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Mit digitalen Ameisen effizient zu besseren Stromnetzen

Die Energiewende hat alles verändert: Seit dem Ausbau der erneuerbaren Energien nimmt die Komplexität in der Netzplanung stetig zu. IAV hat eine Methode entwickelt, mit der Verteilnetze automatisiert geplant und unterschiedliche Ausbauszenarien anschaulich gegenübergestellt werden können.

Seit Beginn der Energiewende ist vieles anders in der deutschen Strombranche. Immer mehr dezentrale Erzeuger speisen ihren fluktuierenden Ertrag in die Netze ein, die darauf bislang nicht vorbereitet sind. Für die Netzbetreiber bedeutet das: Sie müssen investieren und ihre bestehende Infrastruktur an die neuen Herausforderungen anpassen. Dabei gilt es, das Bestandsnetz mit möglichst geringen Investitionen in Kupfer und Intelligenz fit für die Zukunft zu machen.

Das ist eine typische Optimierungsaufgabe, wie sie auch in der Automotive-Entwicklung anfällt. IAV hat in den vergangenen Jahren zahlreiche Optimierungsverfahren für komplexe Fragestellungen mit vielen Parametern eingesetzt und überträgt dieses Know-how jetzt in andere Branchen. Die Stromnetzplanung ist eines dieser neuen Felder, und sie zeichnet sich durch eine besondere Komplexität aus. „Wir haben es hier mit mehreren hundert bis zu tausend Netzknoten zu tun, außerdem gibt es einen umfangreichen Regelsatz zur Topologie der Strukturen“, erklärt Dr. Michael Schollmeyer, Teamleiter Smart Grid bei IAV. „So müssen zum Beispiel bestimmte elektrische Grenzwerte eingehalten werden, damit es nicht zu Schäden an den Betriebsmitteln und damit zum Stromausfall kommt.“

Fehlinvestitionen vermeiden, Synergien nutzen

In der strategischen Netzplanung, wenn etwa neue Windkraftanlagen, aber auch frisch errichtete Industriegebiete ans Netz angeschlossen werden sollen, kommen die Netzbetreiber ohne Tools nicht weiter – dafür ist der Raum an möglichen Lösungen schlicht zu groß. Für die IAV-Lösung ist die hohe Komplexität bei der strategischen Zielnetzplanung hingegen kein Problem. „Unsere hochautomatisierte Methode entwirft und analysiert selbstständig tausende unterschiedliche Netzvarianten und hilft Verteilnetzbetreibern, eine reaktive Netzplanung zu vermeiden, Fehlinvestitionen zu verhindern und Synergien gezielt zu nutzen“, fasst Lukas Ruck, Projektverantwortlicher bei IAV, zusammen.

Kernelement des Verfahrens ist eine Variation des Ameisenalgorithmus, der bei logistischen Verteilungsaufgaben oft für den Entwurf effizienter Punkt-zu-Punkt-Verbindungen genutzt wird. Vorbild sind Ameisen auf Nahrungssuche, die eine möglichst kurze Verbindung zwischen ihrem Bau und einer Nahrungsquelle suchen. Allerdings haben die IAV-Ingenieure den klassischen Ameisenalgorithmus erheblich erweitert, um der Komplexität von Stromverteilnetzen gerecht zu werden – sonst könnte er lediglich Ring- und Strangleitungen planen.

Strommasten und Windräder unterstützen das Stromnetz.

Bei der IAV-Lösung werden die elektrischen Eigenschaften des Netzplanes importiert und durch Geoinformationen für jeden Knotenpunkt ergänzt. „Der Netzbetreiber kann zum Beispiel die zulässige Länge von Ringen und Stichen oder die maximale Anzahl von Ortnetzstationen pro Ring vorgeben“, so Schollmeyer. „Unser Verfahren ist außerdem in der Lage, Umspannwerke, Schalthäuser und Trennstellen nachzubilden. Zusätzlich kann es Strangleitungen ausgehend vom Umspannwerk oder Schalthaus zu einem anderen Strang oder Ring modellieren.“

Jede Iteration liefert ein besseres Netz

Liegen alle benötigten Informationen vor, generiert der Algorithmus iterativ eine Vielzahl an möglichen Lösungen zur effizienten Verbindung der Einzelpunkte. „Effizient“ bedeutet hier: ein Netz mit möglichst geringen Investitions- und Betriebskosten, das trotzdem alle Lastfluss- und Kurzschlussanforderungen erfüllt. Ein Lernalgorithmus sorgt dafür, dass die resultierenden Netzstrukturen mit jeder Iteration besser werden. Das Ergebnis ist ein leistungsfähiges Netz mit minimalen Gesamtkosten, das alle Ansprüche an eine hohe Versorgungsqualität erfüllt. „Unsere Optimierung nimmt keinerlei Abstriche bei der Zuverlässigkeit oder der Sicherheit in Kauf. Aber wir erreichen die geforderte Versorgungsqualität in allen Netzsituationen mit geringeren Investitionen“, sagt Ruck.

IAV bietet die strategische Netzplanung als Service an. Seine Praxistauglichkeit hat der Algorithmus bereits in Kooperationsprojekten mit mehreren Verteilnetzbetreibern bewiesen: In einem der Projekte wurde er eingesetzt, um die Stromkreislänge in einem bestehenden Netz zu verringern und den gezielten Rückbau von wartungsintensiven Freileitungen zu ermöglichen. Gleichzeitig sollten zwei neue Industriegebiete integriert werden und das Zielnetz möglichst übersichtlich strukturiert sein. Das Zielnetz von IAV hat diese Aufgabe in kürzerer Zeit und zu rund 20 % geringeren Investitionskosten gelöst, als das Netz aus der händischen Planung des Projektpartners.

Bei diesem Projekt zeigte sich, dass sich die Erfahrung und Fachkompetenz des Verteilnetzbetreibers hervorragend mit den Lösungsvorschlägen des Algorithmus kombinieren lassen. So entstanden zahlreiche mögliche Optionen für die Gestaltung des Zielnetzes, dessen genaue Ausarbeitung in puncto Trassenverlauf, Trennstellen und anderer wichtiger Parameter im Anschluss diskutiert werden konnte.


Der Artikel erscheint im Oktober in der automotion 03/2019, dem Automotive Engineering-Kundenmagazin von IAV. Hier können Sie die autmotion kostenfrei bestellen.


 

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