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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Datenverarbeitungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Der klassische Netzbetrieb in einem elektrischen Energienetz wird durch die zunehmende Durchdringung mit dezentralen, meist erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen (DEA) vor große Herausforderungen gestellt. Hinzu kommt die Entwicklung der Elektromobilität und damit eine Verstärkung der Substitution anderer Energieübertragungsformen (z.B. Benzin, Diesel, Gas) durch Elektrizität. So genannte „Smart Grids“ werden gemeinhin als eine Lösung dieses Problems gesehen.
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Die Netzstabilität kann vorwiegend in zwei Bereichen gefährdet werden. Das vorherrschende Problem in ländlichen Netzen ist die Spannungshaltung, auch als „U-Problem" bezeichnet. In urbanen Netzen dagegen, die aufgrund der Lastdichte eher geringe Leitungslangen aufweisen, ist weniger die Spannungshaltung als vielmehr das Problem der Auslastung von Betriebsmitteln vorherrschend. Dies wird auch als „I-Problem" bezeichnet. Dezentrale Einspeiseeinrichtungen wie z.B. Solaranlagen verringern zunächst die hohe Auslastung von Leitungen und Transformatoren. In den seltensten Fällen werden auch Leistungsgrenzen bei der Rückspeisung verletzt.
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Natürlich können z.B. suburbanen Gebieten auch Netzabschnitte innerhalb eines Netzgebietes sowohl eher den beschriebenen ländlichen als auch städtischen Charakter (Kombination zwischen U- und I-Problem) haben. Um sicher zu stellen, dass bei allen Teilnehmern (Kunden) die Spannungsgrenzen gemäß der Norm EN50160 eingehalten werden bzw. dass die Betriebsmittel überlastet werden, muss entweder ein Ausbau der Netzinfrastruktur betrieben oder ein aktives Netzmanagementsystem eingesetzt werden. Letzteres greift gezielt auf Erzeuger, flexible Verbraucher oder auch Speicher im Netz zu und erlaubt so, den Netzbetrieb normgerecht aufrecht zu erhalten.
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Basis für den stabilen Betrieb eines solchen aktiven Netzmanagementsystems sind valide Messwerte aus den betroffenen Netzen. Insbesondere wenn keine „eigene" Kommunikation für die Regelung zur Verfügung steht, sondern Übertragungskanäle wie Powerline Communication (PLC, Datenübertragung über stromführende Leitungen) oder Mobilfunk wie etwa GPRS verwendet werden, sind Verzögerungen bzw. Verlust von Datenpaketen ein häufiges Phänomen. Um einen stabilen Betrieb eines Netzmanagementsystems zu gewährleisten ist es daher eine wesentliche Voraussetzung, dass das Netzmanagement auch mit fehlenden Messdaten umgehen kann bzw. dass ein sicheres Netzmanagement auch bei gelegentlichem Aussetzen von Kommunikationsverbindungen zu Sensoren sichergestellt ist.
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Da die Thematik der Regelung von Niederspannungsnetzen eher neu ist, kann bisher nur auf Erfahrungen in Demonstrationsprojekten zurückgegriffen werden. Da viele bisherige Ideen auf Konzepten für höhere Spannungsebenen beruhen, wird in den meisten dieser Projekte von einer Datenübertragung von Messdaten in guter Qualität ausgegangen. Dies wird meist auch durch einen separaten Übertragungskanal speziell für das Netzmanagementsystem und dessen Komponenten erzielt.
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Können Daten dennoch verzögert zugestellt werden bzw. verlorenen gehen, werden derzeit zwei Lösungsansätze vorgeschlagen. Bei massiven Problemen bei der Kommunikation zwischen einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung und Messstellen bzw. Sensoren und aktiven Komponenten wird die Außerbetriebnahme der Steuer- und/oder Regeleinrichtung durchgeführt, da die fehlenden Messdaten auf grundlegende Probleme hinweisen und der korrekte Betrieb nicht mehr gewährleistet werden kann.
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Bei einer wenig bis mäßig gestörten Übertragung besteht andererseits die Möglichkeit, die fehlenden Daten aufgrund einfacher Regressionen fortzuschreiben. Es kann z.B. er zuletzt übermittelte Messwert weiter verwendet werden oder eine lineare Weiterführung anhand z.B. eines Durchschnitts vergangener Messwerte durchgeführt werden. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um einfachste lineare Regressionsverfahren.
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Ausgehend von bekannten Ansätzen, um bei Verfahren für eine Verarbeitung von Messwerten eines Energienetzes mit fehlenden Messwerten umzugehen, stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem die fehlenden Messwerte vergleichsweise genauer geschätzt werden können.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Bei der Messwertspeichereinrichtung handelt es sich z.B. um eine Festplatte oder eine sonstige Einrichtung für das Abspeichern von Daten. Dabei werden asynchron eintreffende Messwerte von verschiedenen Sensoren bevorzugt als unbeschränkte Zeitreihen abgespeichert, d.h. nach Messzeitpunkten und Sensoren geordnet.
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Die Schritte des Erkennens eines fehlenden Messwerts und die Berechnung dieses Messwerts können z.B. mittels einer Auswerteeinrichtung bzw. Rechnereinrichtung mit einem Mikroprozessor erfolgen. Dabei kann es sich z.B. um einer Software oder spezifische Hardware handeln, die dezentral der Messwertspeichereinrichtung zugeordnet ist oder zentral vorgesehen. Dabei kann die Auswerteeinrichtung Teil einer anderen Komponente der Sekundärtechnik, also z.B. eines Automatisierungsgeräts sein. Möglich ist auch, die Auswerteeinrichtung als zentrale Cloudanwendung bereit zu halten und ggf. mit einer Leitstelle zu kombinieren.
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Bei den Messwerten kann es sich z.B. um Spannungs- und/oder Strommesswerte handeln, wie sie periodisch (z.B. alle 15 min oder jede Sekunde) mittels eines so genannten Smart Meters als Sensor bei einem Endkunden gemessen werden. Sensoren bzw. als Sensor verwendete Smart Meter weisen durch die Impedanzverhältnisse des überwachten Niederspannungsnetzes mehr oder weniger ausgeprägte Abhängigkeiten voneinander auf, d.h. die von ihnen erfassten Messwerte sind nicht unabhängig.
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Es ist daher die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass bei einem Ausfall einer Kommunikationsverbindung zu einem Sensor – oder bei Eintreffen von offensichtlich nicht korrekt übermittelten Messwerten –, diese in der Zeitreihe für diesen Sensor fehlenden Messwerte durch berechnete Werte unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen bereits erfassten Messwerten zu ersetzen. Dieser Ansatz kann auch als Einsatz eines so genannten „Schattenknotens“, also eines virtuellen Sensors, betrachtet werden. Die Berechnung eines fehlenden Messwerts basiert dabei auf einer statistischen Korrelation von Messwerten aller Sensoren in der näheren Umgebung des vom Ausfall der Kommunikation betroffenen Sensors, wobei die statistische Korrelation durch Korrelationskoeffizienten beschrieben wird.
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Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass fehlende Messwerte besonderes genau geschätzt werden können und für eine nachgeschaltete Steueranordnung, z.B. eine Leitstelle (z.B. SCADA), auch bei gestörter Kommunikation zu den Sensoren um Energienetz noch eine sichere Steuerung des Energienetzes erfolgen kann.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass anstatt einer willkürlichen Methode zur Messwertfortschreibung bei Ausfällen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine Annäherung an tatsachlich vorhandene Messwerte abgestellt wird. Dadurch können einfacher und ressourcenschonender die fehlenden Messwerte berechnet werden, als dies beispielsweise mit rechnerisch aufwändigeren Ansätzen wie nichtlineare Schatzverfahren (Z.B. neuronale Netze) möglich wäre.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die berechneten Messwerte den gespeicherten Messwerten hinzugefügt. Dieser vollständige Datensatz kann dann ausgewertet werden – im Falle von Spannungsmesswerten oder dergleichen beispielsweise durch eine Leitstelle. Alternativ kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine ständige Durchleitung der Messwerte zur weiteren Auswertung z.B. an eine Leitstelle erfolgen, wobei fehlende Messwerte in Echtzeit erkannt, berechnet und ebenfalls zur weiteren Auswertung übermittelt werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jeden Sensor jeweils eine Zeitreihe von Messwerten abgespeichert.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden abgespeicherte Messwerte in einem vorgegebenen Zeitraum berücksichtigt. Dies bedeutet, dass Messwerte aus einem in der Vergangenheit liegenden Zeitraum, also beispielsweise aus der letzten Stunde oder auch aus einer Stunde, die an einem vergleichbaren Tag den fehlenden Messwerten zum gleichen Tageszeitpunkt vorrausging (z.B. an dem gleichen Werktag, einem Dienstag, in der Woche zuvor zwischen 10 und 11 Uhr). Der Zeitraum der Vergangenheit ist im Wesentlichen durch die verfügbare Speicherkapazität der Messwertspeichereinrichtung bestimmt, insbesondere in dem Fall, dass es sich um eine dezentrale Messwertspeichereinrichtung handelt. Dies ist ein Vorteil, weil durch die Auswahl und Dauer des vorgegebenen Zeitraums eine schnelle und genaue Berechnung der fehlenden Messwerte möglich ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Messwertspeichereinrichtung als mindestens eine dezentral im Energienetz angeordnete Messwertspeichereinrichtung ausgebildet. Dies ist so zu verstehen, dass die Messwertspeichereinrichtung Teil der Sekundärtechnik ist, die dem Energienetz zugeordnet ist. Dies ist ein Vorteil, weil eine dezentrale Messwertspeichereinrichtung es ermöglicht, die Messwerte in Zeitreihen dezentral zu speichern und so die notwendige Datenkommunikation minimieren. Die Auswertung und Berechnung fehlender Messwerte kann ebenfalls dezentral erfolgen. Dieser Ansatz spart gegenüber einer Lösung mit einem zentralen Datenspeicher entsprechende Datenübertragungen ein und ist daher von Vorteil.
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Dabei bietet eine dezentrale Zuordnung der Messwertspeichereinrichtung vor allem in Niederspannungsnetzen Vorteile. Dieses Konzept der Dezentalität könnte aber auch derart ausgebildet sein, dass z.B. könnte ein kleiner Speicher dezentral und ein größerer zentral vorliegen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, auch Korrelation über längere Zeiträume (große Datenmengen) mit einzubeziehen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Bestimmung der statistischen Abhängigkeit der abgespeicherten Messwerte voneinander eine Regressionsanalyse durchgeführt, bei der jeweils ein Regressionskoeffizient bestimmt wird. Dies ist ein Vorteil, weil so die statistische Abhängigkeit zwischen den Messwerten beschrieben werden kann. Dabei wird beispielsweise für den vorgegebenen Zeitraum der Vergangenheit eine Korrelation zwischen der Zeitreihe mit Messwerten von dem Sensor, der aktuell fehlende Messwerte aufweist, mit einer anderen Zeitreihe eines anderen Sensors bestimmt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der jeweilige Regressionskoeffizient mit der Methode der kleinsten Abweichungsquadrate bestimmt. Dies ist ein Vorteil, weil die Methode der kleinsten Abweichungsquadrate weit verbreitet und vergleichsweise einfach ist. Es können im erfindungsgemäßen Verfahren jedoch auch andere Regressionsmethoden eingesetzt werden.
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Für ein System mit n Sensoren kann der Sensorwert i als Kombination von Regressionskoeffizienten zwischen dem Sensor i und n – 1 anderen Messwerten wie in Formel (1) dargestellt werden. Vi = Vi,0 + λ1V1 + λ2V2 + λi-1Vi-1 + λ1+1V1+1 + ... + λnVn + ε (1)
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Dabei bezeichnen die Variablen:
- Vi:
- den gesuchten Messwert für Sensor i,
- Vi,0:
- einen Basiswert der Regression für Sensorwert i,
- λ1 ... λn:
- die Regressionskoeffizienten zwischen Sensorwert i und den Sensorwerten 1, 2, ..., i – 1, i + 1, ..., n.
- V1 ... Vn:
- die Messwerte der umliegenden Sensoren.
- ε:
- einen Residualfaktor (repräsentiert Modellfehler und/oder Rauschen). Darin sind Fehler durch nicht berücksichtigte Einflussvariablen enthalten und mögliche Fehler bei der Abschätzung der Regressionskoeffizienten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Regressionskoeffizienten laufend aktualisiert. Die Aktualisierung basiert also auf den ständig neu hinzukommenden Messwerten der Sensoren. Eine Bedingung für das laufende Neuberechnen der Regressionskoeffizienten ist, dass alle Sensorwerte eine hohe Datenqualität haben. D.h. die Neuberechnung erfolgt z.B. nicht zu Zeiten denen ein oder mehrere Sensoren keine Messwerte liefern.
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Fällt also ein Messwert eines Sensors aus so werden gemäß Formel (1) die Messwerte der umliegenden Sensoren in Kombination mit Regressionskoeffizienten zur Schätzung eines „Schattenwertes" verwendet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Sensoren paarweise zugeordnet.
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D.h., dass die laufende Korrelationsuntersuchung um die Paarung von Knoten erweitert wird. Fallt einer der Sensoren aus bzw. können keine Messwerte mehr von diesem Sensor empfangen werden, kann der andere Sensor des Paares mit einem bekannten Korrelationskoeffizienten beaufschlagen und somit den ausgefallenen Knoten als Schattenknoten weiterführen.
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Wie lange dies bei einem Ausfall des Sensors zulässig ist, hangt von der Qualität der Korrelation der Nachbarknoten ab. Wenn die Qualität der Korrelation lastabhängig und damit auch zeitabhängig ist, kann z.B. unterschieden werden, dass der Betrieb eines nachgeordneten Netzmanagementsystems nur in Zeiten zulässig ist, in denen der Schattenknoten mit hoher Genauigkeit simuliert werden kann.
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Aus den aktuellen Messwerten bzw. in Verbindung mit den gespeicherten Messwerten (historischen Daten) kann auch die Zusatzinformation gewonnen werden, ob der ausgefallene Sensor gerade ein kritischer Sensor ist, d.h. ein Sensor in einem Teil des Energienetzes, der mit im Vergleich zur Nennspannung mit minimaler oder maximaler Spannung betrieben wird. Diese Zusatzinformation kann verwendet werden, um beispielsweise im Falle eines kritischen Sensors die Dauer der Berechnung von fehlenden Messwerten zu beschränken, d.h. einen Schattenknoten nicht zu lange zu simulieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Energienetz ein Niederspannungsnetz eingesetzt. Dies ist ein Vorteil, weil gerade im Bereich der Regelung von Niederspannungsnetzen häufig das Problem fehlender Messwerte auftritt. Prinzipiell ist das Verfahren aber nicht darauf beschränkt. Es könnte auch mit Messwerten aus einem Mittelspannungsnetz arbeiten und dort z.B. einen Regler unterstützen.
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Ferner stellt sich ausgehend von bekannten Ansätzen, um mittels einer Datenverarbeitungsanordnung für eine Verarbeitung von Messwerten in einem Energienetz mit fehlenden Messwerten umzugehen, an die Erfindung die Aufgabe, eine Datenverarbeitungsanordnung anzugeben, mit der die fehlenden Messwerte vergleichsweise genauer geschätzt werden können.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Datenverarbeitungsanordnung gemäß Anspruch 9. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 9 bis 13. Es ergeben sich dabei für die erfindungsgemäße Datenverarbeitungsanordnung und ihre Ausführungsformen sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für das erfindungsgemäße Verfahren erläutert.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung zeigt in schematischer Darstellung die
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 1 zeigt Sensoren 3, z.B. Smart Meters, die Messwerte an eine Leitstelle 4 übermitteln. Gleichzeitig werden die Messwerte dezentral in einer Messwertspeichereinrichtung 1 abgespeichert. Weiterhin werden die Messwerte auch an eine Auswerteeinrichtung 2 übermittelt. Auswerteeinrichtung 2 und Messwertspeichereinrichtung 1 bilden zusammen eine erfindungsgemäße Datenverarbeitungsanordnung.
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Die Auswerteeinrichtung 2 ist geeignet, einen fehlenden Messwert eines Sensors 3 zu einem Zeitpunkt zu erkennen und den fehlenden Messwert zu berechnen, wobei bei der Berechnung des fehlenden Messwerts eine statistische Abhängigkeit der abgespeicherten Messwerte voneinander berücksichtigt wird. Die berechneten Messwerte werden von der Auswerteeinrichtung zur Leitstelle 4 zur weiteren Verarbeitung und zur Messwertspeichereinrichtung 1 zur Abspeicherung übermittelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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