Projekt GridBox. Netzbasierte Echtzeiterfassung des Verteilnetzzustandes und dessen Optimierung. Stephan Moser, Vision trifft Realität.

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1 Projekt GridBox Netzbasierte Echtzeiterfassung des Verteilnetzzustandes und dessen Optimierung Stephan Moser, Vision trifft Realität. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich

2 Inhalt 1. Projektübersicht 2. Systemübersicht 3. Demonstrationsnetze 4. Echtzeit-Anwendungen 5. Ausblick 2 Zürich by Supercomputing Systems AG

3 Projektidee Ein System entwickeln, welches Transparenz auf Nieder- und Mittelspannungsnetz schafft das Potential einer Echtzeit-Management-Infrastruktur aufzeigt diverse technologische Ansätze real erproben lässt Einen Demonstrator bauen, welcher eine kritische Menge an installierten Komponenten umfasst in zwei realen Netze operativ ist verschiedene Anwendungsfälle demonstriert eine einzigartige Datenbasis schafft Ein Team zusammenbringen, welches über einen idealen Mix an Kompetenzen verfügt 3 Zürich by Supercomputing Systems AG

4 Projektpartner Gesamtprojektleitung, Hard- und Software-Entwicklung, Fertigung, Betrieb, Konzeption und Implementierung der Applikationen Ausrüstung und Betrieb eines ländlichen Pilotnetzes, Spezifikation der Applikationen, Datenauswertungen Ausrüstung und Betrieb eines städtischen Pilotnetzes, Spezifikation der Applikationen, Datenauswertungen Spezifikation der Applikationen, Beratung bezüglich langfristig zu erwartenden Problemstellungen Das Projekt wird durch das Bundesamt für Energie unterstützt 4 Zürich by Supercomputing Systems AG

5 Projektidee = Prosumer mit GridBox = GridBox Region Nachbar-Netz Master = GridBox Master Ebene N3 Master GridBox N3 Region Ebene N5 GridBox N5 Region Master Master Ebene N7 Master Master Master GridBox N7 Region 5 Zürich by Supercomputing Systems AG

6 Projektzeitplan Studie GridBox Konzept Software Design & Implementation Demonstration & Experimente SGA Design & Implementation Demonstrator Kleinserie Pre-Deployment Full Deployment Live Betrieb Projektteam: 1 Gesamt-PL, 3 Teil-PL 5-7 Entwickler für Hardware, Firmware, Software 3-4 Personen für Algorithmen und Datenauswertung Mehrere Installations-Teams Heute: >100 Geräte Im Feld installiert 6 Zürich by Supercomputing Systems AG

7 GridBox Systemübersicht Spannungsmessung GPS / Globale Zeitbasis Daisy-Chain für weitere 15 Strommessmodule Kommunikation ETH, ZigBee, UTMS, Powerline Diverse Aktoren-I/F: - PV - Boiler - BESS - E-Mobility - weitere Vierphasige Strommessung Prozessormodul Linux IP64 Gehäuse, VKtauglicher Formfaktor Projektspezifisch entwickelte Rogovsky-Strom-Messspulen 7 Zürich by Supercomputing Systems AG

8 GridBox Systemübersicht 8 Zürich by Supercomputing Systems AG

9 GridBox Systemübersicht 9 Zürich by Supercomputing Systems AG

10 GridBox Systemübersicht GridBox ist ein kommunizierender, regionaler «Smart Grid»-Ansatz Die Messungen enthalten Phasor-Informationen (GridBox = PMU) Robuste, verteilte «state of the art» IT-Plattform: Configuration Management und Deployment Fail-safe und Recovery Modes Remote SW/FW-Update Zentrales System Monitoring, Logging und Konfiguration Serie-automatisierte Kalibration und Konfiguration der Geräte IT Security 10 Zürich by Supercomputing Systems AG

11 GridBox Systemübersicht GridNet Protokoll: Spezifische Anforderungen: Effizienz, Latenz-Optimierung Bandbreitenlimitation, unzuverlässige Kanäle Grosse Vielfalt der Daten (nicht nur für Substation) Verschlüsselung (beidseitige Authentifizierung) Steuerung des Meldungsflusses für verteilte Systeme (Rechteverwaltung im Protokoll) Umgang mit Paketverlusten (ohne Verlust der Protokoll-Performance) Tunnel-Fähigkeit für Drittprotokolle -> Grundlage für Standardisierung 11 Zürich by Supercomputing Systems AG

12 Demonstrationsnetze: BKW (ländlich) US (N4) TS TS TS TS VK 1 GridBox Net Basismodul: Spannungsmessung 3 Phasen N5 mit kapazitivem Spannungsteiler GridBox Net Basismodul: Spannungsmessung 3 Phasen N7 GridBox Net Strommodul: Strommessung 3 Phasen + PEN GridBox Building: Strom und Spannung VK 2 FL 1 Strang Hausanschlussleitung Freileitung Photovoltaik Anlage Windanlage 12 Zürich by Supercomputing Systems AG

13 Demonstrationsnetze: ewz (städtisch) TS GEN VK 1 VK 2 VK 3 VK 4 VK 5 VK 8 VK 7 VK Nachbarreg. A BESS GridBox Net Basismodul: Spannungsmessung 3 Phasen GridBox Net Strommodul: Strommessung 3 Phasen + PEN VK 6 VK Nachbarreg. B GridBox Building: Strom und Spannung Strang Hausanschlussleitung Freileitung Photovoltaik Anlage Windanlage FL 1 FL 2 BESS Battery Energy Storage System GEN Notstrom Generator 13 Zürich by Supercomputing Systems AG

14 Echtzeit-Anwendungen: Use Cases im Projekt Topology Estimation Automatische Erkennung des Verbindungsgraphen sowie der Leitereigenschaften State Estimation, Monitoring Zustandsbestimmung in Echtzeit, Spannungen und Leistungsflüsse Optimizer Globaler Optimal Power Flow, Echtzeit-Regelkreis Archive / Research Übermittlung und Archivierung der Messdaten PQ Monitoring PQ Netzqualität im gesamten Demonstrationsnetz 14 Zürich by Supercomputing Systems AG

15 Echtzeit-Anwendungen: Datenmengen Datenmengen pro Gerät: ca. 2MB Rohdaten pro Sekunde Reduktion lokal: ca. 1kB-2kB jede Sekunde Glasfaser Broadband Powerline UTMS Datenmengen Gesamtsystem (BE und ZH): ca. 200kB jede Sekunde ca. 6 TB Messdaten pro Jahr Master DB GPRS ca. 20 TB Messdaten mit Metadaten ca. 200TB mit allen Oberwellen etc. Datenreduktion ist unerlässlich 15 Zürich by Supercomputing Systems AG

16 Echtzeit-Anwendungen: Live-Demonstration (Live-Demonstration Netzmessdaten aus Testgebieten) 16 Zürich by Supercomputing Systems AG

17 Echtzeit-Anwendungen: Topology Estimation Erfolgreiche Identifikation des Verbindungsgraphen auf Basis simulierter Lastflüsse im radialen IEEE37 und einem fiktiven vermaschten Netz Erfolgreiche Charakterisierung der Impedanz eines beidseitig gemessenen Leiters mittels Systemidentifikation innerhalb von 20% des Datenblattwertes 17 Zürich by Supercomputing Systems AG

18 Echtzeit-Anwendungen: Optimization Global Optimal Power Flow für Regelung: Übergeordnetes Ziel: Netzausbau verhindern oder verzögern Optimierungsziele: Leiterüberlastung verhindern und Spannungsbänder einhalten «regionale Eigenverbrauchsoptimierung» Aktoren: Sollwerte für PV (760kWp), regelbar bzgl. P und Q Boiler als individuell verschiebbare Last (140kW) Batterie (500kWh / 120 kw) -> Erste Resultate mit realer Topologie und simulierten Lastflüssen 18 Zürich by Supercomputing Systems AG

19 Echtzeit-Anwendungen: Optimization Beispiel für Optimizer-Anwendung: Begrenzte PV-Einspeisung Einfache Lösung über fixe Wirkleistungs-Begrenzung (curtailment) Optimale P und Q Regelung (optimal inverter dispatch) 19 Zürich by Supercomputing Systems AG

20 Ausblick 20 Zürich by Supercomputing Systems AG

21 Supercomputing Systems AG 22 Jahre, Technopark Zürich > 90 Ingenieure Engineering-Dienstleistungen Software, Elektronik, Algorithmik, Kommunikation, Simulationen, Anwendungen Energie, High Performance Systems, Medical, Big Data Medien, Automotive, Industrie, Öffentlicher Verkehr 21 Zürich by Supercomputing Systems AG

22 Supercomputing Systems AG Vision meets reality. Supercomputing Systems AG Phone Technopark 1 Fax Zürich