereitzustellen. Diese Vorgaben sind üblicherweise in Form von Verläufen bereitgestellt, die sich über das Zeitintervall 200 bis zum Planungshorizont 215 erstrecken.
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Konnte im Schritt 335 jedoch keine Lösung gefunden werden, so wird bevorzugterweise in einem Schritt 350 bestimmt, in welchem der Zeitschritte 205 zuerst die angegebene Bedingung verletzt wird. Das Ergebnis dieser Bestimmung kann beispielsweise im Schritt 340 ausgegeben werden. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Bestimmung desjenigen Zeitschritts 205, zu dem vom Jetzt-Zeitpunkt 210 aus die Bedingung zuerst verletzt wird. Dazu kann das mathematische Modell unter Fallenlassen der genannten Bedingung für jeden der Zeitschritte 205 einzeln durchgeführt werden. Es ist bevorzugt, dass für diese Durchläufe des mathematischen Modells die Bedingung dadurch ersetzt wird, dass ein Energiedefizit im Rahmen des mathematischen Modells minimiert werden soll, wobei das Energiedefizit die Differenz aus der Summe der Energienachfragen und der Summe der bereitgestellten Energie bestimmt wird.
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In einer Ausführungsform wird das mathematische Modell nacheinander für jeden der Zeitschritte 205 durchgeführt, wobei bei dem zeitlich am weitesten entfernten Zeitschritt 205 begonnen wird. Derjenige Zeitschritt 205, in dem die Bedingung verletzt wird und der zeitlich einem Zeitschritt 205 folgt, in dem die Bedingung nicht verletzt ist, ist dann der gesuchte Zeitschritt. Die verbleibenden, zwischen dem Jetzt-Zeitpunkt 210 und dem gesuchten Zeitschritt 205 liegenden Zeitschritte 205 müssen dann nicht mehr mittels des mathematischen Modells überprüft werden.
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Alternativ zu dieser linearen Vorgehensweise kann beispielsweise auch eine sukzessive Approximation bzw. eine Binärsuche verwendet werden. Im beispielhaften Verfahren 400 in 4 wird dazu in einem Schritt 405 eine aktuelle Menge der Zeitschritte 205 halbiert. In einem Schritt 410 wird das mathematische Modell auf der zeitlich ersten Hälfte der Zeitschritte 205 durchgeführt. In einem Schritt 415 wird bestimmt, ob eine Lösung gefunden werden konnte. Ist dies der Fall, so wird in einem Schritt 420 die zweite Hälfte der im Schritt 405 geteilten Menge weiterverwendet und das Verfahren 400 kehrt zum Schritt 405 zurück, um erneut zu durchlaufen.
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Wird im Schritt 415 bestimmt, dass keine Lösung gefunden werden konnte, so wird in einem Schritt 425 überprüft, ob die Menge der Zeitschritte 205 nur einen einzigen Zeitschritt 205 umfasst. Ist dies der Fall, so ist der gesuchte Zeitschritt 205 gefunden. Der gefundene Zeitschritt kann in einem Schritt 430 ausgegeben werden. Wurde im Schritt 425 bestimmt, dass die Menge der Zeitschritte 205 mehr als einen Zeitschritt 205 umfasst, so kehrt das Verfahren 400 zum Schritt 405 zurück, um erneut zu durchlaufen.
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Das Verfahren 400 ist dazu eingerichtet, den Schritt 350 des Verfahrens 300 zu realisieren. Es ist bevorzugt, dass das Verfahren 300 rollierend durchgeführt wird, also in festen Zeitabständen erneut durchlaufen wird. Diese Zeitabstände können beispielsweise der Dauer des nächstliegenden Zeitschritts 205 entsprechen. In einem Beispiel beträgt die Dauer ca. 3 Minuten. Aus Schritt 430 des Verfahrens 400 kann in diesem Fall beispielsweise zum Schritt 305 in 3 verzweigt werden.
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5 zeigt Verläufe 500 von beispielhaften Leistungen und Lasten im Energienetz 100 von 1. In horizontaler Richtung ist eine Zeit in Sekunden dargestellt; der Planungshorizont 215 beträgt hier einen Tag, ausgedrückt als 86.400 Sekunden. In vertikaler Richtung ist eine Energiemenge dargestellt. Ein erster Verlauf 505 stellt die durch die Fotovoltaikanlage 120 bereitgestellte Energie dar. Ein zweiter Verlauf 510 betrifft die durch das Kraftwerk 130 auf der Basis von fossilen Brennstoffen bereitgestellte Energie. Ein dritter Verlauf 515 betrifft die durch den Energiespeicher 135 umgesetzte Energie. Aufgenommene Energie ist negativ, abgegebene Energie positiv angetragen. Ein vierter Verlauf 520 reflektiert die durch die Energieverbraucher 115 angeforderte Energie.
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Es ist zu sehen, dass in einem Bereich bei ca. t = 70.000 s ein Leistungsdefizit 525 vorliegt, in dem die Summe der durch die Energieerzeuger 110 bereitgestellten Energie die Summe der durch die Energieverbraucher 115 angeforderten Energie übersteigt.
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6 zeigt einen Verlauf 600 eines beispielhaften Ladezustands des Energiespeichers 130, der zu den Verläufen 500 von 5 korrespondiert. Im zeitlichen Bereich des Leistungsdefizits 525 bei ca. t = 70.000 s ist der Energiespeicher 130 erschöpft und kann das Leistungsdefizit nicht decken.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
