LINZ NETZ und GridData evaluieren den DigitalTwin
Messbasierte Netzanschlussbewertung mit einem digitalen Netzzwilling Über 17.000 installierte PV-Anlagen und 288.000 Anschlusspunkte bei LINZ NETZ, dies sind beeindruckende Zahlen, die deutlich machen, wie wichtig die effiziente Bearbeitung der weiter steigenden Anforderungen an die Netzflexibilität ist. Dies wird noch verstärkt durch den Anschluss neuer Verbraucher wie Wärmepumpen oder Ladestationen. Zur Bewältigung der Herausforderungen stehen Möglichkeiten wie konventioneller Netzausbau, Blindleistungsmanagement, regelbare Ortsnetztrafos und weitere zur Verfügung. Für die richtige Auswahl der Maßnahmen ist eine aussagekräftige Netzberechnung entscheidend.
Erhöhung der Netzflexibilität durch probabilistische Analysen
Bei der heute breit eingesetzten „konventionellen“ Netzberechnung geht man von worst-case Annahmen aus, die häufig einen Netzausbau notwendig machen (Geräte-, Kabelkosten, Personaleinsatz). Ein sogenannter „probabilistischer“ Ansatz arbeitet mit Erwartungswerten, z. B. der Spannung am Stationstrafo oder der PV-Einspeiseleistung. Die Spannung darf Grenzwerte mit höher Wahrscheinlichkeit nicht überschreiten. Zum Nachweis der hohen Wahrscheinlichkeit kann eine messbasierte Vorgehensweise hilfreich sein. Dazu können gehören Viertelstundenmessungen von P/Q/U von Smart Metern, Lastprofilzähler, Stationstrafos, PV Wechselrichter in zeitreihenbasierten Lastflussrechnungen. Dadurch wird eine realistische, für die Wahrscheinlichkeitsbeurteilung nutzbare Abbildung der Netzverhältnisse erwartet.
Probabilistic Modeling
DigitalTwin Technologie
Ein Pilotprojekt von LINZ NETZ und GridData
LINZ NETZ und GridData bewerteten diese Vorgehensweise in einem gemeinsamen Pilotprojekt im Zeitraum 2022/2023 . Dazu wurde ein eingegrenztes Netzgebiet ausgewählt und die topologischen und verfügbaren Messdaten im GridData DigitalTwin abgebildet. Ziele des Projekts waren:
- Verständnis für die Einsatzmöglichkeiten eines digitalen Netzzwilling entwickeln
- Einschätzung des Potentials einer messdatenbasierten Netzanschlussbewertung
- Erprobung der Funktionen der Software GridData DigitalTwin
- Entwicklungsprioritäten aus der Anwendung im VNB-Betrieb ableiten
Abgestimmte Vorgehensweise – Vertrauensvolle Zusammenarbeit
Randbedingungen bei der Umsetzung des Ansatzes mit einem digitalen Zwilling
- Die Netzsicherheit muss gewährleistet sein,
- Etablierte Prozesse können nicht radikal ersetzt werden,
- Zu klären ist, welche VNB-Prozesse vom neuen Ansatz betroffen sind.
Daraus ergaben sich folgende Implikationen für die Zusammenarbeit
- Schrittweises Vorgehen,
- Erfahrungen sammeln mit neuen Ansätzen,
- Rückmeldungen einholen von Abteilungen und Prozessverantwortlichen bez. der Rückwirkungen eines geänderten Ansatzes.
Die Umsetzungsschritte waren entsprechend
- DigitalTwin installieren und kennenlernen
- Auswahl eines geeigneten, eingegrenzten Niederspannungs-Netzabschnitts
- Topologiedaten sowie Messdaten bzw. Metadaten des ausgewählten Netzabschnitts erheben und entsprechend in den DigitalTwin importieren, integrieren und kombinieren.
- Einrichtung eines Cloud-basierten Zugangs zur Software und der Möglichkeit die Zeitreihen der Messdaten in der Netztopologie zu visualisieren
- Das reine Monitoring von gemessenen Daten um die Möglichkeit der zeitreihenbasierten Lastflussrechnung erweitern. Erforderlich hierfür ist die Abschätzung von nichtgemessenen Netzanschlüssen.
- Bewertung der Berechnungsergebnisse der zeitreihenbasierten Lastflussrechnungen bei der Anschlussbewertung, welche durch die Abschätzung nichtgemessener Netzanschlüsse unweigerlich auftreten. Die Genauigkeit wird anhand der Gegenüberstellung von errechneten und gemessenen Spannungszeitreihen festgestellt.
- Berücksichtigung topologischer Änderungen im Zeitverlauf – z.B. die Integration einer zusätzlichen Trafostation
-
Erarbeitung möglicher zukünftiger Funktionserweiterungen, insbesondere im Benutzungsmodell des DigitalTwin.
So sind bei LINZ NETZ ca. 30 Mitarbeiter mit der Bewertung von Anschlussgesuchen für PV-Anlagen befasst.
Projektzusammenarbeit
- Auf beiden Seiten zeigte sich große Bereitschaft zur Zusammenarbeit und zum gemeinsamen Lernen.
- Für die Durchführung des Projekts fanden wenige Vor-Ort-Treffen und regelmäßige (2-wöchige) online Meetings statt.
- GridData Mitarbeiter waren gut erreichbar, so dass anstehende Fragen schnell geklärt werden konnten.
- Die durchwegs positive Haltung bei GridData zeigte sich in der flexiblen Reaktion auf Anforderungen aus den Analysen.
Analyse zeigt: Messdatenbasierte Verfahren sicher und genau
Immer wieder wird nach der Genauigkeit digitaler Netzabbilder gefragt. Hierzu kann anhand der Pilotumsetzung mit dem GridData DigitalTwin klar gesagt werden, dass eine gute Genauigkeit der errechneten Ergebnisse erzielt werden kann. Die Differenz zwischen gemessenen relativen Spannungswerten (bezogen auf Nennspannung) und errechneten relativen Spannungswerten beträgt etwa 1 %. Diese Abweichung ist durch die relativ geringe Anzahl gemessener Netzanschlüsse im ausgewählten Netzabbild (ca. 10%) begründet und steigt mit jeder zusätzlich berücksichtigten Messung. Der absehbare Trend hinzu flächendeckenden Viertelstundenmessungen bei Smart Metern und die Ermöglichung zur Nutzung dieser Daten zum Zwecke der Ausbauplanung durch Netzbetreiber (Stichwort ElWG) wird eine weitere Steigerung der erzielbaren Genauigkeit erbringen.
Wie wurde die Genauigkeit des Netzmodells festgestellt?
Es lag eine Grundmenge an Messdaten während der Durchführung der Berechnungen vor (teilweise Spannungsmessdaten) die zur Plausibilitätsbetrachtung herangezogen werden konnten. Ein Vergleich der Modelldaten mit den Messdaten zeigte eine Ungenauigkeit von etwa 1 % (bezogen auf Nennspannung). In dem von VNB einzuhaltenden Spannungsband von +-10 % ist aufgrund der möglichen Ungenauigkeit eine Reserve von 1% einzubeziehen. In ähnlicher Weise ist eine weitere Reserve von 2 % für die Spannungsunsymmetrie zu berücksichtigen, welche mangels entsprechender Messdaten bzw. aufgrund des eingesetzten (symmetrischen) Berechnungsalgorithmus berücksichtigt werden muss. Obwohl im Pilotprojekt noch keine großflächige Betrachtung angestellt wurde – aufgrund von Sonderfällen kann die Ungenauigkeit etwas variieren – konnten damit Anwendbarkeit und Genauigkeit digitaler Netzabbilder (hier mit dem GridData DigitalTwin) nachgewiesen werden.
- Die intensive Analyse der erzielbaren Genauigkeit war von Bedeutung:
- Da die Sicherheit der Stromversorgung unter allen Umständen zu gewährleisten ist, ist Vertrauen in die Qualität der messdatenbasierte Netzbetrachtung für ihren weiteren Einsatz unabdingbar.
- Darauf hinzuweisen ist, dass die hohe Qualität der errechneten Daten trotz reduzierter Messabdeckung nachgewiesen werden konnte.
Daten-Validierung
Hoher Wert für VNB beim Übergang von Worst-case auf Zeitreihenmessungen bestätigt
Ein messdatenbasierender Ansatz fußt auf der Berücksichtigung von Last- und Einspeisezeitreihen. In herkömmlichen (Worst-Case) Betrachtungen werden hingegen Zeitpunkte betrachtet, welche den Worst-Case darstellen. Bei der Anschlussbewertung von PV-Anlagen wird in solch einem herkömmlichen Ansatz z.B. die maximale mögliche Leistung sämtlicher Einspeiseanlagen gleichzeitig betrachtet während der Lastverlauf bleibt unberücksichtigt bleibt. Der Leistungsreduzierende Effekt durch „Gleichzeitigkeiten“ von Last- und Erzeugung werden dadurch vernachlässigt. Ein messdatenbasierender Ansatz hingegen bildet diesen Effekt ab und erlaubt eine genauere Einsicht in die tatsächlichen Netzverhältnisse.
Die maximal auftretende Spannung, die für die Anschlussbeurteilung Verwendung findet, ist beim Messansatz jedoch mit einer Wahrscheinlichkeit versehen – ein geändertes Kundenverhalten kann zukünftig zu einer Verletzung von einzuhaltenden Spannungsgrenzen führen. Um in solchen Fällen die Spannungsqualität sichern zu können ist ggf. eine Abregelung von Erzeugungsanlagen erforderlich. Die Anzahl solcher eventuell notwendiger Abregelungen bzw. Abschaltungen ist jedenfalls so gering wie möglich zu halten und kann durch einen messdatenbasierten Ansatz besser eingeschätzt werden (wie von E-Control gefordert). Hierzu sind aber weitere Untersuchungen empfehlenswert.
Grundsätzlich kann aufgrund der Untersuchungsergebnisse die Einbindung von Messwerten beim Netzbetrieb, bei der Netzplanung oder bei Anschlussbewertungen empfohlen werden. So kann z. B. die Notwendigkeit eines flexiblen Netzzugangs gem. ElWG, bzw. die von PV Austria vorgeschlagene flexible Einspeisung untersucht werden. Auch das im EnWG in Deutschland geforderte Flexibilitätsmanagement macht die Einbindung von Echtzeiteigenschaften des Netzes erforderlich.
Genauigkeit des DigitalTwin bestätigt – Erweiterungen aus dem Projekt verfügbar
Aus Sicht GridData ergaben sich im Rahmen des Projektverlaufs wichtige Hinweise für Entwicklungsprioritäten aufgrund der Rückmeldungen seitens LINZ NETZ GmbH. So konnten bereits während der Projektlaufzeit Anforderungen aus dem Betrieb wie z. B. das Management der Netztopologiehistorie zur vergleichenden Analyse inklusive der Schalthistorie umgesetzt werden. Mit der Bereitstellung von Trainingsvideos wurde dem Wunsch nach off-line Trainings oder Selbstlernmöglichkeiten Rechnung getragen. Die visuelle Darstellung des Netzes wurde durch Datenkanäle zur Einbindung vorhandener Prozessstrukturen des VNB ergänzt.
Kollaborative Entwicklung
Der Start ist gemacht – die Digitalisierung im Netzbetrieb schreitet voran
Die eingangs genannten Ziele konnten dank der engen Zusammenarbeit im Team zwischen LINZ NETZ und GridData klar erreicht werden:
- Verständnis für die Einsatzmöglichkeiten eines digitalen Netzzwilling entwickeln
- Einschätzung des Potentials einer messdatenbasierten Netzanschlussbewertung
- Erprobung der Funktionen der Software GridData DigitalTwin
- Entwicklungsprioritäten aus der Anwendung im VNB-Betrieb ableiten
Viele weiterführenden Ideen zur Nutzung digitaler Netzzwillinge sind entstanden – sowohl aus der Sicht des Netzbetriebs als auch aus der Sicht der Softwareentwicklung.
Für einen breiten Einsatz eines digitalen Zwillings ist eine entsprechende Auslegung der Basissysteme (Datenbank, Netzanschluss, CPU-Leistung) notwendig. Ebenso kann die Optimierung der verwendeten Messdaten, vor allem im Niederspannungsnetz, im täglichen Betrieb unterstützen.
Häufig wird in diesem Zusammenhang von Echtzeitfähigkeit gesprochen. Echtzeit ist im Stromnetz immer relativ zu Verfügbarkeit der Messwerte zu sehen. Im Vordergrund sollte deshalb die Aussagekraft der verfügbaren Daten für eine gute Prognose der Netzsicherheit stehen. Hier sind vermutlich noch weitere Untersuchungen zur Optimierung notwendig.
Die Unterstützung zur Erfassung der aktuellen Netzkonfiguration mit digitalen Werkzeugen vor Ort kann bei Anschlussbewertungen hilfreich sein – dadurch ist das Netzmodell im DigitalTwin automatisch mit den synchron zu den vergangenen und aktuellen Schaltzuständen.
Beim VNB ergibt sich die Notwendigkeit, die erweiterte Einbindung der Möglichkeiten eines digitalen Netzzwillings in die vorhandene IT-Landschaft architekturell zu unterlegen und damit weiteres mögliches Potential der Digitalisierung (z. B. im Hinblick auf Asset Management) zu heben.
Teilnehmer:
- LINZ NETZ GmbH: G. Dobetsberger, H. Köpplmayr, J. Marchgraber
- Kontron Technologies: J. Zeindl, E. Detter
- GridData: H.-P. Schwefel, M. Reitenspieß
Das RES-Projekt Österreich wird im Zuge des Renewable-Energy-Solutions-Programms der Exportinitiative Energie des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.