DE29601198U1

DE29601198U1 - Simulationseinrichtung

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Publication number: DE29601198U1
Application number: DE29601198U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Specht Hubert De
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2006-01-27

Description

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Beschreibung

Simulationseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Simulationseinrichtung für ein elektrisches Energieversorgungsnetz.

Die erste Generation umfangreicher Planungs- und Simulationseinrichtungen in der Energieversorgung ist mehr als 20 Jahre alt.¹ War früher die Gesamtkonzeption durch die 'Entwicklung besserer Berechnungsverfahren und den begrenzten Speicherplatz der verwendeten Rechner gekennzeichnet, so hat sich diese Situation durch leistungsfähige Arbeitsplatzrechner und Personalcomputer grundlegend geändert.

Aufgrund der komplexeren Aufgabenstellungen und Simulationsmodelle ergeben sich erweiterte Anforderungen an die benötigten Einrichtungen. Die Erfahrungen zeigen, daß auch die Anzahl der Berechnungsvarianten zunehmend ansteigt und die rechneruntersützte Auswertung und Analyse der Ergebnisse einen höheren Stellenwert einnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Simulationseinrichtung anzugeben, die bei einer einfachen Bedienung verbesserte Simulationsergebnisse gegenüber früher liefert.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Anspruchs 1. In diesem Zusammenhang wurde eine zukunftsorientierte Simulationseinrichtung mit einem Programmsystem entwickelt, welches auf einem objektorientierten Konzept basiert. Das Einsatzgebiet liegt im Bereich der stationären und dynamischen Netzberechnungen für Energieversorgungsnetze.

Das Ziel des neuen Konzeptes ist, den Ingenieur besser bei der Netznachbildung, Netzanalyse und Auswertung von Berech-5 nungen zu unterstützen, um Planungsaufgaben kostengünstig durchführen zu können. Außerdem soll das neue Konzept als Grundlage für die Automatisierung von Arbeitsschritten und weitergehende Untersuchungsmethoden dienen, welche derzeit wegen des zu hohen Aufwandes noch ausscheiden.

Da die Entwicklung umfangreicher Netzberechnungsprogramme für dynamische und stationäre Vorgänge mit viel Know-how und hohen Kosten verbunden ist, bildet die Integration bestehen-

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der Ressourcen mit neuer Technologie einen wichtigen Bestandteil für das vorliegende Design.

Um Planungsaufgaben automatisieren und das Gesamtsystemverhalten simulieren zu können, muß die Simulationseinrichtung mit seinem Programm die Vorgänge Netzanalyse, Generierung von Berechnungsfällen, Berechnung und anschließende Auswertung der Ergebnisse sowie Projektdokumentation unterstützen. Diesbezüglich sind neue Verfahren und Datenmodelle für die Analyse und Verwaltung notwendig.

Für das Design eines komplexen Systems ist es sehr wichtig, bereits in der frühen Phase der Analyse die zukünftigen Zielsetzungen und Anforderungen zu berücksichtigen. Hierfür müssen Entscheidungen bezüglich der Datenmodellierung, Entwicklungsumgebung und Schnittstellen getroffen werden. Da mit zunehmender Automatisierung und Anwenderfreundlichkeit die Anforderungen an das Programm und Laufzeitverhalten steigen, wurde ein neues Konzept als Grundlage erarbeitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, weitere Vorteile und Details werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 die Komponenten der erfindungsgemäßen

Simulationseinrichtung, nachfolgend FUTURE genannt,

FIG 2 eine Klassenhierachie bei Netzelementen,

FIG 3 ein redaktionelles Datenmodell mit Objektmodell am Beispiel eines Kraftwerks.

FIG 4 die Objektschnittstellen der neuen Simulations

einrichtung und die Generierung von neuen Objekten,

0 FIG 5 ein Blockdiagramm zur Anwendung der variablen Datenstrukturen bei Graphen am Beispiel der Auslegung von Kabeln,

FIG 6 das Zusammenwirken von FUTURE und NETOMAC.

Die wesentlichen Gesichtspunkte für das Design der Simulationseinrichtung (FIG 1) sind:

-Objektorientierung - Die objektorientierte Technologie bildet die Grundlage für das gesamte System. Durch den

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Einsatz der Objektorientierung erreicht man eine deutliche Reduzierung des Programmieraufwandes und eine bessere Wiederverwertbarkeit der benutzten Module.

-Plattformübergreifende Programmierung - Um Investitionen für die Zukunft zu sichern und den Aufwand für die Programmpflege für verschiedene Betriebssysteme zu reduzieren, wird eine plattformübergreifende Programmierung angestrebt.

-Objektorientiertes Netzmodell - Die Automatisierung von Arbeitsvorgängen erfordert Datenmodelle und Verfahren, welche die Analyse der Netzstruktur, die Identifikation von Netzelementen und die Abfrage der Daten der Netzelemente ermöglichen. Durch den Einsatz des Objektmodells lassen sich die realen Zusammenhänge besser nachbilden, was beispielsweise die Kombination von Netzdaten und Reglerkomponenten vereinfacht. Mit Hilfe der Gruppenbildung können aus beliebig vielen Grundelementen neue Netzelemente definiert werden und in Bibliotheken hinterlegt werden. Kopier-, Lösch- und Abfrage- ■ mechanismen erleichtern die Handhabung für den Anwender.

-Auswertung von stationären und dynamischen Vorgängen - Die Auswertung von dynamischen Berechnungen beruht bisher im wesentlichen auf der Analyse und Interpretation der zeitlichen Verläufe von charakteristischen Größen. Diese Vorgehensweise stößt an ihre Grenzen bei komplexen Netzen und mit zunehmender Anzahl der Berechnungsvarianten. Das neue Konzept unterstützt die Überwachung von Zuständen und die Auswertung von dynamischen Vorgängen mit Hilfe von Kriterien, welche im Anschluß an die Berechnung analysiert werden können.

0 -Benutzeroberfäche

-Daten- und Topologieabfragen

-Schnittstellen zu Berechnungs- und Dokumentationsprogrammen-Für die Berechnungen werden bestehende Einrichtungs- oder Programmbausteine, insbesondere die Programme NETOMAC (Network Torsion Machine Control) und SINCAL (Siemens-Nixdorf Network Calculation), eingesetzt. Die im Handel verfügbaren Programme im Bereich der Dokumentation (Textverarbeitung und Grafik) werden ständig in ihrem Funktionsumfang erweitert. Um die Vorteile dieser Entwicklungen zu nutzen und den Aufwand für die Realisierung zu reduzieren, werden entsprechende Schnittstellen bereitgestellt. Die globale Zielsetzung für das Design des neuen Konzeptes der Simulationseinrichtung ist eine Reduktion der Komplexität des Programms, der Netzmodelle

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sowie des Informationsgehaltes der Ergebnisse auf relevante Größen.

Die Objektorientierung bietet Hilfsmittel an, damit Software-Ingenieure Anforderungen erkennen und die innere Struktur der Software daraus ableiten können. Die Methoden hierzu sind objektorientierte Analyse (00A), objektorientiertes Design (00D) und objektorientierte Programmierung (00P) . Die objektorientierte Analyse legt die größte Gewichtung auf die Erzeugung von Modellen der realen Welt mit ihrer Struktur und ihrem Verhalten. Die Ergebnisse der Analyse bilden die Grundlage für das objektorientierte Design zur sauberen und effektiven Strukturierung eines komplexen Systems. Mit Hilfe von objektorientierten Programmiermethoden erfolgt die Implementierung der Systeme.

Das Objektmodell basiert auf folgenden Prinzipien:

Klassenhierachien (Inheritance),
Verbindung von Code und Daten (Encapsulation), Spezialisierung von existierenden Klassen mittels Vererbung (Polyphormism).

Ein Objekt hat einen Status, ein Verhalten und eine Identität und man kann mit ihm Aktionen ausführen. Die Struktur und das Verhalten ähnlicher Objekte werden in einer gemeinsamen Klasse definiert.

Aufgrund der abstrakteren Betrachtungsweise bei der objektorientierten Softwareentwicklung rückt die Analyse und das Design mehr in den Vordergrund, d. h. Reviews finden in einem früheren EntwicklungsStadium statt und reduzieren dadurch die 0 resultierenden Folgekosten.

Im Rahmen der Programmentwicklung entstehen neue Klassenbibliotheken (Grafik, GUI, usw.), welche für die zukünftigen Arbeiten wiederverwendbar sind. Ein hoher Grad an Wiederverwendbarkeit bedeutet, daß für neue Applikationen immer weniger Code geschrieben werden muß, und deshalb auch viel weniger Code gewartet werden muß.

Für die Netznachbildung in der Simulationseinrichtung wurde insbesondere eine neue Klassenbibliothek für Netz- und Reglerelemente erstellt. Die Klasse Netzelemente stellt die Basisklasse dar, in welcher die Grundeigenschaften, wie z. B. Datenbank-, Netzwerkfähigkeit oder Identifikation, der Netzelemente definiert und teilweise implementiert sind. Unter-

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sucht man die Netzelemente in Energieversorgungsnetzen bezüglich der Art der Verknüpfung, so können diese in die Kategorien Ein-, Zwei- und Mehrpole unterteilt werden. Die erforderlichen Klassen werden durch Vererbung von der Klasse Netzelemente abgeleitet und übernehmen die Funktionalität und Daten der Basisklasse. Die eigentlichen Netzelemente, wie Generatoren, Lasten oder Leitungen werden von den Topologieklassen abgeleitet. Die Mehrpol-Klasse dient zur Nachbildung von Elementen mit mehr als zwei Knoten, welche bei der Gruppenbildung von Netzelementen entstehen können.

Erweiterungen die alle Netzobjekte betreffen, müssen nur an' der Basisklasse durchgeführt werden und sind daher mit einem geringeren Aufwand verbunden als bei klassischen Programmiersprachen. In FIG 2 ist hierzu die Klassenhierachie bei Netzelementen gezeigt.

Objektorientierte Datenbanken unterscheiden sich von traditionellen relationalen Datenbanken durch das Objektmodell. Das relationale Modell basiert auf Tabellen mit atomaren Feldern, flachen Datensätzen und Joins über indizierte Felder. Das &ldquor;Objekt Paradigma" gestattet die Abbildung der realen Welt, ohne diese in kleinste Felder und Tabellen zu zerlegen (FIG 3) Jede verfügbare Datenbankoperation (z. B. Speichern und Lesen) basiert auf Objekten. Daher werden selbst komplexe Objekte als eine Einheit behandelt. Das Ergebnis sind Einsparungen beim Code und Performance-Verbesserungen im Vergleich zu relationalen Datenbanken.

Die Netzelemente mit ihren Topologieeigenschaften werden mit 0 Hilfe der Funktionen der Datenbank zu einem Netzwerk verknüpft. Das Netzwerk ist mit einem Graphen vergleichbar, da für die Verknüpfung auch Knoten und Zweige eingesetzt werden. Den Netzelementen können beliebige Objekte zugeordnet werden, welche bei allen Datenbankoperationen mit Netzelementen eine Einheit bilden. Einen Anwendungsfall hierfür stellen z. B. die Generatoren mit ihren Regelungen dar. Ein weiterer Vorteil des realisierten Objektmodells besteht darin, daß beliebige Elemente zu Gruppen zusammengefaßt und als neue Elemente gespeichert werden können.

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Die Netzstruktur kann mit Hilfe von speziellen Funktionen auch vereinfacht werden. Aus den Einzelobjekten eines Kraftwerkes kann man z. B. ein neues Kraftwerksobjekt erzeugen, daß nur noch über einen einzigen Anschlußknoten verfügt. Diese organisatorische Netzreduktion wirkt sich auch auf die Ergebnisdarstellung aus, welche auf die Ergebnisse an den Übergabeknoten reduziert werden kann. Diese Technik bietet eine Reduktion der Komplexität in mehrfacher Hinsicht.

Das System unterstützt auch die Client/Server-Technologie, welche es erlaubt auch in heterogenen Netzwerken mit unterschiedlichen Betriebssystemen und Prozessorfamilien auf die Objekte zu zugreifen. Die Fähigkeit elektrische Netze und die Ergebnisse der Berechnungen analysieren zu können ist die Grundvoraussetzung für die Automatisierung von Planungsaufgaben. Hierfür benötigt man geeignete Datenstrukturen und Verfahren.

So unterschiedlich wie die Aufgabenstellungen sind, so vielfältig sind auch die Anforderungen an die Datenmodelle. Die objektorientierte Programmierung unterstützt bei der vorliegenden Simulationseinrichtung die Implementierung von flexiblen Datenmodellen. Jede neue Datenstruktur erfordert in der Regel neue Funktionen für die Verwaltung und es müssen oft mehrere Programmteile bei Erweiterungen angepaßt werden. Um diesen Aufwand bei der Vielzahl von unterschiedlichen Datenstrukturen zu vermeiden, wurde ein Verfahren für die Interpretation der Daten entwickelt. Das Verfahren beruht zum einen auf der Identifikation, um die Selektion von bestimmten Objekten zu ermöglichen. Daneben werden für jedes Objekt 0 Schnittstellen für die Zugriff und die Analyse der Daten zur Verfügung gestellt (FIG 4). Neue Objekte können auch während des Betriebs der Simulationseinrichtung zur Laufzeit seines Programmes generiert werden.

Die Datenschnittstellen bilden auch die Grundlage für eine Abfragesprache, welche für die Analyse von Netzelementen und Ergebnissen entwickelt wurde. Für die Erstellung der Abfragen sind keine Programmierkenntnisse erforderlich. Die Eingabe der Abfragen und die logische Verknüpfung von Abfragen erfolgt über benutzerfreundliche Dialoge. Um Routineaufgaben bei der Auswertung zu erleichtern, kann der Anwender die Abfragen abspeichern und sich somit seine eigenen tabellarischen Auswertungen zusammenstellen. Das Verfahren ist auch generell für die Überprüfung von Daten geeignet, da man basierend auf den Abfragemechanismus auch Grenzwerte defi-

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nieren kann. Bei Überschreitungen werden die betroffenen Elemente zusammen mit einer vom Benutzer definierten Meldung angezeigt.

Die Ergebnisse der Auswertungen werden in tabellarischer Form ausgegeben, wobei das Format individuell anpaßbar ist. Da die Ergebnisse auch mit Hilfe des Objektmodells verwaltet werden, kann man auch mehrstufige Abfragen durchführen.

Mit der Information über die Netztopologie kann man Netze in bestimmte Kategorien einteilen, Schwachpunkte erkennen oder Strategien für die Schutzkoordination entwickeln. Die meisten Berechnungsprogramme von Simulationseinrichtungen unterstützen die Untersuchung der Topologie nur bedingt. Die topologische Eingabe des Netzes beschränkt sich in der Regel auf die Eingabe von Knoten und Zweigen. Die Erfahrungen zeigen jedoch, daß der Umfang der Netznachbildungen zunimmt und die Toplogieanalyse immer wichtiger wird. · -'

Die neuen Objektmodelle für die Knoten und Verbindungselemente, die im einfachsten Fall Zweige sind, besitzen topologische Informationen und sind in der Lage beliebige Daten zu speichern. Die Daten können in mehreren Ebenen für verschiedene Varianten gespeichert werden. Die Art und der Zugriff auf die topologische Informationen ist maßgebend für die Ausführungsgeschwindigkeit von topologischen Algorithmen.

Das Prinzip soll an einem Beispiel für die Auswertung von Kabeln verdeutlicht werden (FIG 5). Für die Überprüfung der 0 Kabelauslegung benötigt man neben den Kabeldaten auch die Ergebnisse der Kurzschlußstrom- und Lastflußberechnung. Alle Datenformate können durch entsprechende Importfunktionen eingelesen, den Elementen des Netzwerkes zugeordnet und in mehreren Ebenen abgelegt werden. Die Simulationseinrichtung stellt dialogorientierte Abfragen zur Verfügung, um bestimmte Arten von Verbindungen (z. B. Kabelverbindungen) und deren Daten (z. B. Kabeltyp) aus verschiedenen Ebenen zu selektieren. Diese werden dann in tabellarischer Form ausgegeben. Das Verfahren ist so flexibel, daß es auch zum Vergleich von Berechungsvarianten mit unterschiedlicher Netzstruktur geeignet ist. Da die Verfahren für die Datenabfrage und Generierung der Tabellen auf dem flexiblen Datenmodell beruht, ist keine zusätzliche Programmierung erforderlich.

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Bei der Analyse von Netzen ist die Kombination aus Informationen über die Topologie und die Netzdaten von Bedeutung. Mit der Entwicklung einer Topologieabfragesprache (TQL) sollen beide Gesichtspunkte in einer Abfragesprache integriert werden. Die Abfragesprache unterstützt die drei nachfolgenden Selektionen:

- Teilnetze und Spannungsebenen

- Netzstrukturen, verschiedene Arten von Verbindungen und

Net&zgr;elemente
- Daten der Netzelemente.

Die einzelnen Arten der Selektionsarten können ebenfalls logisch verknüpft werden.

Aufgrund der steigenden Anzahl von Berechnungsvarianten bei der Projektbearbeitung wird der Aufwand für die manuelle Auswertung von Plotterbildern in der Vergangenheit immer größer. Hinzu kommt, daß für die Simulation des Gesamtsystemverhaltens wesentlich mehr Betriebsmittel (z. B. Schutzgeräte) nachgebildet und zusätzlich ausgewertet werden 0 müssen.

Um beide Gesichtspunkte zu erfüllen, wird auf der einen Seite eine Reduktion des Informationsgehaltes von Plotterbildern auf wichtigen Kenngrößen angestrebt. Auf der anderen Seite wird ein Verfahren zu Verfugung gestellt, welches auch bei umfangreichen Netzen die Auswertung des dynamischen. Verhaltens der Betriebsmittel erlaubt und auch bei Einsatz der Netzreduktion sicherstellt, daß Schwachstellen im System nicht verborgen bleiben.

Für die Auswertung von dynamischen Vorgängen ist der Anfangszustand, der dynamische Ausgleichsvorgang und der Endzustand von Interesse. Anhand der Anfangs- und Endzustände kann man stationäre Überschreitungen sowie Veränderungen erkennen.

Schwieriger ist die Auswertung von Ausgleichsvorgängen, da in Abhängigkeit der jeweiligen Größe unterschiedliche Kriterien von Bedeutung sind. In diesem Zusammenhang wurde eine Sammlung von elementaren Kriterien erstellt, mit welchen z. B. Extremwerte oder die Wiederkehr von Größen nach Ausgleichsvorgängen bestimmt werden können.

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Da bei umfangreichen Netzen eine Vielzahl von Größen und Betriebsmitteln auszuwerten sind, muß die Auswertung wegen der großen Datenmengen während der Simulation durchgeführt werden. Für verschiedene Betriebsmittel wie Generatoren und Motoren wurden entsprechende Auswertekomponenten erstellt, welche in das Simulationsmodell für die NETOMAC-Berechnungen integriert werden. Die Auswertung erfolgt während der Simulation und die Ergebnisse werden am Ende der Berechnung protokolliert. FIG 6 zeigt das Zusammenwirken der Programmbausteine FUTURE und NETOMAC der Simulationseinrichtung.

Bei der Nachbildung eines Netzes können beliebige Betriebsmittel und zusätzliche Geräte, z.B. Schutzgeräte, vorgesehen werden, wobei beliebige Betriebsscenarien untersucht werden können. Dabei wird ausgehend von verschiedensten Betriebssituationen das reelle Verhalten der Mittel, der Geräte oder des Netzes simuliert. Durch umfangreiche Auswerteroutinen können nunmehr ausgehend von der Simulation auch weitergehende Auswirkungen oder sekundäre Effekte untersucht werden. Beispielhaft kann hierzu die Auswirkung eines Netzfehlers oder einer Netzstörung auf den Produktionsprozeß einer an das Netz angeschlossenen Industrieanlage genannt werden. Auch ist eine Verbindung von wirtschaftlichen Gesichtspunkten mit technischen möglich, so 5 daß eine wirtschaftliche Bewertung von Störfällen oder Betriebssituationen durchgeführt werden kann.

Selbstverständlich sind im Rahmen dieser Auswertungen auch statische Untersuchungen möglich, die verschiedenste 0 Gesichtspunkte berücksichtigen und Auswertungen erlauben.

Hiervon sind dann auch Risikoabschätzungen ableitbar, die für die Planung, die Auslegung und den reellen Betrieb einer Anlage oder eines Netzes hinzugezogen werden können.

Die Ergebnisse der Auswertung müssen für die Dokumentation aufbereitet werden und durch geeignete Verfahren soll der Vergleich von Berechnungsvarianten ermöglicht werden. Im Rahmen der Entwicklung der neuen Datenmodelle und Verfahren entstehen parallel neue Klassenbibliotheken, welche als Baukasten für die zukünftigen Arbeiten dienen. Durch diesen Synergie-Effekt wird eine einheitliche Entwicklung von Anwendungen ermöglicht.

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Das Netz, die Modelle für die Auswertung und die Ergebnisse werden durch FUTURE in Form von Objekten verwaltet. Ein Auswert-Objekt verwaltet die Parameter für die Kriterien {z. B. Grenzwerte), die Eingabedaten für NETOMAC und die Ergebnisse der Berechnung. Die Übergabe der Netzdaten und Kriterien von FUTURE an NETOMAC erfolgt in Form einer Datei, welche im nachfolgenden als NETOMAC-Eingabedatei bezeichnet wird.

Die Berechnung der Varianten und die Auswertung der Kriterien erfolgt mit dem Simulationsprogramm NETOMAC. Um die Menge an Daten für die Übergabe zu reduzieren, erfolgt eine Vorauswertung bereits während der Berechnung. Für die Übergabe der Ergebnisse an FUTURE wird die sog. SPOOL-Datei eingesetzt, in welche NETOMAC die Ergebnisse einträgt. FUTURE stellt Datenstrukturen und Verfahren zur Verfügung, um Varianten vergleichen zu können und kritische Zustände erkennen zu können.

Durch die zunehmende Verbreitung grafischer Benutzeroberflächen wächst das Bedürfnis, anwenderfreundliche Applikationen für die gebräuchlichsten GUI-Plattformen (Graphical User Interface), wie Windows, OS/2 sowie OSF/Motif zu entwickeln. Eine Neukodierung der Ein- und Ausgabefunktionen aufgrund unterschiedlicher Programmierschnittstellen der Zielsysteme kann man durch den Einsatz von objektorientierten Klassenbibliotheken vermeiden. Darüber hinaus zwingt diese Technologie, sämtliche Anwendungen aufeinander abzustimmen. Demzufolge sehen gleiche Dialoge oder Grafiken nicht nur gleich aus, es ist derselbe Code und nur ein einziges mal vorhanden. Prinzipiell ist die Simulationseinrichtung außer 0 für elektrische Netze auch für Energieverteilungsnetze mit gasförmiger oder flüssiger Energie anwendbar.

Claims

96 G 3057 11 Schutzansprüche

1. Simulationseinrichtung für ein Energieverteilungsnetz mit einem Rechner und einer Datenbank, in der die benötigten Netzelemente objektorientiert geführt sind, wobei eine Schnittstelle zur Abindung einer mittels eines Programms arbeitenden Netzmodellrecheneinrichtung vorgesehen ist.

2. Simulationseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die

Netzmodel!recheneinrichtung mit dem Rechner eine Baueinheit bildet.

3. Simulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Energieverteilungsnetz für elektrische, gasförmige oder flüssige Energie dient.