EP3759785A1 - Verfahren zur echtzeitregelung eines energieversorgungs- und verteilersystems - Google Patents

Verfahren zur echtzeitregelung eines energieversorgungs- und verteilersystems

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EP3759785A1
EP3759785A1 EP19711341.8A EP19711341A EP3759785A1 EP 3759785 A1 EP3759785 A1 EP 3759785A1 EP 19711341 A EP19711341 A EP 19711341A EP 3759785 A1 EP3759785 A1 EP 3759785A1
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EP
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energy
control system
operating
control
simulation
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Withdrawn
Application number
EP19711341.8A
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Sebastian UTZ
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Innofas GmbH
Original Assignee
Innofas GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • Y04S40/20—Information technology specific aspects, e.g. CAD, simulation, modelling, system security

Definitions

  • the invention relates to a method for optimized real-time control of a power supply and distribution system.
  • a 1000 kW power supply and distribution system consisting of z.
  • a PV system As a PV system, a buffer memory, two charging stations for charging and recovery of energy from an energy storage of a vehicle, a network connection for feeding and extracting energy from the public network and a central control considered.
  • a plant planner it is initially completely indefinable how he should interpret the individual components and a corresponding system with regard to system configuration, capacities and dimensioning.
  • unknown factors are added, such as
  • Feed-in tariff electricity costs, power consumption behavior in the day / post-cycle, etc.
  • the system designer has to consider many To make unknowns that are more or less accurately estimated in practice, taking into account certain assumptions.
  • a respective safety reserve is determined on the basis of consumption values and, based on this, the components thus designed are combined to form an overall system. So z.
  • the PV system is planned oversized and, regardless of the configuration of the charging stations, the known variables such as the roof pitch, the location, the orientation and, in particular, the desired output are included in the planning and design of the PV system. Since additional reserves are also calculated, the system is typically not dimensioned optimally. Within the meaning of the present invention, the optimum is understood to mean a state in which, in particular, the cost / benefit ratio is as low as possible, which means that it is possible to remove the respectively required services from the system with a minimum outlay on equipment and costs.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for optimally operating a power supply and distribution system with real-time control.
  • a basic idea of the invention is to provide a two-stage process in order to arrive at an optimal real-time control.
  • a simulation system with means for generating and / or processing simulation data of a simulation target space proposed in which a number of energy-generating, energy-storing and energy-consuming system components are as a plurality of elements, wherein between at least two elements an energy flow takes place in order to represent a simulation target space; Evaluation and / or calculating means for calculating a power factor relating to every two or more elements of the plurality of elements, taking into account their prioritization on the basis of the simulation data; Evaluation means for evaluating the performance data that will be provided or consumed by each element using the factors determined to determine therefrom the system components for which a variable efficiency value results in an optimum.
  • an energy bus can be provided, to which energy consumers and energy producers are connected.
  • conventional bus interfaces such as TCP, CAN or other bus systems may be provided.
  • the energy bus is relevant when the physical model is decoupled and replaced by the real variables.
  • a second and essential aspect of the present invention relates to the design of a regulator. From the simulation model, a controller is designed according to the invention, wherein the input variables of each participant of the bus system are incorporated as a relevant rule size. Input variables such as minimum and maximum current, minimum and maximum voltage, energy content, SOC, temperature, weather data, costs such as
  • Feed-in tariffs and electricity costs and the like are included.
  • a method for optimized real-time operation of a power distribution and supply system consisting of a plurality of energy-generating, energy-storing and energy-consuming system components (SYSi) using suitable means for detecting, processing, storing operating data and simulation data with the following steps: a. Means for selecting energy-producing, energy-storing and energy-consuming system components (SYSi) of the energy distribution and supply system; b. Creation of a simulation model for the operation of the power distribution and supply system with the selected system components nents, wherein the simulation model depicts a multiplicity of operating situations, which differ from one another through a variation of respectively controllable operating parameters of the system components; c. Designing a control system or control conditions based on data obtained from the simulation model and currently acquired operating data or operating parameters, d. Design a regulatory concept for the regulatory system.
  • control concept designed a control loop, so that the currently detected operating data or operating parameters and their influence is compared to an operating variable to be optimized is determined with the data of the simulation model and depending on the size of the deviation, if the power distribution and supply system in at least this Operating variable or a lot of operating variables in an operating optimum is operated and, if necessary, a regulatory adjustment must be made.
  • control system constantly adjusts the operating optimum after each reactivation itself, depending on the operating parameters of the current NEN and connected system components. This ensures that the system in each case when logging in and out of a participant speak a system component such as an electric vehicle, independently depending on the new situation regulates. According to the invention, it can also be provided that a user optimum is regulated.
  • a user optimum can be achieved, for example, by prioritizing the speed the charging process.
  • a user who can access the system (for example a user of an electric vehicle) can predetermine user-specific boundary conditions in the system. Thus, for example, it can be specified as a boundary condition that a maximum energy charge flow reaches the vehicle in a given time, since it is intended to attempt to charge the on-board battery for example in one hour.
  • an optimized price for the removal of electrical energy can be preselected, so that the charging process starts when the system offers the user a certain price of electricity (for example, night electricity). It would also be conceivable that electrical energy is fed from the vehicle battery, and only a residual charge capacity is to be kept in order to drive a be certain driving distance can.
  • control system recognizes the new subscriber and can then adjust a new optimized operating point depending on the simulation data and the actual operating data by means of the control concept.
  • the method according to the invention can be applied equally to industrial plants as well as to HEMS systems and to combinations thereof.
  • a fuzzy control system for this purpose is a static nonlinear control system which uses sharp input variables of a complex process forms fuzzified control variables and sharp defuzzified value signals, which are defined in an unclear manner according to the rules of a rule base.
  • a fuzzification of a sharp physical input variable is the quantification by fuzzy definitions with linguistic terms or other parameters.
  • graphical trapezoidal or triangular fuzzy sets are used to determine the degrees of membership from the discrete input signals within the basic quantities (variables). In the present case, however, this is done differently than in classical fuzzification on the basis of the simulation model and the optimization carried out there.
  • neural networks are used in addition to or in addition to the FUZZY logic.
  • control system can test the power distribution and supply system in a simulation using the control concept.
  • control system for controlling the operating optimum in particular detects the respective current energy consumption and / or the respective current energy entry in the power distribution and supply system and taken into account.
  • the dynamic behavior of the real system is taken into account when participants change their operating behavior, at the sys- log on or off, tariff changes occur at a specific time, or other system changes occur without manual intervention.
  • the communication of the system components and means in the system are via interfaces CAM, TCP, serial interface or other conventional communication interfaces. This ensures that communication can take place with conventional communication systems or the method according to the invention can be integrated into existing systems.
  • a computer-readable program code preferably a C-code
  • one aspect of the present invention is to generate from the fuzzification to determine the optimum operating a C-code in order to use these executable systems that process C-code.
  • the generated computer-readable program code, in particular C code is integrated on a microcontroller, also Labview or Canoe. As a result, it is also possible that the integrated on a microcontroller C code in applications of various devices can be used.
  • control system determines the optimized operating conditions under consideration of system-specific boundary conditions, these being stored as setpoint values in a setpoint memory or operating memory of the control system.
  • control system for using a method as described above.
  • control system comprises a controller and an input unit for inputting operating parameters and / or variables used in the control.
  • control system has a computing unit which is designed to perform a fuzzification on the basis of the values, operating parameters and / or variables of the system components.
  • controller has interfaces in order to process input data of the simulation layer.
  • the efficiency value is provided as a function of n variables, an optimum of the efficiency value representing a local extreme position of this function, preferably determined by the partial derivatives of the function and resulting therefrom resulting maximum value conditions or
  • the evaluation unit uses simulation modules for the system components, which at least have their performance data can be parameterized.
  • the simulation modules are designed so that they simulate the system component in the overall system according to a simulation model.
  • FIG. 1 shows an exemplary representation of a power distribution and supply system
  • Fig. 2 is a simplified schematic representation for explaining the
  • FIG. 1 shows an exemplary representation of a power distribution and supply system 10.
  • the power distribution and supply system 10 consists of a large number of energy-generating, energy-storing and energy-consuming system components SYSi.
  • the arrows on the connecting lines show the possible energy flow.
  • the controller can thereby implement the energy flow according to a system-specific prioritization.
  • the battery B1 as exclusively energy-storing system components SYSi allows z. B. a bi-directional energy flow when loading in Direction of the battery and when discharging from the battery out to a consumer or in the network to generate a feed-in remuneration at z.
  • variable electricity tariff as a variable VAR the public network.
  • two charging stations LK with a charging capacity of 350 kW each with coupled electric vehicles F are shown, in each of which a battery B2 or B3 is installed.
  • the battery B1 can be stored or power can be fed into the public grid via the grid connection N, if it makes sense in the macroeconomic perspective.
  • z. B. also electrical energy from the battery B2 of a vehicle F in the battery B3 of the other vehicle F are transmitted directly via a charging station management.
  • FIG. 2 schematically illustrates the idea of such a control system.
  • an energy bus system 20 is shown schematically.
  • the energy bus system 20 is exemplary with a
  • a Fuzzy control based on the individual parameters is performed by means of a FUZZY control.
  • a system simulation is carried out. Different scenarios are simulated and optimized for the system components. The result is used to design the controller 30 (lower part of the figure of Figure 2).
  • the optimal calculation of the real system can be carried out on the basis of the magnitude of the deviation.
  • conventional control means and control means are used to adapt the system or the system components closed thereto according to their performance by the controller 30.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Echtzeitbetrieb eines Energieverteiler- und Versorgungssystems (10) bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) unter Verwendung geeigneter Mittel zum Erfassen, Verarbeiten, Speichern von Betriebsdaten und Simulationsdaten

Description

Verfahren zur Echtzeitregelung eines Energieversorgungs- und
Verteilersystems
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Echtzeitregelung eines Energieversorgungs- und Verteilersystems.
Energieversorgungs- und Verteilersysteme zum Erzeugen, Speichern und zur Entnahme von Energie sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Im Rahmen der Energiewende und der energieeffizienten Versorgung insbe sondere möglichst autarken Energieversorgung von Gebäuden, Gebäude komplexen, Infrastruktur und entsprechend darin betriebenen Anlagen be steht ein zunehmendes Bedürfnis sowohl im privaten als auch im gewerbli- chen und industriellen Bereich intelligent ausgelegte Systeme zu konzipieren und zu betreiben, welche optimal auf die Verbraucher und Energiesenken einerseits in Relation zu den Komponenten der Energieerzeugung und der Zwischenspeicherung von Energie andererseits abgestimmt sind. Derzeit entstehen häufig Insellösungen, die ggf. später erweitert werden aber nicht unter Optimierungs- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ausgelegt wurden.
Da solche Energieverteilsysteme in einer Vielzahl von Faktoren auslegbar und skalierbar sind, stoßen Anlagenplaner solcher System schnell an ihre Grenzen bei der Ermittlung geeigneter Gesamtkonzepte. Allerdings betrifft die Auslegung eines solchen Systems nur einen Aspekt. Gleichsam proble matisch stellt sich die Aufgabe ein System in Echtzeit in einem optimalen Bereich zu betreiben. Um allerdings einen optimalen Echtzeitbetrieb über haupt zu gewährleisten bedarf es einer neuen und erfindungsgemäßen Vor gehensweise gemäß der vorliegenden Erfindung. Als lediglich ein Beispiel wird ein 1000 kW Energieversorgungs- und Verteilersystem bestehend aus z. B. einer PV-Anlage, einem Pufferspeicher, zwei Ladestationen zum Laden und Rückspeisen von Energie aus einem Energiespeicher eines Fahrzeugs, einem Netzanschluss zum Einspeisen und Entnehmen von Energie aus dem öffentlichen Netz und eine zentrale Steuerung betrachtet. Für einen Anlagenplaner bleibt es zunächst völlig unbestimmbar, wie er die einzelnen Komponenten und ein entsprechendes System betreffend Systemkonfiguration, Kapazitäten und Dimensionierung auslegen soll. Neben den skalierbaren Variablen der einzelnen Komponenten und deren Leistungsdaten kommen unbekannte Faktoren hinzu, wie
Entnahmekapazitäten, Energieverbrauch, Anzahl der Fahrzeuge, die an den Ladestationen geladen und entladen werden sollen, Ausrichtung und Lage des Gebäudes (geographische Klimadaten), wirtschaftliche Daten, wie
Einspeisevergütung, Stromkosten, Stromverbrauchsverhalten im Tag/Nach- Zyklus etc. Letztlich muss der Anlagenplaner eine Betrachtung mit vielen Unbekannten machen, die in der Praxis mehr oder weniger genau unter Berücksichtigung bestimmter Annahmen geschätzt werden.
Typischerweise werden aktuell hierzu theoretische Annahmen für jede einzelne Komponente zu Grunde gelegt, eine jeweilige Sicherheitsreserve auf Basis von Verbrauchswerten ermittelt und darauf basierend die so ausgelegten Komponenten zu einem Gesamtsystem kombiniert. So wird z. B. die PV- Anlage überdimensioniert geplant und es fließen unabhängig von der Konfi guration der Ladesäulen die bekannten Größen wie die Dachneigung, der Standort, die Ausrichtung und insbesondere die gewünschte Leistung in die Planung und Auslegung der PV-Anlage ein. Da zusätzlich auch Reserven kalkuliert werden, ist das System typischerweise nicht im Optimum dimen sioniert. Als Optimum im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Zustand verstanden, bei dem insbesondere das Kosten/Nutzenverhältnis möglichst gering ist, was bedeutet, dass man mit einem minimalen Anlagen- und Kos- tenaufwand die jeweils benötigten Leistungen aus der Anlage entnehmen kann. So wäre es abhängig vom Stromtarif des öffentlichen Netzanbieters ggf. unschädlich, wenn die Kosten für die Pufferspeicher reduziert werden können, da die Ladung von Fahrzeugen in der Nacht erfolgt und demenspre- chend die Steuerung so konfiguriert sein muss, um den benötigten Strom nur teilweise aus den Pufferspeichern zu beziehen und zu einem anderen Teil aus dem öffentlichen Netzt zu einem vergünstigten Nachttarif über den Netz anschluss.
Noch wesentlich schwieriger gestaltet sich die Aufgabe, wenn die anwender bezogenen und kostentreibenden Faktoren bei der Auslegung einzelner Komponenten in Wechselwirkung mit der Systemauslegung der weiteren
Komponenten erfolgen sollen. Im Stand der Technik ist bisher kein Verfahren bekannt, wie ein solches System im oder nahe am Optimum auszulegen ist.
Typisch ist es auch in der Praxis die Netzanschlussleistung entsprechend hoch zu dimensionieren, um Engpässe und Abnahmespitzen sicher über einen Strombezug aus dem Netz abzufangen. Dies kann aber aufgrund von einer generell zu hohen Netzanschlussleistung zu hohen Grundkosten füh ren, da der Anlagenplaner hier entsprechend hohe Netzanschlussleistung einplant und zukaufen muss, so dass aber im Ergebnis die geplante Anlage allein aus diesem Grund schon kein optimiertes Anlagenkonzept aufweist und demzufolge auch nicht optimiert mit einer Echtzeitregelung betrieben werden kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit zu stellen, um ein Energieversorg ungs- und Verteilersystem optimal mit einer Echtzeitregelung zu betreiben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen zweistufigen Prozess vorzusehen, um zu einer optimalen Echtzeit-Regelung zu gelangen.
Erfindungsgemäß wird hierzu in einer ersten Prozessstufe ein Simulations system mit Mitteln zum Erzeugen und/oder Verarbeiten von Simulationsdaten eines Simulationszielraums vorgeschlagen, in dem sich eine Anzahl an ener gieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden System- komponenten befinden, als eine Vielzahl von Elementen, wobei zwischen mindestens zwei Elementen ein Energiefluss stattfindet, um daraus einen Simulationszielraum darzustellen; Auswerte- und/oder Berechnungsmitteln zum Berechnen eines Leistungs-Faktors, der sich auf jeweils zwei oder meh rere Elemente aus der Vielzahl von Elementen bezieht, unter Berücksichti- gung ihrer Priorisierung auf der Basis den Simulationsdaten; Auswertemittel zum Auswerten der Leistungsdaten, die von jedem Element bereitgestellt oder verbraucht werden wird, unter Verwendung der Faktoren, die ermittelt wurden, um daraus die Systemkomponenten zu bestimmen, für die sich be- züglich eines variablen Effizienzwertes ein Optimum ergibt.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass in einer ersten Prozessstufe ein Si- mulationsmodeil mit verschiedenen Komponenten vorgesehen wird und diese Komponenten für verschiedene Szenarien simuliert und optimiert werden. Hierzu kann zum Beispiel ein Energiebus vorgesehen sein, an dem Energieverbraucher und Energie-Erzeuger angeschlossen sind. Als Abgänge können herkömmliche Busschnittstellen, wie TCP, CAN oder andere Bussysteme vorgesehen sein. Der Energiebus ist dann relevant, wenn das physikalische Modell abgekoppelt wird und durch die realen Größen ersetzt wird. Ein zweiter und wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft den Entwurf eines Reglers. Aus dem Simulationsmodell wird erfindungsgemäß ein Regler entworfen, wobei die Eingangsgrößen jedes Teilnehmers des Bussystems als relevante Regel Größe einfließen. Hierzu können Eingangsgrößen wie minimaler und maximaler Strom, minimale und maximale Span- nung, Energieinhalt, SOC, Temperatur, Wetterdaten, Kosten wie
Einspeisevergütung und Stromkosten und dergleichen einfließen.
Erfindungsgemäß wird insofern ein Verfahren zum optimierten Echtzeitbetrieb eines Energieverteiler-und Versorgungssystems vorgeschlagen, bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) unter Verwendung geeigneter Mittel zum Erfassen, Verarbeiten, Speichern von Betriebsdaten und Simulationsdaten mit den folgenden Schritten: a. Mittel zum Auswählen von energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) des Ener- gieverteiler-und Versorgungssystem; b. Erstellen eines Simulationsmodells für den Betrieb des Energieverteiler-und Versorgungssystems mit den ausgewählten Systemkompo- nenten, wobei das Simulationsmodell eine Vielzahl von Betriebssi tuationen abbildet, die sich durch eine Variation jeweils regelbarer Betriebsparameter der Systemkomponenten voneinander unter scheiden; c. Entwerfen eines Regelungssystems oder Regelungsbedingungen ba sierend auf Daten erhalten aus dem Simulationsmodell und aktuell erfassten Betriebsdaten oder Betriebsparametern, d. Entwerfen eines Regelungskonzepts für das Regelungssystems.
Als weitere optionale Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass e. das Regelungskonzept eine Regelungschleife ausgebildet ,so dass die aktuell erfassten Betriebsdaten oder Betriebsparameter und deren Einfluss auf eine zu optimierende Betriebsgröße verglichen wird mit den Daten des Simulationsmodells und abhängig von der Größe der Abweichung festgestellt wird, ob das Energieverteiler-und Versor- gungssystems in wenigstens dieser Betriebsgröße oder einer Viel zahl von Betriebsgrößen in einem Betriebs-Optimum betrieben wird und gegebenenfalls eine Regelungsanpassung vorgenommen werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen dass, das Regelungssystem das Betriebsoptimum nach jedem Reaktivieren selbst ständig einregelt, abhängig von den Betriebsparametern der aktuell betriebe nen und angeschlossenen Systemkomponenten. Hierdurch wird gewährleistet, dass sich das System jeweils beim An- und Abmelden eines Teilnehmers sprich einer Systemkomponente wie zum Beispiel einem Elektrofahrzeug, selbstständig abhängig von der neuen Situation ein regelt. Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass ein Anwenderoptimum ein geregelt wird.
Ein Anwenderoptimum kann zum Beispiel durch die Priorisierung der Schnel- ligkeit des Ladevorgangs erfolgen. Ein Nutzer, der auf das System zugreifen kann (zum Beispiel ein Nutzer eines Elektrofahrzeugs) kann anwenderspezifische Randbedingungen im System vorbestimmen. So kann zum Beispiel als Randbedingung vorgegeben werden, dass in einer vorgegebenen Zeit ein maximaler Energie-Ladefluss zum Fahrzeug gelangt, da versucht werden soll zum Beispiel in 1 Stunde die Bordbatterie maximal zu laden. Alternativ kann ein optimierter Preis zur Entnahme von elektrischer Energie vorgewählt werden, sodass der Ladevorgang dann startet, wenn das System dem Anwender einen bestimmten Strompreis anbietet (zum Beispiel Nachtstrom). Denkbar wäre auch, dass aus der Fahrzeugbatterie elektrische Energie eingespeist wird, und nur eine Rest-Ladekapazität vorgehalten werden soll, um eine be stimmte Fahrstrecke fahren zu können.
Meldet sich sozusagen ein Elektrofahrzeug über eine Schnittstelle am Ener- gieverteiler-und Versorgungssystem an, so erkennt das Regelungssystem den neuen Teilnehmer und kann abhängig von den Simulationsdaten und den tatsächlichen Betriebsdaten mittels des Regelungskonzepts einen neuen optimierten Betriebspunkt daraufhin einregeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich gleichermaßen auf Industriean lagen als auch auf HEMS-Systeme anwenden sowie auf Kombinationen da- raus.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Umsetzung des Regelungskonzepte mathematische Methoden aus der FUZZY-Logik und/oder neuronaler Netze verwendet werden. Die Fuzzy-Logik kommt vorzugsweise dann zur Anwen dung, wenn ein technischer Prozess mit mehreren Ein- und Ausgangsgrößen bei stark wechselnden Parametern und nichtlinearen Teilsystemen möglichst ohne menschlichen Eingriff gesteuert werden soll. Erfindungsgemäß wird hierzu ein Fuzzy Control System ein statisches nichtlineares Steuersystem, welches aus scharfen Eingangsgrößen eines komplexen Prozesses nach den Regeln einer Regelbasis unscharf definierte fuzzifizierte Steuergrößen und scharfe defuzzifizierte Wertesignale bildet. Unter der Fuzzifizierung im Sinne der vorliegenden Erfindung einer scharfen physikalischen Eingangsgröße (Messwert) versteht man die Quantifizierung durch unscharfe Definiti- onen mit linguistischen Begriffen oder anderen Parametern. Über die soge- nannten graphischen trapez- oder dreieckförmigen Fuzzy-Sets werden die Zugehörigkeitsgrade aus den diskreten Eingangssignalen innerhalb der Grundmengen (Variablen) ermittelt. Vorliegend erfolgt dies aber anders als in der klassischen Fuzzifizierung auf Basis des Simulationsmodells und der dort erfolgten Optimierung.
Auf dies erfindungsgemäße Weise lässt sich mittels Fuzzifizierung in Kombination mit einem Simulationsmodell eine Echtzeitregelung für ein sich immer wieder veränderliches System in einem Optimum regeln.
In einer ebenfalls alternativen Ausführungsform der Erfindung kann vorgese- hen sein, dass neben oder ergänzend zur FUZZY-Logik auch neuronale Netze verwendet werden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei der Regelung des Betriebsoptimums Eingangsgrößen jeder System komponenten verarbeitet werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Regelungssystem das Energieverteiler- und Versorgungssystem unter Verwendung des Regelungskonzepts in einer Simulation testen kann.
Es kann weiter mit Vorteil vorgesehen werden, dass das Regelungssystem zur Regelung des Betriebsoptimums insbesondere den jeweils aktuellen Energieverbrauch und/oder den jeweils aktuellen Energie-Eintrag in das Energieverteiler-und Versorgungssystem erfasst und berücksichtigt. Auf diese Weise wird insbesondere das dynamische Verhalten des realen Systems berücksichtigt, wenn Teilnehmer ihr Betriebsverhalten ändern, sich am Sys- tem an oder abmelden, Tarifänderungen zu einer bestimmten Uhrzeit eintre- ten oder andere Systemänderungen ohne manuellen Eingriff erfolgen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird so sichergestellt, dass eine dynamische und selbstständige Anpassung des Optimierungspunkts im Rahmen einer Echtzeitregelung erfolgt. Eine solche Regelung verlangt allerdings eine entsprechende Speicher-und Rechenleistung und ist für die Realisierung vor liegen Erfindung nicht zwingend sondern nur optional möglich.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Kommunikation der Systemkomponenten und Mittel im System über Schnittstellen CAM, TCP, serielle Schnittstelle oder andere herkömmliche Kommunikationsschnittstellen erfolgen. Hierdurch wird gewährleistet, dass mit herkömmlichen Kommunikationssystemen eine Kommunikation erfolgen kann bzw. das erfindungsgemäße Verfahren in be stehende Systeme integriert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das unmittelbar aus der Positionsebene, aus diesen Daten ein computerles barer Programmcode vorzugsweise einen C-Code erzeugt wird. Somit ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung aus der Fuzzifizierung zur Ermittlung des Betriebsoptimum einen C-Code zu generieren, um diesen ablauffähigen Systemen, die C-Code verarbeiten, einsetzen zu können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erzeugte computerlesbare Programmcode insbesondere C- Code auf einem Mikrocontroller, auch Labview oder Canoe integriert wird. Hierdurch besteht auch die Möglichkeit, dass der auf einem Mikrocontroller integrierte C -Code in Applikationen diverser Geräte Einsatz finden kann.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn von dem Regelungssystem die optimierten Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung von systemspezifischen Rand bedingungen ermittelt werden, wobei diese als Sollwerte in einem Sollwert speicher oder Betriebsspeicher der Steuerung hinterlegt sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Regelungssystem zur Verwendung eines wie zuvor beschriebenen Verfahrens. In einer besonders vorteilhaft Ausführungsform der Erfindung ist dabei vorgesehen dass das Regelungssystem einen Regler umfasst sowie eine Eingabeeinheit, zur Eingabe von Betriebsparametern und/oder Variablen, die bei der Regelung verwendet werden.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn das Regelungssystem eine Recheneinheit aufweist, die ausgebildet ist eine Fuzzifizierung auf Basis der Werte, Be triebsparameter und/oder Variablen der Systemkomponenten vorzunehmen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Regler über Schnittstellen verfügt, um Eingangsdaten der Simulationsschicht zu verarbeiten.
Als optimaler Betriebspunkt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Zu stand zu verstehen, bei dem insbesondere ein betriebswirtschaftliches Energie und Kostenoptimum erreicht ist hierzu können beispielsweise als Variab len Daten für Stromkosten pro Kilowattstunde sowie die Einspeisevergütung für das einspeisen von Energie in das öffentliche Netz berücksichtigt werden.
Weiter bevorzugt ist es im Falle der Umsetzung eines optionalen Regelkrei- ses, wenn der Effizienzwert als eine Funktion von n Variablen vorgesehen ist, wobei ein Optimum des Effizienzwertes eine lokale Extremstelle dieser Funktion darstellt, vorzugsweise ermittelt durch die partiellen Ableitungen der Funktion und die sich daraus ergebenden Maximalwertbedingungen bzw.
Minimalwertbedingungen, d. h. grad (f) mit einer entsprechenden Nullstellen auswertung und der Auswertung ob der Verlauf der Funktion in Abhängigkeit der entsprechenden Variable um das lokale Extremum herum konkav (Mini mum) oder konvex (Maximum) verläuft. In einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit für die Systemkomponenten jeweils Simulations- module verwendet, welche mindestens in ihren Leistungsdaten parametrierbar sind. Dabei sind die Simulationsmodule so ausgelegt, dass diese die Systemkomponente im Gesamtsystem nach einem Simulationsmodell nachstellen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü- chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Darstellung eines Energieverteiler-und Ver- sorgungssystems;
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung der
Ermittlung eines Betriebsoptimums eines Energieverteiler- und Versorgungssystems.
Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 näher er- läutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funkti onale Merkmale hinweisen.
In der Fig. 1 ist eine beispielhafte Darstellung eines Energieverteiler- und Versorgungssystems 10 gezeigt. Das Energieverteiler-und Versorgungssys tems 10 bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespei- chernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten SYSi. Die Pfeile an den Verbindungslinien zeigen den möglichen Energiefluss. So kann z. B. aus den energieerzeugenden Systemkomponenten EN (z. B. eine PV-Anlage oder eine Brennstoffzelle) elektrische Energie über die zentrale Steuerung 20 zu den unterschiedlichen Verbrauchern Vi gelangen. Die Steuerung kann dabei den Energiefluss nach einer systemspezifischen Priorisierung vorneh men. Die Batterie B1 als ausschließlich energiespeichernde Systemkomponenten SYSi erlaubt z. B. einen bi-direktionalen Energiefluss beim Laden in Richtung der Batterie und beim Entladen aus der Batterie heraus zu einem Verbraucher oder auch ins Netz zur Generierung einer Einspeisevergütung bei z. B. variablem Stromtarif als eine Variable VAR des öffentlichen Netzes. Beispielhaft sind ferner zwei Ladesäulen LK mit einer Ladekapazität von je 350 kW mit angekoppelten Elektro-Fahrzeugen F gezeigt, in denen jeweils eine Batterie B2 bzw. B3 eingebaut ist. Sobald sich das Fahrzeug F in seiner Kopplungsposition mit der Ladesäule LK befindet, kann elektrische Energie geladen werden, aber auch überschüssige (gerade nicht benötigte) Energie in z. B. die Batterie B1 gespeichert werden oder Strom in das öffentliche Netz über den Netzanschluss N eingespeist werden, wenn es in der gesamtwirt schaftlichen Betrachtung sinnvoll ist. Alternativ kann z. B. auch elektrische Energie von der Batterie B2 des einen Fahrzeugs F in die Batterie B3 des anderen Fahrzeugs F direkt über ein Ladesäulenmanagement übertragen werden. Um ein solches System ausgehend von bestimmten Leistungsparametern der Systemkomponenten SYSi und den Verbrauchern in Echtzeit und ab hängig von den angeschlossenen Teilnehmern sprich Systemkomponenten wirtschaftlich betreiben zu können, ist es aber in einem Steuerungsprozess erforderlich ein solches System in Echtzeit zu steuern. Dabei erzielbare technische Wirkung ist insbesondere darin zu sehen, dass ein Betriebsoptimum und insbesondere ein Energieoptimum erzielt werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Systems optimiert wird.
In der Figur 2 wird schematisch die Idee eines solchen Regelungssystems dargestellt. Im oberen Bereich der Figur 2 ist schematisch ein Energiebus- System 20 dargestellt. Das Energiebussystem 20 ist exemplarisch mit einem
20 KV Trafo 21 verbunden. Am Energiebussystem 20 sind diverse Teilnehmer SYSi angeschlossen. Beispielhafte„Teilnehmer“ sind Elektrofahrzeuge 22, eine PV Anlage 23, Energiespeicher 24 und beispielsweise ein Netzanschluss N. Zur Simulation führen vom Energiebussystem 20 diverse Busleitungen Bus 1 bis Bus 5 (S1 - S5) zum Regler 30. Der Regler 30 ist schematisch im unte ren Teil der Figur 2 dargestellt. Mit den Pfeilen 31 wird schematisch dargestellt, wie Eingangsgrößen (zum Beispiel Kosten pro Kilowattstunde) im Re- gelungssystem als variable Daten eingespeist werden. Unmittelbar darunter werden schematisch die Schnittstelleneingänge für die besagten Busse S1 - S5 dargestellt.
Abhängig von den diversen Eingangsgrößen, wie zum Beispiel: maximaler Strom, minimaler Strom, maximale Spannung, minimale Spannung, SOC, und weiteren Systemgrößen wird mittels einer FUZZY-Steuerung eine Fuzifizierung auf Basis der einzelnen Parameter vorgenommen. In einem ersten Schritt erfolgt ausgehend von einer Simulationsbetrachtung mittels Simulationsdatenmodells, oberer Teil der Figur 1 , eine Systemsimulation. Dabei werden für die Systemkomponenten verschiedene Szenarien simuliert und optimiert. Das Ergebnis wird verwendet, um den Regler 30 zu entwerfen (unterer Teil der Abbildung der Figur 2).
Es wird bevorzugt ein Szenario mit dem so entworfenen Regler 30 in der Simulation getestet und ausgewertet. Ist das erhaltene Szenario eines derjeni gen Szenarien, das in der Simulation ermittelt wurde, so kann anhand der Größenordnung der Abweichung die optimale Berechnung des realen Sys tems erfolgen. In der Praxis werden hierzu herkömmliche Steuerungsmittel und Regelungseinrichtungen verwendet, um das System bzw. die daran an geschlossenen Systemkomponenten entsprechend ihrem Betriebsverhalten durch den Regler 30 anzupassen. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum optimierten Echtzeitbetrieb eines Energieverteiler-und Versorgungssystems (10) bestehend aus einer Vielzahl an energieer- zeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) unter Verwendung geeigneter Mittel zum Er fassen, Verarbeiten, Speichern von Betriebsdaten und Simulationsdaten mit den folgenden Schritten: a. Mittel zum Auswählen von energieerzeugenden, energiespei chernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) des Energieverteiler-und Versorgungssystems; b. Erstellen eines Simulationsmodells für den Betrieb des Energie verteiler- und Versorgungssystems mit den ausgewählten Sys temkomponenten, wobei das Simulationsmodell eine Vielzahl von Betriebssituationen abbildet, die sich durch eine Variation jeweils regelbarer Betriebsparameter der Systemkomponenten voneinander unterscheiden; c. Entwerfen eines Regelungssystems basierend auf Daten erhal ten aus dem Simulationsmodell und aktuell erfassten Betriebsdaten oder Betriebsparametern, d. Entwerfen eines Regelungskonzepts für das Regelungssystem.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rege lungssystem das Betriebsoptimum nach jedem Reaktivieren selbstständig einregelt, abhängig von den Betriebsparametern der aktuell betriebenen und angeschlossenen Systemkomponenten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem ein optimiertes Regelungskonzept unter Verwendung wenigstens eines Algorithmus, einer FUZZY-Control und/oder neuronaler Netze verwendet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass bei der Regelung des Betriebsoptimum Eingangs größen jeder Systemkomponenten verarbeitet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Regelungssystem für das das Energievertei- ler- und Versorgungssystem unter Verwendung des Regelungskon zepts in einer Simulationsumgebung getestet werden kann.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Regelungssystem zur Regelung des Be- triebsoptimum insbesondere den jeweils aktuellen Energieverbrauch und/oder den jeweils aktuellen Energie-Eintrag in das Energieverteiler- und Versorgungssystem erfasst und berücksichtigt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kommunikation der Systemkomponenten und Mittel im System über Schnittstellen CAM, TCP, serielle Schnittstelle oder andere herkömmliche Kommunikationsschnittstellen erfolgen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem unter Verwendung des Re- gelungskonzepts im Rahmen einer zulässigen Abweichung der ist Be- triebsdaten von den Simulation Daten einen computerlesbaren Programmcode vorzugsweise einen C-Code erzeugt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte computerlesbare Programmcode insbesondere C-Code auf ei nem Mikrocontroller, auch Labview oder Canoe integriert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Regelungssystem die optimierte Betriebsbe dingungen unter Berücksichtigung von systemspezifischen Randbe dingungen ermittelt, wobei diese als Sollwerte hinterlegt sind.
11. Regelungssystem zur Verwendung eines Verfahrens gemäß den An- Sprüchen 1-10, wobei das Regelungssystem einen Regler umfasst sowie eine Eingabeeinheit, zur Eingabe von Betriebsparametern und/oder Variablen, die bei der Regelung verwendet werden.
12. Regelungssystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem eine Recheneinheit aufweist, die ausgebildet ist eine Fuzzifizierung auf Basis der Werte, Betriebsparameter und/oder Variablen der Systemkomponenten vorzunehmen.
13. Regelungssystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich- net, dass der Regler über Schnittstellen verfügt, um Eingangsdaten der Simulationsschicht zu verarbeiten.
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