WO2021121881A1 - Determination of the structure of an energy system that is resilient to a failure of one or more of the components thereof - Google Patents

Determination of the structure of an energy system that is resilient to a failure of one or more of the components thereof Download PDF

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WO2021121881A1
WO2021121881A1 PCT/EP2020/083204 EP2020083204W WO2021121881A1 WO 2021121881 A1 WO2021121881 A1 WO 2021121881A1 EP 2020083204 W EP2020083204 W EP 2020083204W WO 2021121881 A1 WO2021121881 A1 WO 2021121881A1
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WO
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energy
energy system
components
failure
power
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PCT/EP2020/083204
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Inventor
Lukas HÖTTECKE
Sebastian THIEM
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • G06Q10/00Administration; Management
    • G06Q10/04Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06Q50/00Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/06Energy or water supply

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1, an energy management system according to the preamble of claim 12 and an energy system according to the preamble of claim 14.
  • Multimodal energy systems are energy systems that generate and / or provide energy in several forms of energy.
  • a multimodal energy system for an energy consumer for example a building, an industrial plant or a private plant, provides one or more forms of energy, the provision in particular by converting different forms of energy, by transporting different forms of energy and / or by means of stored forms of energy he follows.
  • the various forms of energy for example heat, cold or electrical energy, are coupled by means of the multimodal energy system with regard to their generation, their provision and / or their storage.
  • a typical industrial multimodal energy system for example in the food industry, has several energy technology systems (technologies for energy conversion), various storage devices (storage technologies), a connection to a (public) electricity network, a connection to a (public) gas network and / or hydrogen network and several electrical and thermal loads.
  • technologies for energy conversion technologies for energy conversion
  • storage technologies storage technologies
  • connection to a (public) electricity network a connection to a (public) gas network and / or hydrogen network and several electrical and thermal loads.
  • An energy system design method thus determines the most optimal structure of the energy system, for example with regard to its energetic efficiency.
  • the structure of the energy system is formed in particular by its components, the dimensions and / or capacities of its components, the costs of its components, energy flows, power flows and / or by its energy transfer lines.
  • a combined heat and power plant provides electricity, i.e. electrical energy, during high load times.
  • the waste heat from the CHP plant can in turn be at least partially temporarily stored by means of a heat storage device and used to cover thermal loads.
  • the optimization can be based on measurement data relating to the electrical and thermal loads mentioned.
  • the term resilience denotes, for example, the ability of the energy system not to fail completely in the event of faults, failures and / or partial failures and / or disruptive events, but rather to maintain critical loads, i.e. to cover them.
  • a load is critical if it has to be maintained at least partially, in particular completely, even when a fault, a failure and / or partial failure and / or a disruptive event occurs.
  • a typical malfunction or a typical failure is a malfunction or a failure of an external power grid connected to the energy system but with respect to this. Failures or malfunctions can therefore be triggered by internal and / or external events in relation to the energy system.
  • a disruptive event is a power failure, a hacker attack on a control room and / or a technical failure of CHP systems.
  • the present invention is based on the object of providing a method for determining the structure of an energy system which leads to an improved resilience of the energy system. Furthermore, an energy system with improved resilience is to be provided.
  • Services during or after the failure are marked with an asterisk.
  • the services at or before the failure show no asterisk.
  • a failure is any possible disruption in the operation of the energy system, in particular the at least partial failure of a component of the energy system and / or the at least partial failure of an external power grid with respect to the energy system to which the energy system is connected for exchanging electrical energy ( Reference and / or feed) is connected. If this power grid fails, certain components of the energy system also fail.
  • Other networks, data networks and / or supply networks, for example gas networks and / or hydrogen networks, can be provided as an alternative or in addition.
  • the retrieval duration P D can also be time-dependent, that is to say, for example, as well as the other variables mentioned, it depends on the time of the failure. However, the time dependency becomes simple notation is not explicitly written out here.
  • the structure of the energy system (design of the energy system), in particular its components, the dimensions and / or capacities of its components, the costs of its components, its energy flows, its power flows and / or its energy transfer lines and / or the energetic couplings determined between its components.
  • the structure of the energy system and its energy flows or power flows is mapped or modeled holistically so that synergy potentials between the components and / or the various forms of energy can be determined.
  • the energy-related structure of the energy system is determined.
  • a load is critical if it must be at least partially, in particular completely, maintained, that is to say must be covered, even when the failure occurs.
  • the load must be at least partially covered if dependent components and / or processes are significantly impaired by a disturbance in the load.
  • An impairment is essential, for example, if an operation of the component that is dependent on the critical load is no longer possible and / or the process that is dependent on the critical load can no longer be carried out or maintained.
  • the critical load continues to be covered during the failure in such a way that critical processes associated therewith are not inadmissibly impaired.
  • An optimization within the meaning of the present invention is a method for minimizing or maximizing (calculating an extremum) of an objective function.
  • the minimization or maximization of the objective function is typically extremely complex and can therefore only be done numerically.
  • the objective function characterizes a property or a size of the system, for example the carbon dioxide emissions or the operating costs of an energy system.
  • the objective function is thus a mathematical model of the energy system.
  • the objective function has parameters and variables.
  • the result of the optimization i.e. in the present case the structure of the energy system, corresponds to the values of the variables of the objective function.
  • the parameters are typically load profiles based on measurement data and parameterize the target function specific to the energy system. Furthermore, the optimization is typically carried out taking into account several secondary conditions, for example energy conservation.
  • Constraints, constraints or constraints - here collectively referred to as constraints - are conditions, properties and / or relations that the parameters and / or variables of the optimization process must meet. These can be given as an equation and / or inequality and / or explicitly describe a set of permissible values of the parameters and / or permissible values of the variables.
  • the objective function characterizes the total carbon dioxide emissions of the energy system.
  • the total carbon dioxide emission comprises the individual carbon dioxide emissions of the components of the energy system.
  • Each of the components can provide a specific electrical and / or thermal output for a specific amount of carbon dioxide.
  • the electrical and / or thermal outputs are the variables of the objective function and the amounts of carbon dioxide per generated electrical and / or thermal output (specific amount of carbon dioxide) are the parameters of the objective function.
  • the optimization minimizes the total carbon dioxide emission (target function).
  • the energy system can be designed and / or operated as optimally as possible with regard to its carbon dioxide emissions.
  • the power P j * of each component contributing to meeting the critical load becomes within a response time T R of the energy system by the nominal power P net, £ of the respective component (from above) weighted with the start-up time T neti. This takes place within or for a retrieval period T O.
  • the method thus has three characteristic types of time or duration, namely the response time T R , the retrieval duration 7j ) and the individual start-up times T neti .
  • the response time T R is the duration of the change in operation of the energy system that occurs due to the failure. In other words, this is the period of time in which the energy system can react, or reacts, to the failure. It can therefore also be referred to as the response time.
  • each component of the energy system has a different response time.
  • the response time T R can be defined as the longest of the response times of the components. In other words, the response time T R of the energy system is determined by the component of the energy system that is slowest in terms of the reaction time. The response time T R of the energy system is thus determined by its components. In particular, CHP systems and / or emergency power systems cannot adjust their operating point at will.
  • the call duration T O is the time in which the supply of the critical load must be ensured. In other words, the state that results from the change in the operating points or working points must be maintained for the period T O.
  • the retrieval time T O is typically longer, in particular significantly longer, than the response time T R.
  • the retrieval duration T O is determined, for example, and can correspond to an average expected downtime.
  • the call duration 7j is determined on the basis of local availability statistics of a power grid that is external to the energy system. If such data are not available and / or are not available, empirical values from comparable locations can be used.
  • the inventive Process can be optimally adapted to the quality of supply at the location of the energy system.
  • the start-up time T net i is the component-specific period of time in which the respective component increases its output from zero to the nominal output P net, £ (from 0 percent to 100 percent).
  • the respective start-up time T net i is thus determined by the respective associated component.
  • the change in the power of a component is limited during the call time by the nominal power P ne t, i of the component (from above) weighted with the start-up time T net i.
  • P ne t, i of the component weighted with the start-up time T net i.
  • the change of the performance of the component is less than or equal to P n is Et, i / n T et, i (operating point in linear change of Be ⁇ ) for all time points within the ⁇ brufdauer 7j).
  • the restriction applies to all contributing components, i.e. for all components that contribute to covering the critical load. This ensures that the change in operating status of the respective contributing component is taken into account. In other words, each contributing component needs a certain amount of time to change the operating state, for example to increase its performance.
  • a further advantage of the present invention is that, in particular, short-term interruptions in the external power network are compensated for and the operation of the energy system is therefore not significantly impaired.
  • the present method thus enables critical loads and / or processes and / or systems to be safeguarded at any point in time. Here- downtime costs can be minimized and at best avoided completely.
  • Another advantage of the present invention is that it enables the energy system to operate in a way that is beneficial to the grid.
  • this enables isolated operation of the energy system, in which decentralized energy-technical systems, for example generating systems and / or storage systems, can be operated independently of the power grid or the public power grid.
  • the energy system can provide a flexibility which contributes to the stabilization of the overall network, in particular the electricity network, or can be used for accelerated network reconstruction.
  • the highest possible temporal resolution is required, for example every minute.
  • the method according to the invention correctly maps energy management-relevant bills to a low temporal resolution, for example to 15-minute mean values.
  • the energy management system comprises at least one control unit for controlling several components of an energy system, the control of the components being based on an objective function provided for optimization, so that control values for controlling the components are determined by calculating an extreme of the objective function.
  • the energy management system according to the invention is characterized in that the control unit is designed in such a way that the calculation of the extremum takes place under the secondary condition that a critical load is covered by one or more contributing components i of the energy system for a retrieval period r D in such a way that that components and / or processes that are dependent on the critical load P are essentially not, in particular not, impaired, with the time change in the power P j * each contributing to this.
  • lowing component within a response time T R of the energy system is limited by the nominal power P ne t, i of the respective component weighted with the start-up time T neti.
  • the energy management system particularly preferably has a data interface which enables data to be exchanged between the energy management system and a local energy market, a cloud server and / or a decentralized data center.
  • the energy system according to the invention is characterized in that it comprises an energy management system according to the present invention and / or one of its design.
  • the call duration T O of the associated energy management system is determined as a function of the location of the energy system.
  • a local supply quality can advantageously be taken into account, in particular with regard to a power grid to which the energy system is connected.
  • the energy system can comprise spatially distributed dividing systems. This is the case, for example, with several production sites.
  • the change over time in the powers P j * of each contributing component is limited by P net, i / T neti.
  • P net i / T neti
  • the temporal performance of at least one of the contributing components is limited by Gi (P net i / T net i ), where G j describes the non-linear dependence of component i.
  • Gi is independent of the component i, that is, the nonlinear dependence is given for all i by G (P net i / T net i ).
  • the power P j * of each contributing component within the response time T R of the energy system (1) is limited by Pi + P n e t, i T R / T net i , where Pi is the power of the respective Component i referred to before or on failure.
  • Pi + P n e t, i T R / T net i is the integral of the condition that the temporal change in the performance of the respective component by P n et , i / T n et , i within the response time T R of is limited above.
  • the two conditions mentioned are therefore equivalent.
  • the condition means that only part of the respective nominal power can be provided by the respective component in order to continue to supply the critical load within the response time.
  • the condition Pi + P n e t, i T R / T net i ⁇ P net i must also always be fulfilled.
  • the respective performance of the component within the response time is limited by Pi + P n e t, i T R / T net i and by P net, £ from above.
  • At least one of the contributing components is an energy storage device, with the calculation of the extremum taking place under the further secondary condition that the power P ES provided by the energy storage device during the call period T O satisfies the inequality? 7 ES P ES r D ⁇ SOC Cap ES fulfilled, where h E $ denotes the discharge efficiency of the energy store, SOC denotes the state of charge of the energy store before or in the event of failure, and Cap ES denotes the capacity of the energy store.
  • the energy store can only provide part of its nominal output (total output) (for a certain time).
  • This physical limit is integrated into the optimization by the secondary condition t] ES P ES T O ⁇ SOC Cap ES , so that advantageously the optimization or the solution to the optimization (structure of the energy system) takes into account the physical boundary conditions of the energy store.
  • the energy store advantageously provides flexibility within the energy system. Alternatively or in addition, the energy storage system can reduce peak loads if an energy management system is in place.
  • the energy store is preferably an electrochemical energy Storage, in particular a battery storage.
  • One or more energy stores can be provided.
  • the calculation of the extremum takes place under the secondary condition during the retrieval period T O for all contributing components i.
  • the function F models the condition that components and / or processes dependent on the critical load, that is to say critical processes associated with the critical load, are essentially not impaired, that is to say are not impaired in an impermissible manner.
  • short-term and unforeseeable load peaks must also be covered.
  • a certain percentage a of the critical load present before the failure could additionally be made available by the components of the energy system.
  • an energy store, a combined heat and power plant and / or an emergency power system are used as contributing components.
  • the components mentioned can advantageously be operated dynamically with regard to the provision of power.
  • the energy store and / or the backup system can respond essentially immediately to a failure, so that the response time of the energy system is thereby advantageously reduced overall.
  • the respective structure of the energy system is determined for a plurality of retrieval periods T O.
  • the structure of the energy system can thereby advantageously be adapted to the call duration T O.
  • the retrieval duration can depend on the location of the energy system, in particular on the region and / or country in which the energy system is installed or is to be installed. The retrieval duration can therefore be significantly different for different locations or intended locations of the energy system. If the structure is determined as a function of the retrieval period, a structure of the energy system that is as optimal as possible for the location or region can be determined. In other words, the location of the energy system is thereby advantageously also taken into account. 7j) for is particularly preferably determined from local availability statistics of a local power grid that is superordinate with respect to the energy system, and the structure of the energy system is determined for this determined call duration T O. The energy system is connected to the aforementioned power grid.
  • the respective value of the objective function and a respective value of a failure function are determined for the several specific structures, the failure function quantifying the failure risk of the critical load as a function of the call duration 7j), and a structure from the specific structures he with- which has the smallest value of the sum formed from the objective function and failure function.
  • the value of the objective function characterizes the most optimal structure of the energy system.
  • the value of the objective function i.e. its extremum, is determined as a function of the call duration.
  • the objective function typically characterizes a variable that should be minimized as much as possible, for example the carbon dioxide emissions of the energy system, its primary energy use and / or its costs (operating costs and investment costs).
  • the objective function can, however, be advantageously expanded to determine the best possible structure with regard to a failure and the creation of resilience, since this typically assumes that the energy system is operating without such a failure, that is, from the best possible operation.
  • a failure is associated with a certain risk of failure, which is described by the failure function.
  • the failure function is to be added to the original target function, so that a new target function that takes into account the case arises depending on the call duration.
  • the optimal structure now results from the minimum of the new objective function mentioned.
  • the optimal structure is the solution with the lowest value of the sum formed from the target function, for example the lowest total of the costs (English: Total Expenditure; Totex), and the lowest default risk, for example a financial default risk.
  • FIG. 1 shows an energy system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 a first diagram
  • Figure 3 shows a second diagram
  • FIG. 1 shows an energy system 1 according to one embodiment of the present invention.
  • the configuration is described below using an electrical supply system at a node.
  • further energy-related nodes or networks and / or supply networks for example with regard to heat, cold and / or chemical substances, for example gas, can be provided.
  • the energy system 1 comprises several energy-technical compo nents 21, ..., 23, in this case an energy storage device 21, for example a battery storage, a combined heat and power plant (CHP plant) 22, for example a block-type thermal power station and an emergency power system 23, for example a Diesel generator.
  • the energy system 1 also includes a control unit 20.
  • the energy system 1 is connected to a power grid 3 that is external to the energy system 1.
  • the energy system 1 comprises a first load 41 and a second load 42.
  • external loads that are supplied by the energy system 1 are also conceivable.
  • the first load 41 is a non-critical load, which means that it does not necessarily have to continue to be covered in the event of a failure of the power grid 1.
  • the second load 42 is a critical load which must at least partially be covered in the event of a failure of the power grid 3.
  • all loads can be used as Non-critical load or critical load who categorized, whereby a load - depending on the time and / or type of failure - can be a non-critical or a critical load.
  • the energy-related components 21,..., 23, the control unit 20 and the critical load 42 form a protected system 2 within the energy system 1.
  • This protected system must supply itself with power / energy during the failure of the power grid 3 and maintain certain loads, in the present case the critical load 42.
  • the first load 41 on the other hand, as a non-critical load, is not part of the protected system 2, that is to say that it is no longer supplied in the event of a failure. If the power grid 3 fails, the protected system 2 forms an island grid in this sense.
  • the critical load 42 In the event of a failure of the power grid 3, the critical load 42 must continue to be covered for a retrieval period.
  • the call duration can correspond to a typical downtime of the power grid 3 and / or be at least as long as the downtime of the power grid 3.
  • the energy-related components 21,..., 23 all contribute to covering the critical load 42 in the present exemplary embodiment. They are therefore contributing components.
  • the energy system 1 cannot react immediately to a failure of the power grid 3.
  • the energy system 1 requires a certain response time in order to adjust the performance of the respective contributing components 21, ..., 23 to the required new operating state.
  • the CHP system 22 and / or the emergency power system 23 must be started up.
  • the response time of the energy system 1 is then determined, for example, by the longest component-specific response time. According to the present invention, the response time is taken into account when controlling (the concept of controlling includes the concept of regulating) the energy system 1 by the control unit 20.
  • the temporal change in the power of the respective load-bearing component 21, ..., 23 is limited by P n et, i / T n et, i (in the linear case), where P netj is the respective nominal power and T net i is the start-up time the respective component i denotes.
  • the mentioned restriction is taken into account as a secondary condition in an optimization method which is used to determine the most optimal structure of the energy system 1 or the most optimal possible operation of the energy system 1.
  • the control unit 20 performs the optimization, for example as part of an energy management system. In this sense, the control unit 20 forms a model-predictive control or this is designed for a model-predictive control.
  • FIG. 2 shows a first diagram
  • the power of the respective component is plotted in any units on the ordinate 101 of the first diagram.
  • Generation / provision is provided with a positive value and consumption / load with a negative value.
  • loads 204, 205 are covered by benefits 202, 203.
  • the power 202 is provided by a CHP plant.
  • the power 203 is provided by an electricity network. If the power grid now fails (power 203 drops to the value zero), critical load 205 must continue to be covered by contributing components of the energy system.
  • the critical load 204 after the failure is covered by the CHP plant and a power 201 provided by an energy store.
  • the non-critical load (output 205) is no longer supplied.
  • the operating state of the contributing components is changed within the response time T R , that is, the energy storage device and the CHP system are present. The energy storage and the CHP system cannot contribute the output ultimately required within the response time, but only part of their nominal output.
  • FIG. 3 shows a second diagram which illustrates an optimal solution, that is to say an optimal structure of an energy system, taking into account a failure function.
  • the call duration T O is plotted in hours on the abscissa 100 of the diagram.
  • the associated value of the sum of the objective function and the failure function is plotted on the ordinate 101.
  • the diagram is a bar diagram, with the striped bars corresponding to the value of the objective function and the unstriped bars corresponding to the value of the failure function.
  • the sum of the two values thus corresponds to the sum of the bars mentioned.
  • the call duration has the value zero, there are no additional components or redundancies to create a resilience of the energy system against a failure.
  • the value of the objective function is therefore minimal in this regard.
  • there is also a high risk of failure since the energy system has no security in relation to failure.
  • the default risk is quantified in this regard by the value of the default function.
  • the value of the failure function is a maximum for this. As a result, there is typically no minimum of the total (sum of the two bars in the diagram) for this retrieval period.
  • the energy system must have a plurality of energy stores, in particular special electrochemical stores. As a result, the risk of failure is minimal, but the value of the target function is maximal. This also does not correspond to a structure of the energy system that is as optimal as possible.
  • Control unit 21 Energy store 22 Combined heat and power system 23 Emergency power system 41 Non-critical load

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Abstract

The invention relates to a computer-assisted method for the numerical determination of the structure of an energy system (1) that is resilient to a failure of one or more of the components (21,..., 23) thereof, wherein the energy system (1) is described by a target function intended for optimization such that the structure of the energy system (1) is determined by calculating an extremum of the target function. The method is characterized in that the extremum is calculated under the secondary condition that a critical load P L* (42) is further covered by one or more contributing components i (21,..., 23) of the energy system (1) for a call-off duration T D in such a manner that components and/or processes dependent on the critical load P L* (42) are not substantially impaired, wherein, to this end, the periodic change of the capacity P i* of each contributing component (21,...,23) within a response time T R of the energy system (1) is limited by the nominal capacity P net,i of the component (21,..., 23) in question weighted by the starting time T net,i. The invention further relates to an associated energy management system and an energy system (1).

Description

Beschreibung description
Bestimmung der Struktur eines gegenüber einem Ausfall einer oder mehrerer seiner Komponenten resilienten Energiesystems Determination of the structure of an energy system that is resilient to the failure of one or more of its components
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Energiemanagementsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 12 sowie ein Energiesystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14. The invention relates to a method according to the preamble of claim 1, an energy management system according to the preamble of claim 12 and an energy system according to the preamble of claim 14.
Energiesysteme umfassen typischerweise mehrere Komponenten, insbesondere energietechnische Anlagen, beispielsweise Ener giewandlungsanlagen, Verbrauchsanlagen und/oder Speicheranla gen. Multimodale Energiesysteme sind Energiesysteme, die Energie in mehreren Energieformen erzeugen und/oder bereit stellen. Insbesondere stellt ein multimodales Energiesystem für einen Energieverbraucher, beispielsweise ein Gebäude, ei ne Industrieanlage oder eine private Anlage, eine oder mehre re Energieformen bereit, wobei die Bereitstellung insbesonde re durch eine Umwandlung verschiedener Energieformen, durch einen Transport verschiedener Energieformen und/oder durch gespeicherte Energieformen erfolgt. Mit anderen Worten werden die verschiedenen Energieformen, beispielsweise Wärme, Kälte oder elektrische Energie, mittels des multimodalen Energie systems bezüglich ihrer Erzeugung, ihrer Bereitstellung und/oder ihrer Speicherung gekoppelt. Energy systems typically include several components, in particular energy-related systems, for example energy conversion systems, consumption systems and / or storage systems. Multimodal energy systems are energy systems that generate and / or provide energy in several forms of energy. In particular, a multimodal energy system for an energy consumer, for example a building, an industrial plant or a private plant, provides one or more forms of energy, the provision in particular by converting different forms of energy, by transporting different forms of energy and / or by means of stored forms of energy he follows. In other words, the various forms of energy, for example heat, cold or electrical energy, are coupled by means of the multimodal energy system with regard to their generation, their provision and / or their storage.
Ein typisches industrielles multimodales Energiesystem, bei spielsweise in der Lebensmittelindustrie, weist mehrere ener gietechnische Anlagen (Technologien für die Energieumwand lung) auf, verschiedene Speichervorrichtungen (Speichertech nologien), einen Anschluss an ein (öffentliches) Stromnetz, einen Anschluss an ein (öffentliches) Gasnetz und/oder Was serstoffnetz sowie mehrere elektrische und thermische Lasten auf. A typical industrial multimodal energy system, for example in the food industry, has several energy technology systems (technologies for energy conversion), various storage devices (storage technologies), a connection to a (public) electricity network, a connection to a (public) gas network and / or hydrogen network and several electrical and thermal loads.
Es ist bekannt, Energiesysteme mittels eines Energiesystemde signverfahrens (Energiesystemanalyse) möglichst effizient auszulegen, das heißt ihre möglichst optimale Struktur zu be stimmen. Hierzu wird ein mathematisches Modell des Energie systems verwendet, welches eine Optimierung des Energiesys tems bezüglich einer Zielfunktion mittels eines nummerischen Optimierungsverfahrens ermöglicht. Typischerweise sind hierzu eine Mehrzahl von physikalischen Parametern (Eingangsparame tern), beispielsweise Vorhersagen von Lastprofilen und/oder Zustandsmessungen, zur Parametrisierung des mathematischen Modells beziehungsweise der Zielfunktion sowie mehrere Neben bedingungen erforderlich. Mit anderen Worten werden Energie systeme, insbesondere multimodale Energiesysteme, mittels da tenbasierten Optimierungsverfahren ausgelegt. It is known to design energy systems as efficiently as possible by means of an energy system de- sign process (energy system analysis) to design, that is, to determine their optimal structure. For this purpose, a mathematical model of the energy system is used, which enables the energy system to be optimized with regard to a target function by means of a numerical optimization method. Typically, a plurality of physical parameters (input parameters), for example predictions of load profiles and / or state measurements, for parameterizing the mathematical model or the target function, as well as several secondary conditions, are required for this. In other words, energy systems, in particular multimodal energy systems, are designed using data-based optimization methods.
Ein solches Energiesystemdesignverfahren ist beispielsweise aus dem Dokument EP 3561743 Al bekannt. Such an energy system design method is known, for example, from the document EP 3561743 A1.
Durch ein Energiesystemdesignverfahren wird somit eine mög lichst optimale Struktur des Energiesystems, beispielsweise bezüglich seiner energetischen Effizienz, bestimmt. Die Struktur des Energiesystems wird insbesondere durch seine Komponenten, die Dimension und/oder Kapazitäten seiner Kompo nenten, die Kosten seiner Komponenten, Energieflüsse, Leis tungsflüsse und/oder durch seine Energietransferleitungen ge bildet. An energy system design method thus determines the most optimal structure of the energy system, for example with regard to its energetic efficiency. The structure of the energy system is formed in particular by its components, the dimensions and / or capacities of its components, the costs of its components, energy flows, power flows and / or by its energy transfer lines.
Beispielsweise stellt eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK- Anlage) in HochlastZeiten Strom, das heißt elektrische Ener gie, bereit. Die Abwärme der KWK-Anlage kann wiederum mittels eines Wärmespeichers wenigstens teilweise zwischengespeichert werden und zur Deckung thermischer Lasten herangezogen wer den. Grundlage der Optimierung können hierbei Messdaten be züglich der genannten elektrischen und thermischen Lasten sein. For example, a combined heat and power plant (CHP plant) provides electricity, i.e. electrical energy, during high load times. The waste heat from the CHP plant can in turn be at least partially temporarily stored by means of a heat storage device and used to cover thermal loads. The optimization can be based on measurement data relating to the electrical and thermal loads mentioned.
Allerdings werden bei bekannten Verfahren Messdaten bezüglich des (externen) Stromnetzes nicht verwendet. Dadurch ist die Versorgungssicherheit des Energiesystems gefährdet. Um dies zu verhindern werden sogenannte Backup-Generatoren verwendet. Dadurch kann eine bestimmte Resilienz des Energiesystems, die jedoch nicht optimal ist, bereitgestellt werden. Typischer weise sind somit Energiesysteme, die eine bestimmte Resili enz, beispielsweise gegenüber einem Ausfall des externen Stromnetzes aufweisen, überdimensioniert. However, in known methods, measurement data relating to the (external) power grid are not used. This jeopardizes the security of supply of the energy system. So-called backup generators are used to prevent this. As a result, a certain resilience of the energy system, which is not optimal, can be provided. Typically, energy systems that have a certain resilience, for example to a failure of the external power grid, are overdimensioned.
Hierbei bezeichnet der Begriff der Resilienz beispielsweise die Fähigkeit des Energiesystems bei Störungen, Ausfällen und/oder Teilausfällen und/oder disruptiven Ereignissen nicht vollständig zu versagen, sondern kritische Lasten aufrechtzu erhalten, das heißt zu decken. Eine Last ist in diesem Sinne kritisch, wenn sie auch beim Auftreten einer Störung, eines Ausfalls und/oder Teilausfalls, und/oder eines disruptiven Ereignisses zwingend wenigstens teilweise, insbesondere voll ständig, aufrechterhalten werden muss. Here, the term resilience denotes, for example, the ability of the energy system not to fail completely in the event of faults, failures and / or partial failures and / or disruptive events, but rather to maintain critical loads, i.e. to cover them. In this sense, a load is critical if it has to be maintained at least partially, in particular completely, even when a fault, a failure and / or partial failure and / or a disruptive event occurs.
Eine typische Störung beziehungsweise ein typischer Ausfall ist eine Störung beziehungsweise ein Ausfall eines mit dem Energiesystem verbundenen jedoch bezüglich diesem externen Stromnetzes. Ausfälle oder Störungen können somit bezüglich des Energiesystems durch interne und/oder externe Ereignisse ausgelöst sein. Insbesondere ist ein disruptives Ereignis ein Stromausfall, ein Hackerangriff auf eine Kontrollwarte und/oder ein technischer Ausfall von KWK-Anlagen. A typical malfunction or a typical failure is a malfunction or a failure of an external power grid connected to the energy system but with respect to this. Failures or malfunctions can therefore be triggered by internal and / or external events in relation to the energy system. In particular, a disruptive event is a power failure, a hacker attack on a control room and / or a technical failure of CHP systems.
Ein Ausfall des externen Stromnetzes ist die häufigste Ursa che von elektrischen Versorgungsunterbrechungen. Durch Redun danzen und Umschaltungen innerhalb des externen Stromnetzes können längerfristige Unterbrechungen (Netzunterbrechungen) vermieden werden. Kurzfristige Stromunterbrechungen (< 3 Mi nuten) sind typischerweise durch Umschaltungen bedingt und korrelieren mit atmosphärischen Ereignissen beziehungsweise Einwirkungen, beispielsweise Gewittern. Somit ergeben sich bei kurzfristigen Versorgungsunterbrechungen kaum Eingriffs möglichkeiten für einen Netzbetreiber des Stromnetzes. Gemäß EN 50160 ist daher mit bis zu mehreren 100 kurzen Versor gungsunterbrechungen (< 3 Minuten) pro Jahr zu rechnen. Elektrische Versorgungsunterbrechungen können zu erheblichen Schäden führen, beispielsweise durch Schäden an Produktions anlagen oder durch mangelhafte Produkte. Neuere Produktions anlagen, insbesondere im Hinblick auf die Digitalisierung der industriellen Energiesysteme beziehungsweise Produktion (In dustrie 4.0), sind durch ihre sensible Steuerungselektronik (Steuereinheit) besonders anfällig. Der Ausfall kritischer Prozesse kann zudem ein Sicherheitsrisiko für Menschen dar stellen. Failure of the external power grid is the most common cause of electrical supply interruptions. Long-term interruptions (network interruptions) can be avoided through redundancies and switchovers within the external power grid. Short-term power interruptions (<3 minutes) are typically caused by switchovers and correlate with atmospheric events or effects, such as thunderstorms. Thus, in the event of short-term supply interruptions, there are hardly any opportunities for intervention by a network operator of the electricity network. According to EN 50160, up to several hundred short supply interruptions (<3 minutes) per year can therefore be expected. Electrical supply interruptions can lead to considerable damage, for example through damage to production facilities or through defective products. Newer production systems, especially with regard to the digitization of industrial energy systems or production (Industry 4.0), are particularly vulnerable due to their sensitive control electronics (control unit). The failure of critical processes can also pose a security risk to people.
Es ist daher geboten, resiliente und dennoch möglichst effi ziente Energiesysteme bereitzustellen. It is therefore imperative to provide energy systems that are resilient and yet as efficient as possible.
Diesbezüglich ist aus dem Dokument WO 2019/110220 Al ein Ver fahren zur Bereitstellung einer möglichst optimalen Resilienz eines Energiesystems bekannt. In this regard, from the document WO 2019/110220 A1 a method for providing the best possible resilience of an energy system is known.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Struktur eines Energiesystems bereitzustellen, welches zu einer verbesserten Resilienz des Energiesystems führt. Weiterhin soll ein Energiesystem mit einer verbesserten Resilienz bereitgestellt werden. The present invention is based on the object of providing a method for determining the structure of an energy system which leads to an improved resilience of the energy system. Furthermore, an energy system with improved resilience is to be provided.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, durch ein Energiemanagement verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 13 sowie durch ein Energiesystem mit den Merkmalen des unab hängigen Patentanspruches 15 gelöst. In den abhängigen Pa tentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung angegeben. The object is achieved by a method with the features of independent claim 1, by an energy management method with the features of independent claim 13 and by an energy system with the features of independent claim 15. In the dependent Pa tent claims, advantageous configurations and further developments of the invention are given.
Das erfindungsgemäße computergestützte Verfahren zur numeri schen Bestimmung der Struktur eines gegenüber einem Ausfall einer oder mehrerer seiner Komponenten resilienten Energie systems, wobei das Energiesystem durch eine für eine Optimie rung vorgesehene Zielfunktion beschrieben wird, sodass durch ein Berechnen eines Extremums der Zielfunktion die Struktur des Energiesystems bestimmt wird, ist gekennzeichnet dadurch, dass das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung er folgt, dass eine kritische Last P durch eine oder mehrere beitragende Komponenten i des Energiesystems für eine Abruf dauer rD derart weiter gedeckt wird, dass von der kritischen Last P abhängige Komponenten und/oder Prozesse im Wesentli chen nicht, insbesondere nicht, beeinträchtigt werden, wobei hierfür die zeitliche Änderung der Leistung Pj * jeder beitra genden Komponente innerhalb einer Antwortzeit TR des Energie systems durch die mit der Anlaufzeit Tnet i gewichtete Nenn leistung Pnet,i der jeweiligen Komponente beschränkt wird. The computer-aided method according to the invention for numerical determination of the structure of an energy system that is resilient to the failure of one or more of its components, the energy system being described by a target function provided for optimization, so that the structure of the energy system is determined by calculating an extremum of the target function is characterized by that the calculation of the extremum takes place under the secondary condition that a critical load P is covered by one or more contributing components i of the energy system for a call duration r D in such a way that components and / or processes dependent on the critical load P are essentially not, in particular not, are impaired, whereby the time change in the power P j * of each contributing component within a response time T R of the energy system is limited by the nominal power P net, i of the respective component weighted with the start-up time T net i becomes.
Es können eine oder mehrere kritische Lasten vorliegen. There can be one or more critical loads.
Leistungen beim oder nach dem Ausfall sind mit einem Asterisk gekennzeichnet. Die Leistungen beim oder vor dem Ausfall wei sen keinen Asterisk auf. Services during or after the failure are marked with an asterisk. The services at or before the failure show no asterisk.
Ein Ausfall ist, wie obenstehend beschrieben, jede mögliche Störung des Betriebes des Energiesystems, insbesondere der wenigstens teilweise Ausfall einer Komponente des Energiesys tems und/oder der wenigstens teilweise Ausfall eines bezüg lich des Energiesystems externen Stromnetzes, an welches das Energiesystem zum Austausch elektrischer Energie (Bezug und/oder Einspeisung) angebunden ist. Fällt dieses Stromnetz aus, so fallen äquivalent ebenfalls bestimmte Komponenten des Energiesystems aus. Weitere Netze, Datennetze und/oder Ver sorgungsnetze, beispielsweise Gasnetze und/oder Wasserstoff netze, können alternativ oder ergänzend vorgesehen sein. As described above, a failure is any possible disruption in the operation of the energy system, in particular the at least partial failure of a component of the energy system and / or the at least partial failure of an external power grid with respect to the energy system to which the energy system is connected for exchanging electrical energy ( Reference and / or feed) is connected. If this power grid fails, certain components of the energy system also fail. Other networks, data networks and / or supply networks, for example gas networks and / or hydrogen networks, can be provided as an alternative or in addition.
Die komponentenspezifischen Größe, wie beispielsweise die Leistungen Pj * beim oder nach dem Ausfall und/oder die Leis tungen Pj beim oder vor dem Ausfall und/oder die Leistungen PL beziehungsweise PL sind grundsätzlich zeitabhängig, das heißt formal gilt Pj * = Pi*(t) beziehungsweise Pj = Pj(t) und/oder PL = PL(t) und/oder PL = PL(P). Weiterhin kann die Abrufdauer PD ebenfalls zeitabhängig sein, das heißt beispielsweise - wie auch die weiteren genannten Größen - vom Zeitpunkt des Aus falls abhängen. Allerdings wird die Zeitabhängigkeit zum Ver- einfachen der Notation vorliegend nicht explizit ausgeschrie ben. The component-specific variable, such as the performance P j * during or after the failure and / or the performance P j during or before the failure and / or the performance P L or P L are fundamentally time-dependent, i.e. formally P j * applies = Pi * (t) or P j = P j (t) and / or P L = P L (t) and / or P L = P L (P). Furthermore, the retrieval duration P D can also be time-dependent, that is to say, for example, as well as the other variables mentioned, it depends on the time of the failure. However, the time dependency becomes simple notation is not explicitly written out here.
Durch die Bestimmung der Struktur des Energiesystems (Ausle gung des Energiesystems) werden insbesondere seine Komponen ten, die Dimensionierung und/oder Kapazitäten seiner Kompo nenten, die Kosten seiner Komponenten, seine Energieflüsse, seine Leistungsflüsse und/oder seine Energietransferleitungen und/oder die energetische Kopplungen zwischen seinen Kompo nenten ermittelt. Durch die Optimierung wird der Aufbau des Energiesystems und seiner Energieflüsse beziehungsweise Leis tungsflüsse ganzheitlich abgebildet oder modelliert, sodass Synergiepotentiale zwischen den Komponenten und/oder den ver schiedenen Energieformen ermittelt werden können. Insbesonde re wird die energietechnische Struktur des Energiesystems be stimmt. By determining the structure of the energy system (design of the energy system), in particular its components, the dimensions and / or capacities of its components, the costs of its components, its energy flows, its power flows and / or its energy transfer lines and / or the energetic couplings determined between its components. Through the optimization, the structure of the energy system and its energy flows or power flows is mapped or modeled holistically so that synergy potentials between the components and / or the various forms of energy can be determined. In particular, the energy-related structure of the energy system is determined.
Eine Last ist kritisch, wenn sie auch beim Auftreten des Aus falls zwingend wenigstens teilweise, insbesondere vollstän dig, aufrechterhalten, das heißt gedeckt werden muss. Hierbei muss die Last zwingend wenigstens teilweise gedeckt werden, wenn davon abhängige Komponenten und/oder Prozesse durch eine Störung der Last wesentlich beeinträchtigt sind. Eine Beein trächtigung ist beispielsweise wesentlich, wenn ein Betrieb, der von der kritischen Last abhängigen Komponente nicht mehr möglich ist und/oder der von der kritischen Last abhängige Prozess nicht mehr durchführbar oder aufrechthaltbar ist. Mit anderen Worten wird die kritische Last während des Ausfalls derart weiter gedeckt, dass damit assoziierte kritische Pro zesse nicht unzulässig beeinträchtigt werden. A load is critical if it must be at least partially, in particular completely, maintained, that is to say must be covered, even when the failure occurs. In this case, the load must be at least partially covered if dependent components and / or processes are significantly impaired by a disturbance in the load. An impairment is essential, for example, if an operation of the component that is dependent on the critical load is no longer possible and / or the process that is dependent on the critical load can no longer be carried out or maintained. In other words, the critical load continues to be covered during the failure in such a way that critical processes associated therewith are not inadmissibly impaired.
Eine Optimierung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Minimierung oder Maximierung (Berechnen eines Extremums) einer Zielfunktion. Die Minimierung beziehungswei se Maximierung der Zielfunktion ist typischerweise äußerst komplex und kann daher lediglich numerisch erfolgen. Die Zielfunktion charakterisiert hierbei eine Eigenschaft oder eine Größe des Systems, beispielsweise die Kohlenstoffdioxi- demissionen oder die Betriebskosten eines Energiesystems. Die Zielfunktion ist somit ein mathematisches Modell des Energie systems. Die Zielfunktion weist Parameter und Variablen auf. Das Ergebnis der Optimierung, das heißt vorliegend die Struk tur des Energiesystems, korrespondiert zu den Werten der Va riablen der Zielfunktion. Die Parameter sind typischerweise messdatenbasierte Lastprofile und parametrisieren die für das Energiesystem spezifische Zielfunktion. Weiterhin erfolgt die Optimierung typischerweise unter einer Berücksichtigung meh rerer Nebenbedingungen, beispielsweise der Energieerhaltung. An optimization within the meaning of the present invention is a method for minimizing or maximizing (calculating an extremum) of an objective function. The minimization or maximization of the objective function is typically extremely complex and can therefore only be done numerically. The objective function characterizes a property or a size of the system, for example the carbon dioxide emissions or the operating costs of an energy system. The objective function is thus a mathematical model of the energy system. The objective function has parameters and variables. The result of the optimization, i.e. in the present case the structure of the energy system, corresponds to the values of the variables of the objective function. The parameters are typically load profiles based on measurement data and parameterize the target function specific to the energy system. Furthermore, the optimization is typically carried out taking into account several secondary conditions, for example energy conservation.
Nebenbedingungen, Randbedingungen oder Zwangsbedingungen - hier zusammenfassend als Nebenbedingungen bezeichnet - sind Bedingungen, Eigenschaften und/oder Relationen, die die Para meter und/oder Variablen des Optimierungsverfahrens erfüllen müssen. Diese können als Gleichung und/oder Ungleichung gege ben sein, und/oder explizit eine Menge von zulässigen Werten der Parameter und/oder zulässigen Werten der Variablen be schreiben. Constraints, constraints or constraints - here collectively referred to as constraints - are conditions, properties and / or relations that the parameters and / or variables of the optimization process must meet. These can be given as an equation and / or inequality and / or explicitly describe a set of permissible values of the parameters and / or permissible values of the variables.
Beispielsweise charakterisiert die Zielfunktion die Gesamt kohlenstoffdioxidemission des Energiesystems. Die Gesamtkoh lenstoffdioxidemission umfasst die einzelnen Kohlenstoffdi- oxidemissionen der Komponenten des Energiesystems. Jede der Komponenten kann eine bestimmte elektrische und/oder thermi sche Leistung für eine spezifische Kohlenstoffdioxidmenge be reitstellen. Somit sind hierbei die elektrischen und/oder thermischen Leistungen die Variablen der Zielfunktion und die Kohlenstoffdioxidmengen pro erzeugte elektrische und/oder thermische Leistung (spezifische Kohlenstoffdioxidmenge) die Parameter der Zielfunktion. Durch die Optimierung wird die Gesamtkohlenstoffdioxidemission (Zielfunktion) minimiert. Dadurch kann des Energiesystem möglichst optimal bezüglich seiner Kohlenstoffdioxidemission ausgelegt und/oder betrieben werden. For example, the objective function characterizes the total carbon dioxide emissions of the energy system. The total carbon dioxide emission comprises the individual carbon dioxide emissions of the components of the energy system. Each of the components can provide a specific electrical and / or thermal output for a specific amount of carbon dioxide. Thus, the electrical and / or thermal outputs are the variables of the objective function and the amounts of carbon dioxide per generated electrical and / or thermal output (specific amount of carbon dioxide) are the parameters of the objective function. The optimization minimizes the total carbon dioxide emission (target function). As a result, the energy system can be designed and / or operated as optimally as possible with regard to its carbon dioxide emissions.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Leistung Pj * jeder zur Deckung der kritischen Last beitragenden Komponente innerhalb einer Antwortzeit TR des Energiesystems durch die mit der Anlaufzeit Tneti gewichtete Nennleistung Pnet,£ der je weiligen Komponente (von oben) beschränkt. Dies erfolgt in nerhalb beziehungsweise für eine Abrufdauer TO . Somit weist das Verfahren drei charakteristische Zeitarten beziehungswei se Zeitdauern auf, namentlich die Antwortzeit TR, die Abruf dauer 7j) sowie die einzelnen Anlaufzeiten Tneti. According to the present invention, the power P j * of each component contributing to meeting the critical load becomes within a response time T R of the energy system by the nominal power P net, £ of the respective component (from above) weighted with the start-up time T neti. This takes place within or for a retrieval period T O. The method thus has three characteristic types of time or duration, namely the response time T R , the retrieval duration 7j ) and the individual start-up times T neti .
Die Antwortzeit TR ist die Zeitdauer der Betriebsänderung des Energiesystems, die aufgrund des Ausfalls erfolgt. Mit ande ren Worten ist dies die Zeitdauer, in welcher das Energiesys tem auf den Ausfall reagieren kann, beziehungsweise reagiert. Sie kann somit ebenfalls als Reaktionszeit bezeichnet werden. Typischerweise weist jede Komponente des Energiesystems eine verschiedene Antwortzeit auf. Die Antwortzeit TR kann hierbei als die längste der AntwortZeiten der Komponenten festgelegt werden. Mit anderen Worten ist die Antwortzeit TR des Ener giesystems durch die bezüglich der Reaktionszeit langsamste Komponente des Energiesystems bestimmt. Die Antwortzeit TR des Energiesystems ist somit durch seine Komponenten festge legt. Insbesondere können KWK-Anlagen und/oder Netzersatzan lagen ihren Betriebspunkt nicht beliebig schnell anpassen. The response time T R is the duration of the change in operation of the energy system that occurs due to the failure. In other words, this is the period of time in which the energy system can react, or reacts, to the failure. It can therefore also be referred to as the response time. Typically, each component of the energy system has a different response time. The response time T R can be defined as the longest of the response times of the components. In other words, the response time T R of the energy system is determined by the component of the energy system that is slowest in terms of the reaction time. The response time T R of the energy system is thus determined by its components. In particular, CHP systems and / or emergency power systems cannot adjust their operating point at will.
Die Abrufdauer TO ist die Zeitdauer, in welcher die Versor gung der kritischen Last sichergestellt werden muss. Mit an deren Worten muss für die Zeitdauer TO der Zustand, der sich aus der Änderung der Betriebspunkte beziehungsweise Arbeits punkte ergibt, aufrechterhalten werden. Typischerweise ist die Abrufdauer TO größer, insbesondere wesentlich größer als die Antwortzeit TR. Die Abrufdauer TO wird beispielsweise festgelegt und kann einer durchschnittlich zu erwartenden Ausfallzeit entsprechen. Beispielsweise wird die Abrufdauer 7j) aufgrund einer lokalen Verfügbarkeitsstatistik eines be züglich des Energiesystems externen Stromnetzes festgelegt. Sind derartige Daten nicht verfügbar und/oder liegen diese nicht vor, so kann auf Erfahrungswerte vergleichbarer Stand orte zurückgegriffen werden. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren auf die Versorgungsqualität am Ort des Energiesys tems optimal angepasst werden. The call duration T O is the time in which the supply of the critical load must be ensured. In other words, the state that results from the change in the operating points or working points must be maintained for the period T O. The retrieval time T O is typically longer, in particular significantly longer, than the response time T R. The retrieval duration T O is determined, for example, and can correspond to an average expected downtime. For example, the call duration 7j ) is determined on the basis of local availability statistics of a power grid that is external to the energy system. If such data are not available and / or are not available, empirical values from comparable locations can be used. Thus, the inventive Process can be optimally adapted to the quality of supply at the location of the energy system.
Die Anlaufzeit Tnet i ist die komponentenspezifische Zeitdauer, in welcher die jeweilige Komponente seine Leistung von Null auf die Nennleistung Pnet,£ erhöht (von 0 Prozent auf 100 Pro zent). Die jeweilige Anlaufzeit Tnet i ist somit durch die je weilige zugehörige Komponente festgelegt. The start-up time T net i is the component-specific period of time in which the respective component increases its output from zero to the nominal output P net, £ (from 0 percent to 100 percent). The respective start-up time T net i is thus determined by the respective associated component.
Die Änderung der Leistung einer Komponente wird während der Abrufzeit durch die mit der Anlaufzeit Tnet i gewichtete Nenn leistung Pnet,i der Komponente (von oben) beschränkt. Bei¬ spielsweise ist die Änderung der Leistung der Komponente kleiner oder gleich Pnet,i/Tnet,i (bei linearer Änderung des Be¬ triebspunktes) für alle Zeitpunkte innerhalb der Äbrufdauer 7j) . Die Beschränkung erfolgt für alle beitragenden Komponen ten, das heißt für alle Komponenten, die zur Deckung der kri tischen Last beitragen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Betriebszustandsänderung der jeweiligen beitragenden Kompo nente berücksichtigt wird. Mit anderen Worten braucht jede beitragende Komponente eine bestimmte Zeit zur Änderung des Betriebszustandes, beispielsweise zur Erhöhung ihrer Leis tung. Die Leistung kann jedoch nicht schneller als Pnet,i/7net,i erhöht werden. Durch die erfindungsgemäße Nebenbedingung wird dies berücksichtigt. Es gibt somit eine Übergangsphase, die der Antwortzeit TR entspricht, in welcher nicht sofort die geforderte stationäre Leistung zur Deckung der kritischen Last zur Verfügung steht. Mit anderen Worten wird erfindungs gemäß die Anlaufzeit beziehungsweise die Anlaufzeiten der Komponenten bei der Optimierung berücksichtigt. The change in the power of a component is limited during the call time by the nominal power P ne t, i of the component (from above) weighted with the start-up time T net i. In ¬ play, the change of the performance of the component is less than or equal to P n is Et, i / n T et, i (operating point in linear change of Be ¬) for all time points within the Äbrufdauer 7j). The restriction applies to all contributing components, i.e. for all components that contribute to covering the critical load. This ensures that the change in operating status of the respective contributing component is taken into account. In other words, each contributing component needs a certain amount of time to change the operating state, for example to increase its performance. However, the performance cannot be increased faster than P n et, i / 7net, i. This is taken into account by the secondary condition according to the invention. There is thus a transition phase, which corresponds to the response time T R , in which the required stationary power to cover the critical load is not immediately available. In other words, according to the invention, the start-up time or the start-up times of the components is taken into account in the optimization.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass insbesondere kurzfristige Unterbrechungen des externen Strom netzes ausgeglichen werden und somit der Betrieb des Energie systems nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Das vorliegende Verfahren ermöglicht somit eine Absicherung kritischer Lasten und/oder Prozesse und/oder Anlagen zu jedem Zeitpunkt. Hier- durch können Ausfallkosten minimiert und bestenfalls voll ständig vermieden werden. A further advantage of the present invention is that, in particular, short-term interruptions in the external power network are compensated for and the operation of the energy system is therefore not significantly impaired. The present method thus enables critical loads and / or processes and / or systems to be safeguarded at any point in time. Here- downtime costs can be minimized and at best avoided completely.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass dadurch ein netzdienlicher Betrieb des Energiesystems ermög licht wird. Insbesondere wird dadurch ein Inselbetrieb des Energiesystems ermöglicht, bei welchem dezentrale energie technische Anlagen, beispielsweise Erzeugungsanlagen und/oder Speicheranlagen unabhängig vom Stromnetz beziehungsweise öf fentlichen Stromnetz betrieben werden können. Dadurch kann das Energiesystem eine Flexibilität bereitstellen, welche zur Stabilisierung des Gesamtnetzes, insbesondere des Stromnet zes, beiträgt oder für einen beschleunigten Netzwiederaufbau verwendet werden kann. Another advantage of the present invention is that it enables the energy system to operate in a way that is beneficial to the grid. In particular, this enables isolated operation of the energy system, in which decentralized energy-technical systems, for example generating systems and / or storage systems, can be operated independently of the power grid or the public power grid. As a result, the energy system can provide a flexibility which contributes to the stabilization of the overall network, in particular the electricity network, or can be used for accelerated network reconstruction.
Weiterhin ist für viele Anwendungen und/oder Einbindungen des Energiesystems, insbesondere für eine Einbindung in einen lo kalen Energiemarkt, eine möglichst hohe zeitliche Auflösung erforderlich, beispielsweise minütlich. Das erfindungsgemäße Verfahren bildet energiewirtschaftliche relevante Abrechnun gen auf niedriger zeitlicher Auflösung, beispielsweise auf 15 Minuten Mittelwerte, richtig ab. Furthermore, for many applications and / or integration of the energy system, in particular for integration in a local energy market, the highest possible temporal resolution is required, for example every minute. The method according to the invention correctly maps energy management-relevant bills to a low temporal resolution, for example to 15-minute mean values.
Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem umfasst wenigs tens eine Steuereinheit zur Steuerung mehrerer Komponenten eines Energiesystems, wobei das Steuern der Komponenten auf einer für eine Optimierung vorgesehenen Zielfunktion basiert, sodass durch ein Berechnen eines Extremums der Zielfunktion Steuerwerte für das Steuern der Komponenten bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem ist dadurch ge kennzeichnet, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung er folgt, dass eine kritische Last durch eine oder mehrere beitragende Komponenten i des Energiesystems für eine Abruf dauer rD derart weiter gedeckt wird, dass von der kritischen Last P abhängige Komponenten und/oder Prozesse im Wesentli chen nicht, insbesondere nicht, beeinträchtigt werden, wobei hierfür die zeitliche Änderung der Leistung Pj * jeder beitra- genden Komponente innerhalb einer Antwortzeit TR des Energie systems durch die mit der Anlaufzeit Tneti gewichtete Nenn leistung Pnet,i der jeweiligen Komponente beschränkt wird. The energy management system according to the invention comprises at least one control unit for controlling several components of an energy system, the control of the components being based on an objective function provided for optimization, so that control values for controlling the components are determined by calculating an extreme of the objective function. The energy management system according to the invention is characterized in that the control unit is designed in such a way that the calculation of the extremum takes place under the secondary condition that a critical load is covered by one or more contributing components i of the energy system for a retrieval period r D in such a way that that components and / or processes that are dependent on the critical load P are essentially not, in particular not, impaired, with the time change in the power P j * each contributing to this. lowing component within a response time T R of the energy system is limited by the nominal power P ne t, i of the respective component weighted with the start-up time T neti.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile und/oder Ausgestaltungen. Similar and equivalent advantages and / or configurations result for the method according to the invention.
Besonders bevorzugt weist das Energiemanagementsystem eine Datenschnittstelle auf, die einen Datenaustausch zwischen dem Energiemanagementsystem und einem lokalen Energiemarkt, einem Cloud-Server und/oder einem dezentralen Rechenzentrum ermög licht. The energy management system particularly preferably has a data interface which enables data to be exchanged between the energy management system and a local energy market, a cloud server and / or a decentralized data center.
Das erfindungsgemäße Energiesystem ist dadurch gekennzeich net, dass dieses ein Energiemanagementsystem gemäß der vor liegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltung um fasst. The energy system according to the invention is characterized in that it comprises an energy management system according to the present invention and / or one of its design.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren und/oder zum erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem gleichartige und gleichwertige Vorteile und/oder Ausgestaltungen. Similar and equivalent advantages and / or configurations result for the method according to the invention and / or for the energy management system according to the invention.
Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Abrufdauer TO des zugehö rigen Energiemanagementsystems in Abhängigkeit des Standortes des Energiesystems festgelegt ist. It is preferred here if the call duration T O of the associated energy management system is determined as a function of the location of the energy system.
Dadurch kann vorteilhafterweise eine lokale Versorgungsquali tät, insbesondere im Hinblick auf ein Stromnetz, an welchem das Energiesystem angeschlossen ist, berücksichtigt werden. As a result, a local supply quality can advantageously be taken into account, in particular with regard to a power grid to which the energy system is connected.
Weiterhin kann das Energiesystem räumlich verteilte Teilener giesysteme umfassen. Dies ist beispielsweise bei mehreren Produktionsstandorten der Fall. Furthermore, the energy system can comprise spatially distributed dividing systems. This is the case, for example, with several production sites.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die zeitliche Änderung der Leistungen Pj * jeder beitragenden Kom ponente durch Pnet,i/Tneti beschränkt. Mit anderen Worten liegt vorteilhafterweise eine lineare Än derung des Betriebspunktes der jeweiligen Komponente vor. Al ternativ oder ergänzend liegt eine nichtlineare Änderung der Leistung für zumindest eine der beitragenden Komponenten vor. Beispielsweise ist für eine nichtlineare Änderung die zeitli che Leistung wenigstens einer der beitragenden Komponente durch Gi(Pnet i/Tnet i) beschränkt, wobei Gj die nichtlineare Ab hängigkeit der Komponente i beschreibt. Alternativ oder er gänzend ist Gi unabhängig von der Komponente i, das heißt die nichtlineare Abhängigkeit ist für alle i durch G(Pnet i/Tnet i) gegeben. Im linearen Fall ist beispielsweise G(x)= x mit x = iet,i/^net,i · According to a preferred embodiment of the invention, the change over time in the powers P j * of each contributing component is limited by P net, i / T neti. In other words, there is advantageously a linear change in the operating point of the respective component. As an alternative or in addition, there is a non-linear change in the power for at least one of the contributing components. For example, for a non-linear change, the temporal performance of at least one of the contributing components is limited by Gi (P net i / T net i ), where G j describes the non-linear dependence of component i. Alternatively or additionally, Gi is independent of the component i, that is, the nonlinear dependence is given for all i by G (P net i / T net i ). In the linear case, for example, G (x) = x with x = iet, i / ^ net, i
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Leistung Pj * jeder beitragenden Komponente innerhalb der Ant wortzeit TR des Energiesystems (1) durch Pi + Pnet,iTR/Tnet i be schränkt, wobei Pi die Leistung der jeweiligen Komponente i vor oder beim Ausfall bezeichnet. In an advantageous development of the invention, the power P j * of each contributing component within the response time T R of the energy system (1) is limited by Pi + P n e t, i T R / T net i , where Pi is the power of the respective Component i referred to before or on failure.
Im Wesentlichen ist Pi + Pnet,iTR/Tnet i das Integral der Bedingung, dass die zeitliche Änderung der Leistung der jeweiligen Kom ponente durch Pnet,i/Tnet,i innerhalb der Antwortzeit TR von oben beschränkt ist. Die beiden genannten Bedingungen sind somit äquivalent. Mit anderen Worten bedeutet die Bedingung, dass zur Weiterversorgung der kritischen Last innerhalb der Ant wortzeit nur ein Teil der jeweiligen Nennleistung durch die jeweilige Komponente bereitgestellt werden kann. Somit ist ebenfalls die Bedingung Pi + Pnet,iTR/Tnet i < Pnet i stets zu erfül len. Mit anderen Worten ist die jeweilige Leistung der Kompo nente innerhalb der Antwortzeit durch Pi + Pnet,iTR/Tnet i und durch Pnet,£ von oben beschränkt. Essentially, Pi + P n e t, i T R / T net i is the integral of the condition that the temporal change in the performance of the respective component by P n et , i / T n et , i within the response time T R of is limited above. The two conditions mentioned are therefore equivalent. In other words, the condition means that only part of the respective nominal power can be provided by the respective component in order to continue to supply the critical load within the response time. Thus, the condition Pi + P n e t, i T R / T net i <P net i must also always be fulfilled. In other words, the respective performance of the component within the response time is limited by Pi + P n e t, i T R / T net i and by P net, £ from above.
Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn die Leistung Pj * je der beitragenden Komponente innerhalb der Antwortzeit TR durch ihre jeweilige Nennleistung Pnet,£ (von oben) beschränkt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden nicht kritische Lasten während der Abrufdauer TO nicht ge deckt. In other words, it is preferred if the power P j * of each contributing component is limited within the response time T R by its respective nominal power P net, £ (from above). According to a preferred embodiment of the invention, non-critical loads are not covered during the retrieval period T O.
Mit anderen Worten werden vorteilhafterweise nur kritische Lasten beziehungsweise die kritische Last weiterversorgt. Dadurch steht vorteilhafterweise grundsätzlich mehr Leistung für die Versorgung der kritischen Last beziehungsweise der kritischen Last bereit. In other words, only critical loads or the critical load are advantageously supplied further. As a result, there is advantageously basically more power available for supplying the critical load or the critical load.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist we nigstens eine der beitragenden Komponenten ein Energiespei cher, wobei das Berechnen des Extremums unter der weiteren Nebenbedingung erfolgt, dass die durch den Energiespeicher bereitgestellte Leistung PES während der Abrufdauer TO die Ungleichung ?7ESPESrD < SOC CapES erfüllt, wobei hE$ den Entlade wirkungsgrad des Energiespeichers, SOC den Ladezustand des Energiespeichers vor oder beim Ausfall und CapES die Kapazi tät des Energiespeichers bezeichnet. In an advantageous development of the invention, at least one of the contributing components is an energy storage device, with the calculation of the extremum taking place under the further secondary condition that the power P ES provided by the energy storage device during the call period T O satisfies the inequality? 7 ES P ES r D <SOC Cap ES fulfilled, where h E $ denotes the discharge efficiency of the energy store, SOC denotes the state of charge of the energy store before or in the event of failure, and Cap ES denotes the capacity of the energy store.
Mit anderen Worten kann der Energiespeicher (für einen Zeit punkt) nur einen Teil seiner Nennleistung (Gesamtleistung) bereitstellen . Diese physikalische Grenze wird durch die Ne benbedingung t]ESPESTO < SOC CapES in die Optimierung integriert, sodass vorteilhafterweise die Optimierung beziehungsweise die Lösung der Optimierung (Struktur des Energiesystems) die phy sikalischen Randbedingungen des Energiespeichers berücksich tigt. Die genannten Größen, insbesondere der Ladezustand SOC, können zeitabhängig sein, das heißt es gilt beispielsweise SOC = SOC(t), sodass diese ebenfalls vom Zeitpunkt des Ausfalls abhängen können. In other words, the energy store can only provide part of its nominal output (total output) (for a certain time). This physical limit is integrated into the optimization by the secondary condition t] ES P ES T O <SOC Cap ES , so that advantageously the optimization or the solution to the optimization (structure of the energy system) takes into account the physical boundary conditions of the energy store. The variables mentioned, in particular the state of charge SOC, can be time-dependent, that is, SOC = SOC (t), for example, so that they can also depend on the time of the failure.
Vorteilhafterweise wird durch den Energiespeicher eine Flexi bilität innerhalb des Energiesystems bereitgestellt. Alterna tiv oder ergänzend kann der Energiespeicher beim Vorliegen eines Energiemanagementsystems Spitzenlasten reduzieren. Der Energiespeicher ist bevorzugt ein elektrochemischer Energie- Speicher, insbesondere ein Batteriespeicher. Ein oder mehrere Energiespeicher können vorgesehen sein. The energy store advantageously provides flexibility within the energy system. Alternatively or in addition, the energy storage system can reduce peak loads if an energy management system is in place. The energy store is preferably an electrochemical energy Storage, in particular a battery storage. One or more energy stores can be provided.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt während der Abrufdauer TO das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung
Figure imgf000016_0001
für alle beitragenden Komponenten i .
According to a preferred embodiment of the invention, the calculation of the extremum takes place under the secondary condition during the retrieval period T O
Figure imgf000016_0001
for all contributing components i.
Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die kri tische Last während des Ausfalls, das heißt innerhalb der Ab rufdauer rD, durch die beitragenden Komponenten gedeckt ist. This advantageously ensures that the critical load is covered by the contributing components during the failure, that is to say within the retrieval period r D.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die kritische Last während der Abrufdauer TO durch P = P(PL) fest gelegt, wobei PL die Leistung der kritischen Last vor oder beim Ausfall bezeichnet, und F die Abhängigkeit der von der kritischen Last PL abhängigen Komponenten und/oder Prozesse beschreibt . In an advantageous development of the invention, the critical load during the call duration T O is determined by P = P (P L ), where P L denotes the power of the critical load before or during failure, and F the dependence of the critical load P on L describes dependent components and / or processes.
Mit anderen Worten modelliert die Funktion F die Bedingung, dass von der kritischen Last abhängige Komponenten und/oder Prozesse, das heißt mit der kritischen Last assoziierte kri tische Prozesse, im Wesentlichen nicht beeinträchtigt werden, das heißt nicht unzulässig beeinträchtigt werden. Insbesonde re müssen ebenfalls kurzzeitige und nicht vorhersehbare Last spitzen gedeckt werden. Beispielsweise könnte zur Aufrechter haltung eines kritischen Prozesses ein bestimmter Prozentsatz a der vor dem Ausfall vorliegenden kritischen Last zusätz lich durch die Komponenten des Energiesystems zur Verfügung gestellt werden können. Mit anderen Worten ist beispielsweise P = P(PL)= (1+ <^)PL/ wobei alternativ oder ergänzend nichtli neare Funktionen F vorgesehen sind. In other words, the function F models the condition that components and / or processes dependent on the critical load, that is to say critical processes associated with the critical load, are essentially not impaired, that is to say are not impaired in an impermissible manner. In particular, short-term and unforeseeable load peaks must also be covered. For example, in order to maintain a critical process, a certain percentage a of the critical load present before the failure could additionally be made available by the components of the energy system. In other words, for example, P = P (P L ) = (1+ <^) P L / with non-linear functions F being provided as an alternative or in addition.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wer den/wird als beitragende Komponenten ein Energiespeicher, ei ne Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und/oder eine Netzersatzanlage verwendet. Vorteilhafterweise können die genannten Komponenten dynamisch bezüglich der Bereitstellung von Leistung betrieben werden. Insbesondere können der Energiespeicher und/oder die Netzer satzanlage im Wesentlichen unmittelbar auf einen Ausfall rea gieren, sodass sich dadurch vorteilhafterweise die Antwort zeit des Energiesystems insgesamt reduziert. According to an advantageous embodiment of the invention, an energy store, a combined heat and power plant and / or an emergency power system are used as contributing components. The components mentioned can advantageously be operated dynamically with regard to the provision of power. In particular, the energy store and / or the backup system can respond essentially immediately to a failure, so that the response time of the energy system is thereby advantageously reduced overall.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird für mehrere Abrufdauern TO die jeweilige Struktur des Energiesys tems bestimmt. In a preferred development of the invention, the respective structure of the energy system is determined for a plurality of retrieval periods T O.
Mit anderen Worten werden mehrere Strukturen des Energiesys tems für mehrere zugehörige Abrufdauern ermittelt beziehungs weise bestimmt. Vorteilhafterweise ist dadurch die Struktur des Energiesystems an die Abrufdauer TO anpassbar. Die Abruf dauer kann vom Ort des Energiesystems abhängen, insbesondere davon, in welcher Region und/oder welchem Land das Energie system installiert ist beziehungsweise installiert werden soll. Die Abrufdauer kann daher für verschiedene Orte oder vorgesehene Orte des Energiesystems deutlich verschieden sein. Wird die Struktur in Abhängigkeit der Abrufdauer be stimmt, so kann eine für den Ort beziehungsweise Region mög lichst optimale Struktur des Energiesystems ermittelt werden. Mit anderen Worten wird dadurch vorteilhafterweise der Ort des Energiesystems mitberücksichtigt. Besonders bevorzugt wird 7j) für aus einer lokalen Verfügbarkeitsstatistik eines lokalen bezüglich des Energiesystems übergeordneten Stromnet zes ermittelt und für diese ermittelte Abrufdauer TO die Struktur des Energiesystems bestimmt. Das Energiesystem ist hierbei an dem genannten Stromnetz angeschlossen. In other words, several structures of the energy system are ascertained or determined for several associated retrieval periods. The structure of the energy system can thereby advantageously be adapted to the call duration T O. The retrieval duration can depend on the location of the energy system, in particular on the region and / or country in which the energy system is installed or is to be installed. The retrieval duration can therefore be significantly different for different locations or intended locations of the energy system. If the structure is determined as a function of the retrieval period, a structure of the energy system that is as optimal as possible for the location or region can be determined. In other words, the location of the energy system is thereby advantageously also taken into account. 7j) for is particularly preferably determined from local availability statistics of a local power grid that is superordinate with respect to the energy system, and the structure of the energy system is determined for this determined call duration T O. The energy system is connected to the aforementioned power grid.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden für die mehreren bestimmten Strukturen der jeweilige Wert der Zielfunktion und ein jeweiliger Wert einer Ausfallfunktion ermittelt, wobei die Ausfallfunktion in Abhängigkeit der Ab rufdauer 7j) das Ausfallrisiko der kritischen Last quantifi ziert, und eine Struktur aus den bestimmten Strukturen ermit- telt wird, die den kleinsten Wert der aus der Zielfunktion und Ausfallfunktion gebildeten Summe aufweist. According to a preferred embodiment of the invention, the respective value of the objective function and a respective value of a failure function are determined for the several specific structures, the failure function quantifying the failure risk of the critical load as a function of the call duration 7j), and a structure from the specific structures he with- which has the smallest value of the sum formed from the objective function and failure function.
Der Wert der Zielfunktion (Extremum) kennzeichnet die mög lichst optimale Struktur des Energiesystems. Mit anderen Wor ten wird somit der Wert der Zielfunktion, das heißt ihr Ext remum in Abhängigkeit der Abrufdauer ermittelt. Typischer weise kennzeichnet die Zielfunktion eine Größe, die möglichst minimiert werden soll, beispielsweise die Kohlenstoffdioxide- missionen des Energiesystems, seinen Primärenergieeinsatz und/oder seine Kosten (Betriebskosten und Investitionskos ten). Die Zielfunktion ist allerdings zur Bestimmung einer möglichst optimalen Struktur im Hinblick auf einen Ausfall und der Schaffung einer Resilienz vorteilhaft erweiterbar, da diese typischerweise von einem Betrieb des Energiesystems oh ne einen solchen Ausfall, das heißt vom bestmöglichsten Be trieb ausgeht. Mit einem Ausfall ist jedoch ein bestimmtes Ausfallsrisiko verbunden, welches durch die Ausfallfunktion beschrieben wird. Die Ausfallfunktion ist zur ursprünglichen Zielfunktion zu addieren, sodass sich dadurch eine neue aus fallberücksichtigende Zielfunktion in Abhängigkeit der Abruf dauer ergibt. Die optimale Struktur ergibt sich nun aus dem Minimum der genannten neuen Zielfunktion. Mit anderen Worten ist die optimale Struktur diejenige Lösung mit dem geringsten Wert der Summe gebildet aus der Zielfunktion, beispielsweise geringster Summe aus den Kosten (englisch: Total Expenditure; Totex), und dem geringsten Ausfallrisiko, beispielsweise ei nem finanziellen Ausfallrisiko. The value of the objective function (extremum) characterizes the most optimal structure of the energy system. In other words, the value of the objective function, i.e. its extremum, is determined as a function of the call duration. The objective function typically characterizes a variable that should be minimized as much as possible, for example the carbon dioxide emissions of the energy system, its primary energy use and / or its costs (operating costs and investment costs). The objective function can, however, be advantageously expanded to determine the best possible structure with regard to a failure and the creation of resilience, since this typically assumes that the energy system is operating without such a failure, that is, from the best possible operation. However, a failure is associated with a certain risk of failure, which is described by the failure function. The failure function is to be added to the original target function, so that a new target function that takes into account the case arises depending on the call duration. The optimal structure now results from the minimum of the new objective function mentioned. In other words, the optimal structure is the solution with the lowest value of the sum formed from the target function, for example the lowest total of the costs (English: Total Expenditure; Totex), and the lowest default risk, for example a financial default risk.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schemati siert: Further advantages, features and details of the invention he will play from the Ausführungsbei described below and based on the drawings. The following are shown schematically:
Figur 1 ein Energiesystem gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; FIG. 1 shows an energy system according to an embodiment of the present invention;
Figur 2 ein erstes Diagramm; und Figur 3 ein zweites Diagramm. FIG. 2 a first diagram; and Figure 3 shows a second diagram.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente kön nen in einer der Figuren oder in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Identical, equivalent or identically acting elements can be provided with the same reference symbols in one of the figures or in the figures.
Die Figur 1 zeigt ein Energiesystem 1 gemäß einer Ausgestal tung der vorliegenden Erfindung. Hierbei wird im Folgenden die Ausgestaltung anhand eines elektrischen Versorgungssys tems an einem Knoten beschrieben. Alternativ oder ergänzend können weitere energietechnische Knoten beziehungsweise Netze und/oder Versorgungsnetze, beispielsweise bezüglich Wärme, Kälte und/oder chemischen Stoffen, beispielsweise Gas, vorge sehen sein. FIG. 1 shows an energy system 1 according to one embodiment of the present invention. Here, the configuration is described below using an electrical supply system at a node. Alternatively or in addition, further energy-related nodes or networks and / or supply networks, for example with regard to heat, cold and / or chemical substances, for example gas, can be provided.
Das Energiesystem 1 umfasst mehrere energietechnische Kompo nenten 21,...,23, vorliegend einen Energiespeicher 21, bei spielsweise einen Batteriespeicher, eine Kraft-Wärme- Kopplungsanlage (KWK-Anlage) 22, beispielsweise ein Block heizkraftwerk und eine Netzersatzanlage 23, beispielsweise ein Dieselaggregat. Weiterhin umfasst das Energiesystem 1 ei ne Steuereinheit 20. The energy system 1 comprises several energy-technical compo nents 21, ..., 23, in this case an energy storage device 21, for example a battery storage, a combined heat and power plant (CHP plant) 22, for example a block-type thermal power station and an emergency power system 23, for example a Diesel generator. The energy system 1 also includes a control unit 20.
Das Energiesystem 1 ist an ein bezüglich des Energiesystems 1 externes Stromnetz 3 angeschlossen. The energy system 1 is connected to a power grid 3 that is external to the energy system 1.
Weiterhin umfasst das Energiesystem 1 eine erste Last 41 und eine zweite Last 42. Alternativ oder ergänzend sind ebenfalls externe Lasten, die durch das Energiesystem 1 versorgt wer den, denkbar. Furthermore, the energy system 1 comprises a first load 41 and a second load 42. Alternatively or in addition, external loads that are supplied by the energy system 1 are also conceivable.
Vorliegend ist die erste Last 41 eine nicht kritische Last, das heißt, dass diese nicht zwingend bei einem Ausfall des Stromnetzes 1 weiter gedeckt werden muss. Die zweite Last 42 ist im Gegensatz zur ersten Last 41 eine kritische Last, die bei einem Ausfall des Stromnetzes 3 zumindest teilweise wei ter gedeckt werden muss. Grundsätzlich können alle Lasten als nicht kritische Last oder kritische Last kategorisiert wer den, wobei eine Last - je nach Zeitpunkt und/oder Art des Ausfalls - eine nicht kritische oder eine kritische Last sein kann. In the present case, the first load 41 is a non-critical load, which means that it does not necessarily have to continue to be covered in the event of a failure of the power grid 1. In contrast to the first load 41, the second load 42 is a critical load which must at least partially be covered in the event of a failure of the power grid 3. In principle, all loads can be used as Non-critical load or critical load who categorized, whereby a load - depending on the time and / or type of failure - can be a non-critical or a critical load.
Die energietechnischen Komponenten 21,...,23, die Steuereinheit 20 sowie die kritische Last 42 bilden innerhalb des Energie systems 1 ein geschütztes System 2 aus. Dieses geschützte System muss sich während des Ausfalls des Stromnetzes 3 selbst mit Leistung/Energie versorgen und bestimmte Lasten, vorliegend die kritische Last 42, aufrechterhalten. Die erste Last 41 ist hingegen als nicht kritische Last nicht Bestand teil des geschützten Systems 2, das heißt diese wird im Falle eines Ausfalls nicht weiterversorgt. Erfolgt ein Ausfall des Stromnetzes 3, so bildet das geschützte System 2 in diesem Sinne ein Inselnetz aus. The energy-related components 21,..., 23, the control unit 20 and the critical load 42 form a protected system 2 within the energy system 1. This protected system must supply itself with power / energy during the failure of the power grid 3 and maintain certain loads, in the present case the critical load 42. The first load 41, on the other hand, as a non-critical load, is not part of the protected system 2, that is to say that it is no longer supplied in the event of a failure. If the power grid 3 fails, the protected system 2 forms an island grid in this sense.
Bei einem Ausfall des Stromnetzes 3 muss für eine Abrufdauer die kritische Last 42 weiter gedeckt werden. Hierbei kann die Abrufdauer einer typischen Ausfalldauer des Stromnetzes 3 entsprechen und/oder mindestens solange wie die Ausfalldauer des Stromnetzes 3 sein. Die energietechnischen Komponenten 21,...,23 tragen im vorliegenden Ausführungsbeispiel alle zur Deckung der kritischen Last 42 bei. Sie sind somit beitragen de Komponenten. In the event of a failure of the power grid 3, the critical load 42 must continue to be covered for a retrieval period. The call duration can correspond to a typical downtime of the power grid 3 and / or be at least as long as the downtime of the power grid 3. The energy-related components 21,..., 23 all contribute to covering the critical load 42 in the present exemplary embodiment. They are therefore contributing components.
Typischerweise kann das Energiesystem 1 nicht unmittelbar auf einen Ausfall des Stromnetzes 3 reagieren. Das Energiesystem 1 erfordert eine bestimmte Antwortzeit, um die Leistungen der jeweiligen beitragenden Komponenten 21,...,23 auf den geforder ten neuen Betriebszustand einzustellen. Beispielsweise müs- sen/muss die KWK-Anlage 22 und/oder die Netzersatzanlage 23 hochgefahren werden. Die Antwortzeit des Energiesystems 1 ist dann beispielsweise durch die längste komponentenspezifische Antwortzeit bestimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Antwortzeit bei der Steuerung (der Begriff des Steuerns umfasst den Begriff des Regeins) des Energiesystems 1 durch die Steuereinheit 20 berücksichtigt. Dies erfolgt dadurch, dass die zeitliche Änderung der Leistung der jeweiligen bei tragenden Komponente 21,...,23 durch Pnet,i /Tnet,i (im linearen Fall) beschränkt wird, wobei Pnetj die jeweilige Nennleistung und Tnet i die Anlaufzeit der jeweiligen Komponente i bezeich net. Die genannte Beschränkung wird als Nebenbedingung bei einem Optimierungsverfahren, welches der Bestimmung der mög lichst optimalen Struktur des Energiesystems 1 oder dem mög lichst optimalen Betrieb des Energiesystems 1 dient, berück sichtigt. Im Betrieb führt die Optimierung die Steuereinheit 20, beispielsweise als Bestandteil eines Energiemanagement systems, durch. In diesem Sinne bildet die Steuereinheit 20 eine modelprädikative Regelung aus beziehungsweise diese ist für eine modelprädikative Regelung ausgebildet. Typically, the energy system 1 cannot react immediately to a failure of the power grid 3. The energy system 1 requires a certain response time in order to adjust the performance of the respective contributing components 21, ..., 23 to the required new operating state. For example, the CHP system 22 and / or the emergency power system 23 must be started up. The response time of the energy system 1 is then determined, for example, by the longest component-specific response time. According to the present invention, the response time is taken into account when controlling (the concept of controlling includes the concept of regulating) the energy system 1 by the control unit 20. This is done by that the temporal change in the power of the respective load-bearing component 21, ..., 23 is limited by P n et, i / T n et, i (in the linear case), where P netj is the respective nominal power and T net i is the start-up time the respective component i denotes. The mentioned restriction is taken into account as a secondary condition in an optimization method which is used to determine the most optimal structure of the energy system 1 or the most optimal possible operation of the energy system 1. During operation, the control unit 20 performs the optimization, for example as part of an energy management system. In this sense, the control unit 20 forms a model-predictive control or this is designed for a model-predictive control.
Die Figur 2 zeigt ein erstes Diagramm. FIG. 2 shows a first diagram.
An der Abszisse 100 des ersten Diagramms ist die Zeit nach einem Ausfall (mit einem Asterisk gekennzeichnet) in beliebi gen Einheiten aufgetragen. Negative Werte (Kreuzungspunkt der Abszisse 100 und Ordinate 101) korrespondieren somit zu Zei ten vor dem Ausfall. The time after a failure (marked with an asterisk) is plotted in any units on the abscissa 100 of the first diagram. Negative values (intersection of abscissa 100 and ordinate 101) thus correspond to times before the failure.
An der Ordinate 101 des ersten Diagramms ist die Leistung der jeweiligen Komponente in beliebigen Einheiten aufgetragen. Hierbei ist Erzeugung/Bereitstellung mit einem positiven Wert und Verbrauch/Last mit einem negativen Wert versehen. The power of the respective component is plotted in any units on the ordinate 101 of the first diagram. Generation / provision is provided with a positive value and consumption / load with a negative value.
Vor dem Ausfall werden die Lasten 204, 205 durch die Leistun gen 202, 203 gedeckt. Die Leistung 202 wird durch eine KWK- Anlage bereitgestellt. Die Leistung 203 wird durch ein Strom netz bereitgestellt. Erfolgt nun ein Ausfall des Stromnetzes (Leistung 203 sinkt auf den Wert Null), so muss die kritische Last 205 durch beitragende Komponenten des Energiesystem wei ter gedeckt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die kritische Last 204 nach dem Ausfall durch die KWK-Anlage sowie eine durch einen Energiespeicher bereitgestellte Leis tung 201 gedeckt. Die nicht kritische Last (Leistung 205) wird nicht weiter versorgt. Innerhalb der Antwortzeit TR erfolgt die Änderung des Be triebszustandes der beitragenden Komponenten, das heißt vor liegend des Energiespeichers und der KWK-Anlage. Der Energie speicher und der KWK-Anlage können innerhalb der Antwortzeit nicht die letztendlich geforderte Leistung beitragen, sondern nur einen Teil ihrer Nennleistung. Dies wird gemäß der vor liegenden Erfindung durch die Nebenbedingungen berücksich tigt, die die zeitliche Änderung der Leistungen von oben be schränkt. Nach der Antwortzeit TR und innerhalb der Abrufdau- er rD erfolgt die Deckung der kritischen Last mit konstanten Leistungen. Dies wird durch die Geraden innerhalb der Ant wortzeit im ersten Diagramm symbolisiert. Before the failure, loads 204, 205 are covered by benefits 202, 203. The power 202 is provided by a CHP plant. The power 203 is provided by an electricity network. If the power grid now fails (power 203 drops to the value zero), critical load 205 must continue to be covered by contributing components of the energy system. In the present exemplary embodiment, the critical load 204 after the failure is covered by the CHP plant and a power 201 provided by an energy store. The non-critical load (output 205) is no longer supplied. The operating state of the contributing components is changed within the response time T R , that is, the energy storage device and the CHP system are present. The energy storage and the CHP system cannot contribute the output ultimately required within the response time, but only part of their nominal output. According to the present invention, this is taken into account by the constraints that limit the change in performance over time from above. After the response time T R and within the retrieval period r D , the critical load is covered with constant power. This is symbolized by the straight line within the response time in the first diagram.
Ist der Ausfall des Stromnetzes 3 behoben, das heißt nach der Abrufdauer, kann eine vergleichbare Anpassung der Betriebs punkte erfolgen, wobei dann ebenfalls wieder die nicht kriti sche Last - falls weiterhin vorhanden - gedeckt wird (nicht im ersten Diagramm dargestellt). If the failure of the power grid 3 has been remedied, i.e. after the call time, a comparable adjustment of the operating points can take place, in which case the non-critical load - if still present - is covered again (not shown in the first diagram).
Die Figur 3 zeigt ein zweites Diagramm, welches eine optimale Lösung, das heißt eine optimale Struktur eines Energiesys tems, unter Berücksichtigung einer Ausfallfunktion verdeut licht. FIG. 3 shows a second diagram which illustrates an optimal solution, that is to say an optimal structure of an energy system, taking into account a failure function.
An der Abszisse 100 des Diagramms ist die Abrufdauer TO in Stunden aufgetragen. An der Ordinate 101 ist der zugehörige Wert der Summe aus Zielfunktion und Ausfallfunktion aufgetra gen. The call duration T O is plotted in hours on the abscissa 100 of the diagram. The associated value of the sum of the objective function and the failure function is plotted on the ordinate 101.
Das Diagramm ist ein Balkendiagramm, wobei die gestreiften Balken zum Wert der Zielfunktion und die nicht gestreiften Balken zum Wert der Ausfallfunktion korrespondieren. Die Sum me der beiden Werte entspricht somit der Summe der genannten Balken. The diagram is a bar diagram, with the striped bars corresponding to the value of the objective function and the unstriped bars corresponding to the value of the failure function. The sum of the two values thus corresponds to the sum of the bars mentioned.
Das Vorhandensein einer optimalen Struktur mit einer mög lichst geringen Summe aus Zielfunktion und Ausfallfunktion kann basierend auf zwei Extremen der Abrufdauer verstanden werden. The existence of an optimal structure with the lowest possible sum of target function and failure function can be understood based on two extremes of polling time.
Weist die Abrufdauer den Wert Null auf, so sind keine zusätz lichen Komponenten oder Redundanzen zur Schaffung einer Resi- lienz des Energiesystems gegen einen Ausfall vorhanden. Der Wert der Zielfunktion ist somit diesbezüglich minimal. Aller dings besteht ebenfalls ein hohes Ausfallrisiko, da das Ener giesystem keinerlei Sicherheiten bezüglich des Ausfalls auf weist. Das Ausfallrisiko wird diesbezüglich durch den Wert der Ausfallfunktion quantifiziert. Mit anderen Worten ist hierfür der Wert der Ausfallfunktion maximal. Dadurch liegt für diese Abrufdauer typischerweise kein Minimum der Gesamt summe (Summe der beiden Balken im Diagramm) vor. If the call duration has the value zero, there are no additional components or redundancies to create a resilience of the energy system against a failure. The value of the objective function is therefore minimal in this regard. However, there is also a high risk of failure, since the energy system has no security in relation to failure. The default risk is quantified in this regard by the value of the default function. In other words, the value of the failure function is a maximum for this. As a result, there is typically no minimum of the total (sum of the two bars in the diagram) for this retrieval period.
Für eine Abrufdauer, die gegen unendlich strebt, das heißt für eine möglichst lange Abrufdauer, müssen viele zusätzliche Komponenten die Resilienz des Energiesystems über einen sol chen langen Zeitbereich sicherstellen. Beispielsweise muss das Energiesystem eine Mehrzahl von Energiespeichern, insbe sondere elektrochemische Speicher, aufweisen. Dadurch ist zwar das Ausfallrisiko minimal, jedoch der Wert der Zielfunk tion maximal. Dies entspricht ebenso nicht einer möglichst optimalen Struktur des Energiesystems. For a call duration that tends towards infinity, that is, for the longest possible call duration, many additional components must ensure the resilience of the energy system over such a long period of time. For example, the energy system must have a plurality of energy stores, in particular special electrochemical stores. As a result, the risk of failure is minimal, but the value of the target function is maximal. This also does not correspond to a structure of the energy system that is as optimal as possible.
Es ist somit erforderlich einen Kompromiss zwischen dem Zubau oder das Vorhalten von Komponenten und dem Ausfallrisiko zu ermitteln. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, das Minimum der Summe aus Zielfunktion und Ausfallfunktion in Abhängig keit der Abrufdauer zu bestimmen. Dieses Minimum entspricht einer möglichst optimalen Struktur mit einer bestimmten Ab rufdauer und einer bestmöglichsten Effizienz. Das genannte Minimum muss zwischen den obenstehend beschriebenen Extremen angeordnet sein, und ist vorliegend mit dem Pfeil 242 gekenn zeichnet. Durch das beschriebene Verfahren kann somit eine möglichst optimale Lösung, das heißt eine möglichst optimale Struktur des Energiesystems ermittelt werden. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein geschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hie- raus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. It is therefore necessary to find a compromise between the addition or the provision of components and the risk of failure. In other words, it is advantageous to determine the minimum of the sum of the target function and failure function as a function of the call duration. This minimum corresponds to the best possible structure with a certain retrieval time and the best possible efficiency. The mentioned minimum must be arranged between the extremes described above, and is marked with the arrow 242 in the present case. The method described can therefore be used to determine the best possible solution, that is to say the best possible structure of the energy system. Although the invention has been illustrated and described in more detail by the preferred exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples or other variations can be derived from them by the person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Energiesystem 1 energy system
2 kritisches System 3 Stromnetz 2 critical system 3 power grid
20 Steuereinheit 21 Energiespeieher 22 Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage 23 Netzersatzanlage 41 nicht kritische Last 20 Control unit 21 Energy store 22 Combined heat and power system 23 Emergency power system 41 Non-critical load
42 kritische Last 100 Abszisse 101 Ordinate 201 Leistung Energiespeicher 202 Leistung KWK-Anlage 42 critical load 100 abscissa 101 ordinate 201 power energy storage 202 power CHP plant
203 Leistung Stromnetz 203 Power grid
204 Leistung kritische Last 204 Performance critical load
205 Leistung nicht kritische Last 205 Performance non-critical load

Claims

Patentansprüche Claims
1. Computergestütztes Verfahren zur numerischen Bestimmung der Struktur eines gegenüber einem Ausfall einer oder mehre rer seiner Komponenten (21,...,23) resilienten Energiesystems (1), wobei das Energiesystem (1) durch eine für eine Optimie rung vorgesehene Zielfunktion beschrieben wird, sodass durch ein Berechnen eines Extremums der Zielfunktion die Struktur des Energiesystems (1) bestimmt wird, gekennzeichnet dadurch, dass das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung er folgt, dass eine kritische Last P (42) durch eine oder meh rere beitragende Komponenten i (21,...,23) des Energiesystems (1) für eine Abrufdauer TO derart weiter gedeckt wird, dass von der kritischen Last P (42) abhängige Komponenten und/oder Prozesse nicht wesentlich beeinträchtigt werden, wo bei hierfür die zeitliche Änderung der Leistung Pj * jeder bei tragenden Komponente (21,...,23) innerhalb einer Antwortzeit TR des Energiesystems (1) durch die mit der Anlaufzeit Tnet i ge wichtete Nennleistung Pnet,£ der jeweiligen Komponente 1. Computer-aided method for the numerical determination of the structure of an energy system (1) that is resilient to the failure of one or more of its components (21, ..., 23), the energy system (1) being described by an objective function intended for optimization , so that the structure of the energy system (1) is determined by calculating an extremum of the objective function, characterized in that the calculation of the extremum takes place under the constraint that a critical load P (42) is caused by one or more contributing components i ( 21, ..., 23) of the energy system (1) is further covered for a call duration T O in such a way that components and / or processes dependent on the critical load P (42) are not significantly impaired, where the time change of the Power P j * of each load-bearing component (21, ..., 23) within a response time T R of the energy system (1) by the nominal power P ne weighted with the start-up time T net i t, £ of the respective component
(21,...,23) beschränkt wird. (21, ..., 23) is restricted.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die zeitliche Änderung der Leistungen Pj * jeder beitragenden Komponente (21,...,23) durch Pnet,i /Tnet,i beschränkt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the temporal change in the powers P j * of each contributing component (21, ..., 23) is limited by P n et, i / T n et , i.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Leistung Pj * jeder beitragenden Komponente (21,...,23) innerhalb der Antwortzeit TR des Energiesystems (1) durch Pj + Pnet,iTR/Tnet i beschränkt wird, wobei Pj die Leistung der jeweili gen Komponente (21,...,23) vor oder beim Ausfall bezeichnet. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the power P j * of each contributing component (21, ..., 23) within the response time T R of the energy system (1) by P j + Pnet , iT R / T net i, where P j denotes the performance of the respective component (21, ..., 23) before or during failure.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass die Leistung Pj* jeder beitragenden Komponente (21,...,23) innerhalb der Antwortzeit TR durch ihre jeweilige Nennleistung Pnet,£ beschränkt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the power P j * of each contributing component (21, ..., 23) is limited within the response time T R by their respective nominal power P ne t, £.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass nicht kritische Lasten (41) wäh rend der Abrufdauer TO nicht gedeckt werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that non-critical loads (41) are not covered during the retrieval period T O.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass wenigstens eine der beitragenden Komponenten (21,...,23) ein Energiespeicher (21) ist, und dass das Berechnen des Extremums unter der weiteren Nebenbedingung erfolgt, dass die durch den Energiespeicher (21) bereitge stellte Leistung PES während der Abrufdauer TO die Unglei chung ?7ESPESrD < SOC CapES erfüllt, wobei hE$ den Entladewir kungsgrad des Energiespeichers (21), SOC den Ladezustand des Energiespeichers (21) vor oder beim Ausfall und CapES die Ka pazität des Energiespeichers (21) bezeichnet. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the contributing components (21, ..., 23) is an energy store (21), and that the calculation of the extremum takes place under the further secondary condition that the through the energy store (21) provided power P ES during the call duration T O satisfies the inequality? 7 ES P ES r D <SOC Cap ES , where h E $ is the discharge efficiency of the energy store (21), SOC is the state of charge of the energy store ( 21) before or in the event of failure and Cap ES denotes the capacity of the energy store (21).
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass während der Abrufdauer PD das Be rechnen des Extremums unter der Nebenbedingung XiPj * = PE für alle beitragenden Komponenten i (21,...,23) erfolgt. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the calculation of the extremum under the secondary condition XiP j * = P E for all contributing components i (21, ..., 23) takes place during the retrieval period P D.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass die kritische Last während der Ab rufdauer PD durch PE = P(PE) festgelegt wird, wobei PE die Leistung der kritischen Last (42) vor oder beim Ausfall be zeichnet, und F die Abhängigkeit der von der kritischen Last PE (42) abhängigen Komponenten und/oder Prozesse beschreibt. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the critical load during the call duration from P D is set by P E = P (P E ), where P E is the performance of the critical load (42) before or in the event of failure denotes, and F describes the dependency of the components and / or processes dependent on the critical load P E (42).
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass als beitragende Komponenten (21,9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the contributing components (21,
22) ein Energiespeicher (21), eine Kraft-Wärme-Kopplungs- Anlage (22) und/oder eine Netzersatzanlage (23) verwendet werden/wird . 22) an energy storage device (21), a combined heat and power plant (22) and / or an emergency power system (23) can be used.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass für mehrere Abrufdauern PD die je weilige Struktur des Energiesystems (1) bestimmt wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the respective structure of the energy system (1) is determined for several retrieval periods P D.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass für die mehreren bestimmten Strukturen der jeweilige Wert der Zielfunktion und ein jeweiliger Wert einer Ausfallfunktion ermittelt werden, wobei die Ausfallfunktion in Abhängigkeit der Abrufdauer TO das Ausfallrisiko der kritischen Last (42) quantifiziert, und eine Struktur aus den bestimmten Struktu ren ermittelt wird, die den kleinsten Wert der aus der Ziel funktion und Ausfallfunktion gebildeten Summe aufweist. 11. The method according to claim 10, characterized in that the respective value of the target function and a respective value of a failure function are determined for the plurality of specific structures, the failure function quantifying the failure risk of the critical load (42) as a function of the call duration T O, and a structure is determined from the specific structures which has the smallest value of the sum formed from the target function and failure function.
12. Energiemanagementsystem, umfassend eine Steuereinheit (20) zur Steuerung mehrerer Komponenten (21,...,23) eines Ener giesystems (1), wobei das Steuern der Komponenten (21,...,23) auf einer für eine Optimierung vorgesehenen Zielfunktion ba siert, sodass durch ein Berechnen eines Extremums der Ziel funktion Steuerwerte für das Steuern der Komponenten 12. Energy management system, comprising a control unit (20) for controlling a plurality of components (21, ..., 23) of an energy system (1), the control of the components (21, ..., 23) being provided for optimization Objective function based, so that by calculating an extremum of the objective function, control values for controlling the components
(21,...,23) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (20) derart ausgebildet ist, dass das Berechnen des Extremums unter der Nebenbedingung erfolgt, dass eine kritische Last (42) durch eine oder mehrere beitragende Komponenten i (21,...,23) des Energiesystems (1) für eine Ab rufdauer 7j) derart weiter gedeckt wird, dass von der kriti schen Last P (42) abhängige Komponenten und/oder Prozesse nicht wesentlich beeinträchtigt werden, wobei hierfür die zeitliche Änderung der Leistung Pj * jeder beitragenden Kompo nente (21,...,23) innerhalb einer Antwortzeit TR des Energie systems (1) durch die mit der Anlaufzeit Tneti gewichtete Nennleistung Pnet,£ der jeweiligen Komponente (21,...,23) be schränkt wird. (21, ..., 23), characterized in that the control unit (20) is designed in such a way that the calculation of the extremum takes place under the secondary condition that a critical load (42) is caused by one or more contributing components i ( 21, ..., 23) of the energy system (1) for a retrieval period 7j ) is further covered in such a way that components and / or processes dependent on the critical load P (42) are not significantly impaired, with the change over time the power P j * of each contributing component (21, ..., 23) within a response time T R of the energy system (1) by the nominal power P net, £ of the respective component (21, .. weighted with the start-up time T neti) ., 23) is restricted.
13. Energiemanagementsystem gemäß Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, dass dieses eine Datenschnittstelle aufweist, die einen Datenaustausch zwischen dem Energiemanagementsystem und einem lokalen Energiemarkt, einem Cloud-Server und/oder einem dezentralen Rechenzentrum ermöglicht. 13. Energy management system according to claim 12, characterized in that it has a data interface that enables data exchange between the energy management system and a local energy market, a cloud server and / or a decentralized data center.
14. Energiesystem (1) mit mehreren Komponenten (21,...,23), dadurch gekennzeichnet, dass das Energiesystem (1) ein Ener giemanagementsystem gemäß Anspruch 12 oder 13 umfasst. 14. Energy system (1) with several components (21, ..., 23), characterized in that the energy system (1) comprises an energy management system according to claim 12 or 13.
15. Energiesystem (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, dass die Abrufdauer TO des zugehörigen Energiemanage mentsystems in Abhängigkeit des Standortes des Energiesystems (1) festgelegt ist. 15. Energy system (1) according to claim 14, characterized in that the call duration T O of the associated energy management system is set as a function of the location of the energy system (1).
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