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Digitale Ameisen für bessere Stromnetze

Neue Solaranlagen und Windkrafträder, mehr Ladestationen für Elektroautos und Wärmepumpen für Wohnhäuser – die Energiewende nimmt Fahrt auf. Verteilnetzbetreiber müssen ihre Netze anpassen. Bei dieser komplexen Aufgabe unterstützt sie jetzt die Software IAV Optera. Das Herzstück kommt aus der Natur – eine optimierte Variante des Ameisenalgorithmus.

„Stromnetzbetreiber standen bislang schon vor der komplexen Aufgabe, ein leistungsfähiges und trotzdem bezahlbares Stromnetz zu bauen und zu betreiben. Mit der Energiewende wird dies ungleich anspruchsvoller: fluktuierende Erzeuger sowie neuartige Verbraucher treiben die Netze zunehmend an ihre Grenzen“, sagt Dr. Michael Schollmeyer, verantwortlich für das Thema Smart Grid bei IAV. „Mit IAV Optera haben wir eine leistungsfähige Software entwickelt, die Betreiber bei der Planung unterstützt, bestehende Netze optimiert und damit die Investitionskosten signifikant reduziert – in Tests um bis zu 20 Prozent.“

Für IAV Optera stand die Natur Pate: Ameisen scheiden auf der Nahrungssuche Duftstoffe aus, an denen sich die Artgenossen orientieren. Auf kürzeren Wegen zwischen Bau und Nahrungsquelle erreichen die Tiere schneller ihr Ziel. Deshalb sind sie hier öfter unterwegs und hinterlassen mehr Duftstoffe, sodass andere Ameisen ebenfalls diesen kürzeren Weg wählen. So genannte Ameisenalgorithmen nutzen dieses Konzept.

digitale ameisen für bessere stromnetze

Ein optimierter Ameisenalgorithmus liegt IAV Optera zugrunde: Die Software entwirft, berechnet und vergleicht tausende Netzvarianten für Mittelspannungsnetze. Die Parameter – z.B. Topologie, Spannungsbänder, Kosten – sind zuvor mit wenigen Klicks einstellbar. IAV Optera sucht effiziente Verbindungen, führt Lastflussberechnungen durch, prüft Fehlerfälle und findet geeignete Trennstellen im Netz. Zusätzlich ermittelt das Programm Trassenverläufe für Erdkabel und optimiert die Positionen der Kabelverzweigungen. Der Clou: dies geschieht alles völlig automatisiert.

Die digitalen Ameisen lernen, gute Verbindungen von schlechten zu unterscheiden. Für gut befundene Teillösungen werden verstärkt und fließen in den nächsten Optimierungszyklus mit ein – das Ergebnis verbessert sich kontinuierlich. „Unter tausenden Netzvarianten die möglichst beste herauszufiltern ist eine typische Optimierungsaufgabe, wie wir sie im Automotive-Engineering an vielen Stellen lösen“, sagt Schollmeyer. Dieses Know-how hat IAV in die neue Software für die Energiewirtschaft gepackt.

«Die Software IAV Optera bietet durch die Automatisierung von Arbeitsschritten und die hohe Flexibilität bei der Parametrierung ein großes Potential für eine effiziente und realistische Zielnetzplanung.»

Stephan Fettke — Netzplaner bei LEW Verteilnetz GmbH

IAV Optera stellt die errechneten Varianten grafisch dar. Der Netzplaner kann sie vergleichen, manuell verändern und so eine optimale Netzstruktur entwerfen. Beim Partner LEW Verteilnetz GmbH (LVN) in Augsburg waren bereits erste Tests im Regelbetrieb erfolgreich. Netzplaner Stephan Fettke: „Die Software IAV Optera bietet durch die Automatisierung von Arbeitsschritten und die hohe Flexibilität bei der Parametrierung ein großes Potential für eine effiziente und realistische Zielnetzplanung auf Basis von topographischen Grundkarten. Unsere bisherige Erprobung der Software zeigt, dass die Software ein sehr hilfreiches Werkzeug bei der Bewältigung unserer heutigen Planungsaufgaben ist. Gleichzeitig rüsten wir uns durch die Erprobung von IAV Optera zur Bewältigung von steigenden Anforderung aus dem Zubau von erneuerbaren Energien und der Elektromobilität.“

Ein Fall aus der Praxis: In einem ländlichen Verteilnetz mit regionalen Lastschwerpunkten und vielen Solaranlagen kommen bereits mehrere Leitungen an ihre Grenzen, zusätzlich prognostiziert der Betreiber ein Lastanstieg aufgrund von Elektrofahrzeugen. Ergo: Einige Netzbereiche werden in vielen Schaltzuständen dann überlastet sein. Der Betreiber will gegensteuern.

Für seine Zielnetzstudie verwendete der Planer neben der Bestandsanalyse verschiedene Optimierungsfunktionen von IAV Optera: Damit können beispielsweise Abzweigmuffen platziert oder Kabelquerschnitte vergrößert werden. Die Routenoptimierung verwandelt Netzentwürfe auf der Basis von Luftlinien in Trassenverläufe entlang von Straßen. Auf Grundlage von Geodaten werden Autobahnen, Flüsse, Bahntrassen und Naturschutzgebiete umgangen oder Querungen finanziell berücksichtigt.

«Die Software macht zwar alles automatisch, sie ersetzt aber niemals den Netzplaner. Im Gegenteil: seine langjährige Expertise verbessert das gute Ergebnis von IAV Optera.»

Dr. Michael Schollmeyer — Verantwortlich für Smart Grid bei IAV

Die naheliegende Lösung im Fall des ländlichen Verteilnetzes: auf 8,5 Kilometern die überlasteten Leitungen gegen neue Kabel austauschen und zusätzlich die Abgänge der Umspannwerke verstärken. IAV Optera schlägt eine Alternative vor: zwei neue Verbindungen im westlichen Netzgebiet und eine kurze Neubauleitung im Südosten. So kommt der Netzbetreiber dank IAV Optera mit nur 6,9 Kilometer neuer Leitungen aus – und spart 20 Prozent der Investitionskosten gegenüber der intuitiven Lösung.

„Die Software macht zwar alles automatisch, sie ersetzt aber niemals den Netzplaner. Im Gegenteil: seine langjährige Expertise verbessert das gute Ergebnis von IAV Optera“, betont Schollmeyer. Der Planer definiert nicht nur die Eingangsparameter und wählt die Optimierungsfunktionen, über eine Editierfunktion lässt er auch sein Detailwissen zu den Netzeigenheiten in die Studie einfließen.

IAV Optera wird als Software-as-a-Service angeboten. Damit entfällt die Installation und die Integration in die IT-Landschaft beim Verteilnetzbetreiber. Planer bedienen die Software über ein Web-Frontend, das über eine verschlüsselte Verbindung mit dem Server kommuniziert. Dessen Standort in Deutschland sowie ein IT-Sicherheitskonzept garantieren Vertraulichkeit und Datensicherheit. IAV speichert die Netzdaten nur für die Dauer der Berechnung. Volle Kontrolle über die eigenen Daten und ein optimiertes Verteilnetz – IAV Optera schafft beides.

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