Zellulare Systeme bis zum Ende gedacht: PolyNetze nach dem Holaren Modell. Ludwig Karg, B.A.U.M. Consult München/Berlin 10. November 2017, Berlin

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1 Zellulare Systeme bis zum nde gedacht: PolyNetze nach dem Holaren Modell Ludwig Karg, B.A.U.M. Consult München/Berlin 10. November 2017, Berlin

2 Auf dem Weg in eine neue Welt dynamisch veränderbare Gruppen von rzeugern und erbrauchern (Holares System) statische Gruppen von rzeugern und erbrauchern (irtuelle Kraftwerke, zellulare Systeme) insatz von Sensorik und Aktorik zur inbindung von Netznutzern rgänzung durch Aktorik zur Automatisierung häufiger(er) Schaltvorgänge im Netz rgänzung des Netzes durch Sensorik zur erbesserung der Planbarkeit herkömmliches System Ludwig Karg, Berlin 2

3 Holone nergetische Holone sind dynamisch veränderbare Gruppen von Holaren lementen. Sie besitzen (in Anlehnung an das von Arthur Koestler definierte systemtheoretische Modell) folgende grundlegende Fähigkeiten: über die eigenen Angelegenheiten selbst entscheiden (Autonomie) mit anderen Holonen Informationen zu deren Zustand austauschen (Kommunion) sich mit anderen Holonen zu einem neuen Holon zusammenschließen (Fusion) in neue Holone zerfallen (Division) lemente integrieren, die zuvor keinem Holon angehört haben (Integration) oder lemente ausscheiden (Separation) Ludwig Karg, Berlin 3

4 Das holare Modell (Auszug) Das gesamte Holare ersorgungssystem setzt sich aus Holonen zusammen. Holone bestehen aus Holaren lementen. Innerhalb jedes Holons wird zu jedem Zeitpunkt gleich viel nergie bereitgestellt ( erzeugt ) wie verbraucht. Holare lemente können über Steuersignale beeinflusst werden (z. B. rzeugung, maximaler erbrauch). In jedem Holon gibt es eine Instanz Holonkoordinator, die mit Holaren lementen und Holonmanagern im eigenen Holon sowie den Holonkoordinatoren in anderen Holonen kommunizieren kann. Holone können sich nach Algorithmen zu größeren Holonen zusammenschließen oder in kleinere Holone zerfallen Ludwig Karg, Berlin 4

5 Domänen und das Holare Modell Niederspannungs-Domäne (Strom) Gas-Domäne Wärme-Domäne Ludwig Karg, Berlin 5

6 Domänen und das Holare Modell Niederspannungs-Domäne (Strom) Gas-Domäne Wärme-Domäne Ludwig Karg, Berlin 6

7 Fehlereintritt traditionell Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Hochspannungsnetz 110 k offene vollautomatisiert nicht automatisiert, Schaltungen erfolgen durch Betriebspersonal vor Ort ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter geschlossene offene Ludwig Karg, Berlin 7

8 Netzabschaltung traditionell Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Hochspannungsnetz 110 k offene vollautomatisiert nicht automatisiert, Schaltungen erfolgen durch Betriebspersonal vor Ort ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter ON geschlossene offene Ludwig Karg, Berlin 8

9 rsatzversorgung traditionell Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Hochspannungsnetz 110 k geschlossene vollautomatisiert nicht automatisiert, Schaltungen erfolgen durch Betriebspersonal vor Ort ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter ON geschlossene offene Ludwig Karg, Berlin 9

10 Wiederherstellung traditionell Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Hochspannungsnetz 110 k offene vollautomatisiert nicht automatisiert, Schaltungen erfolgen durch Betriebspersonal vor Ort ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter geschlossene offene Ludwig Karg, Berlin 10

11 vollautomatiisert Fehlereintritt holares System Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Messung im Netz (PMU) Hochspannungsnetz 110 k Holon A vollautomatisiert ONS MS/NS Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter BHKW geschlossene BHKW offene Holon B Ludwig Karg, Berlin 11

12 vollautomatiisert Neubildung von Holonen holares System Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Messung im Netz (PMU) Hochspannungsnetz 110 k Holon C vollautomatisiert Holon A ONS MS/NS BHKW BHKW Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter Holon B Ludwig Karg, Berlin 12

13 vollautomatiisert Wiederherstellung holares System Höchstspannungsnetz 220 und 380 k Niederspannungsnetz (0,4 k) Messung im Netz (PMU) Hochspannungsnetz 110 k Holon C vollautomatisiert Holon A ONS MS/NS BHKW BHKW Mittelspannungsnetz (z. B. 10 k) offener Schalter Holon B Ludwig Karg, Berlin 13

14 Holare Modelle Spezielles Holares System Alle Holaren lemente eines Holons sind am selben physikalischen Strang Alle physikalischen Netzabschnitte mit deren angeschlossenen Holaren lementen sind genau einem Holon zugeordnet Allgemeines Holares System Die Holaren lemente eines Holons können über mehrere physikalische Netzabschnitte verteilt sein Ludwig Karg, Berlin 14

15 nergetische Zustände im Holon Überversorgung Holarer Brownout Normalversorgung Minimalversorgung Heartbeat- Zustand Holarer Blackout Der Bedarf (nergie, Leistung, Qualität) aller erbraucher in allen eingeschlossenen holaren lementen kann (von rzeugern, Speichern, Umsetzern im Holon) gedeckt werden (grün), wobei ggf. mehr produziert und abgegeben werden könnte (dunkelgrün). Der für das Holon definierte Minimalbedarf (nergie, Leistung) kann für alle holaren lemente (unter Nutzung deren Flexibilitäten) gedeckt werden. Die Minimalversorgung ist nicht gesichert, aber alle Holonkoordinatoren, Holonmanager und Steuerboxen sind voll versorgt und in der Lage, das Holon in eine Minimalversorgung zu bringen bzw. mit einem anderen Holon zu fusionieren Holonmanager und Steuerboxen sind in einem Ruhezustand und können von einem vollversorgten Koordinator geweckt werden Holonkoordinator, Holonmanager und Steuerboxen sind nicht versorgt bzw. ausgeschaltet Ludwig Karg, Berlin 15

16 Zustände eines Holons rzeugung im Holon (1) Normalbedarf Minimalbedarf (1) Zur rzeugung zählt auch die vom (R)ONT bzw. Umspannwerk bereitgestellte Leistung Ludwig Karg, Berlin 16

17 Zustände eines Holons (bei sich verändernden Bedarfen) rzeugung im Holon (1) Normalbedarf Minimalbedarf (2) (1) Zur rzeugung zählt auch die vom (R)ONT bzw. Umspannwerk bereitgestellte Leistung (2) z. B. unterschiedlicher Minimalbedarf bei Tag und bei Nacht Ludwig Karg, Berlin 17

18 Motive für und Prinzipien der Holonbildung (Diskussionsgrundlage) Überversorgung Normalversorgung Minimalversorgung Holarer Brownout Bereitschaft zeigen, mit anderen Holonen zu fusionieren versuchen in kleinere Holone zu zerfallen, sofern diese alle im grünen Zustand bleiben und die Rahmenbedingungen (Wirtschaftlichkeit, Resilienz, ) erfüllt sind. Minimalversorgung weiterhin gewährleisten und versuchen zu fusionieren. Zustand möglichst lange aufrecht erhalten und den Heartbeat- Zustand bzw. einen holaren Blackout vermeiden Ludwig Karg, Berlin 18

19 Maß für die Qualität eines Holonbildes Q = vx x sx(1-s) x lxl : ersorgungsgrad für alle holaren lemente S: maximaler Schaden im Fehlerfall L: Lebenserwartung des Holonbildes (alle Faktoren normiert auf 1) v,s,l: Gewichtungsfaktoren für das Kriterium Ludwig Karg, Berlin 19

20 Warum? Im holaren System können instabile Ausnahmezustände schneller in stabile Zustände überführt werden lässt sich der Gesamtversorgungsgrad im zukünftigen ersorgungssystem bei gleichem technischen und finanziellen Aufwand höher halten lassen sich weitergehende technische (z. B. DC-System) und Marktmodelle (z. B. abgestufte ersorgung von Gruppen) leichter realisieren Ludwig Karg, Berlin 20

21 Funktionsblöcke im Holaren System Betriebsmittelverwaltung (GIS) Netzberechnung Flexibilitätsmanagement Management Holare Netzführung Ausbauplanung Holonsteuerung Überwachungsfunktionen Prognose Bewertung IST-Zustand Angriffs-/ Anomalieerkennung Holonbildung Polynetze Datenmanagement (historisch) Datenmanagement (chtzeit) Sensorik Messdatenmanagement Aktorik Ansteuerung Cloud Infrastruktur Holares lement Kontinuierlicher Datenfluss Datenfluss bei Bedarf Ludwig Karg, Berlin 21

22 Funktionsblöcke und deren Bearbeiter Betriebsmittelverwaltung (GIS) Netzberechnung Flexibilitätsmanagement Management Holare Netzführung Ausbauplanung Holonsteuerung Überwachungsfunktionen Prognose Bewertung IST-Zustand Angriffs-/ Anomalieerkennung Holonbildung Polynetze Datenmanagement (historisch) Datenmanagement (chtzeit) Sensorik Messdatenmanagement Aktorik Ansteuerung Cloud Infrastruktur Holares lement Kontinuierlicher Datenfluss Datenfluss bei Bedarf Ludwig Karg, Berlin 22

23 Funktionsblöcke und deren Subjekte Anlagenaufnehmer Betriebsmittelverwaltung (GIS) Netzberechnung Netzchecker Flexibilitätsmanagement Management Flexibilitäts- Analyst Flexibilitäts- Scout Holare Netzführung Notfall- Manager Ausbauplaner Ausbauplanung Holonsteuerung Holonkoordinator Manager erbrauchsprognostiker rzeugungsprognostiker Netzüberwacher Überwachungsfunktionen Prognose Bewertung IST-Zustand Angriffs-/ Anomalieerkennung IT- Überwacher Holonbildung Scout Holoner Holonsimulator Polynetze Datenmanagement (historisch) Cloud Infrastruktur Datenmanagement (chtzeit) Messdaten manager Sensorik Messdatenmanagement Messdaten gewinner Holares lement Aktorik Ansteuerung Wächter Ansteuerer Kontinuierlicher Datenfluss Datenfluss bei Bedarf Ludwig Karg, Berlin 23

24 Subjekte in der Blockchain Ludwig Karg, Berlin 24 Holoner Scout Flexibilitäts- Analyst Flexibilitäts- Scout Messdaten manager Messdaten gewinner erbrauchsprognostiker rzeugungsprognostiker Holonsimulator Wächter Ansteuerer Notfall- Manager Holonkoordinator Manager Netzchecker IT- Überwacher Netzüberwacher Anlagenaufnehmer Ausbauplaner Manager Manager Manager Manager Manager Holonkoordinator Holonkoordinator Holonkoordinator Ansteuerer Ansteuerer Ansteuerer Ansteuerer Wächter Wächter Wächter Wächter Messdaten gewinner Messdaten gewinner Messdaten gewinner IT- Überwacher IT- Überwacher IT- Überwacher IT- Überwacher IT- Überwacher Manager Manager Manager Holonkoordinator Holonkoordinator Holonkoordinator

25 Ludwig Karg B.A.U.M. Consult München / Berlin Ludwig Karg, Berlin 25