Von der Bestimmung zur Vorhersage: Wie sagt man den Netzzustand vorher?

Transkript

1 Janosch Henze Von der Bestimmung zur Vorhersage: Wie sagt man den Netzzustand vorher? mit Unterstützung vom Fachgebiet Intelligente Eingebettete Systeme Universität Kassel Elektrotechnik / Informatik 07. August 2018 Bernhard Sick

2 Organisation Who we are. Head Staff 1 postdoctoral research fellow 8 research assistants 9 external doctoral candidates Secretary 10+ student assistants Prof. Dr. Bernhard Sick Janosch Henze 2

3 Fragestellungen Wie bestimmen wir den Netzzustand? Wie machen wir Prognosen? Wie wollen wir den Netzzustand vorhersagen? Janosch Henze 3

4 Was ist eigentlich ein Netzzustand? Janosch Henze 4

5 Netzzustand Der Netzustand gibt eine Aussage darüber ob ein Stromnetz die Aufgabe der Energieverteilung nachkommen kann. Grafik: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) Janosch Henze 5

6 Netzzustandsbestimmung Mit Hilfe von Lastfluss Berechnungen Eingabe: Gemessene Größen im betrachteten Netz Energieerzeugung Energieverbrauch Ausgabe: Zustand des Netzes Leitungsauslastung Knotenspannungen Transformatorauslastungen Grafik von Mario Sedlak via Janosch Henze 6

7 Netzzustandsbestimmung Erzeugung (Wind, PV, Andere) Netzzustand Lastflussberechnung Verbrauch (Haushalte, Industrie, Andere) Janosch Henze 7

8 Netzzustandsbestimmung Probleme: Keine aktuellen Werte verfügbar Lösung: Messlücken Prognosen durchund Fehler in Maschinelles Instrumenten Lernen Ungenauigkeiten der Messinstrumente Keine Vorhersage in die Zukunft Grafik von Mario Sedlak via Janosch Henze 8

9 Wie funktioniert so eine Prognose? Janosch Henze 9

10 Leistungsprognose Wind Grafik: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) Janosch Henze 10

11 Leistungsprognose Wind Warum Windleistungsprognose? Garantie der Netzstabilität Kraftwerkeinsatzplanung Energiehandel an Energiebörsen (z. B. EEX) Wie? Herkömmlich durch physikalisches Modell Janosch Henze 11

12 Leistungsprognose Wind Grafik: Bundesarchiv, Bild , Friedrich Gahlbeck, 6. April 1962 Janosch Henze 12

13 Leistungsprognose Wind P = Leistung P = 1 2 A c w ρ v 3 A = 1 2 πr2 = Rotorfläche c w = Wirkungsgrad ρ = Luftdichte v = Windgeschwindigkeit Janosch Henze 13

14 Leistungsprognose Wind Janosch Henze 14

15 Modellbildung früher Analytische Modelle x f y Janosch Henze 15

16 Modellbildung früher Analytische Modelle f ( x ) = y Janosch Henze 16

17 Leistungsprognose Wind Typischer Datensatz In Kooperation mit enercast GmbH. Janosch Henze 17

18 Modellbildung heute Maschinelles Lernen x t f Janosch Henze 18

19 Modellbildung heute Maschinelles Lernen f ( x) = t wäre der Idealfall! Tatsächlich entsteht f(x) = y, so dass der Istwert y dem Sollwert t möglichst ähnlich ist! Janosch Henze 19

20 Wie kann die Leistungsprognose für Windanlagen realisiert werden? Janosch Henze 20

21 Leistungsprognose Wind Grafik: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) Janosch Henze 21

22 Leistungsprognose Wind Typischer Datensatz In Kooperation mit enercast GmbH. Janosch Henze 22

23 Das Neuronale Netz Janosch Henze 23

24 Neuron Zellkern Axonterminale Axon Impuls Dendriten Janosch Henze 24

25 Einlagiges Perzeptron Aktivierungsfunktion Σ Ausgabe Gewichte Eingaben Janosch Henze 25

26 Einlagiges Perzeptron Aktivierungsfunktion Σ Ausgabe Neuron Gewichte Eingaben Janosch Henze 26

27 Mehrlagiges Perzeptron w 1 Σ w 1 Σ Σ w n w n Σ Σ Eingabe- Verdeckte Verdeckte Ausgabe- schicht Schicht Schicht schicht Janosch Henze 27

28 Mehrlagiges Perzeptron w 1 w 1 Σ Σ x Σ y w n w n Σ Σ Janosch Henze 28

29 MAschinelles Lernen x y t Janosch Henze 29

30 Leistungsprognose Wind Prognose mit neuronalem Netzwerk Janosch Henze 30

31 Energieprognosen Erneuerbare Energien sind Wetterabhängig Das Wettermodell als Input: Windrichtung Einstrahlung Regenwahrscheinlichkeit Windgeschwindigkeit Gemeßene Erzeugung als Trainingsdaten Janosch Henze 31

32 NetzzustandsPrognose Vorhersage Vorhersage Vorhersage Erzeugung (Wind, PV, Andere) Netzzustand Lastflussberechnung Verbrauch (Haushalte, Industrie, Andere) Janosch Henze 32

33 NetzzustandsPrognose 1. Eingangsgrößen Vorhersagen 2. Lastfluss berechnen 3. Netzzustand besimmen Vorteil: Viele Techniken vorhanden Kann alles Nachteil Alle Komponenten müssen vorhergesagt werden nachvollziehen Janosch Henze 33

34 NetzzustandsPrognose 1. Lastflussergebnis Vorhersagen 2. Netzzustand bestimmen Vorteil: Weniger Komponenten zur Vorhersage Nachteil Komplexeres Modell Reagiert nicht auf Veränderungen im Netz Janosch Henze 34

35 NetzzustandsPrognose 1. Netzzustand Vorhersagen Vorteil: Weniger Komponenten zur Vorhersage Nachteil Komplexeres Modell Reagiert nicht auf Veränderungen im Netz Schwierige ML Aufgabe Janosch Henze 35