Arbeitspaket 3: Beschaffung und Implementierung eines prototypischen vkw++ Testleitstands

Status: Abgeschlossen

Ziel:

Das Ziel des Arbeitspaketes bestand in der Beschaffung und Implementierung eines prototypischen vkw++ Testleitstands und somit in der Umsetzung des im Arbeitspaket Design definierten Anforderungskataloges. Der prototypische Leitstand sollte in der Lage sein, die entworfenen Szenarien in real existierenden Verteilnetzen umzusetzen. Neben dem Aufbau eines Software-Systems, das Live-Netzberechnungen, Netzprognosen, Zubaus-Szenarien und Steuerbefehle umsetzen kann, war die Implementierung der gesamten Hintergrund-Infrastruktur zu beachten. Hierzu gehören die sichere informations- und kommunikationstechnische Anbindung von Netzleitstellen und Anlagen, die Integration von Erzeugungs- und Lastprognosen sowie der Aufbau einer IT-Infrastruktur mit einem IT-Security-Monitoring Systems, das höchsten Sicherheitsstandards entspricht.

Ergebnis:

Das Ergebnis des Arbeitspeaketes stellt das am Projektstandort aufgebaute, sogenannte QUIRINUS Control-Center, dar. Die umgesetzten Funktionalitäten lassen sich in die folgenden sieben Hauptsäulen unterteilen:

State Estimation in Echtzeit

Im Quirinus Control-Center wird mit Hilfe von Online-Messwerten, historischen Lastgängen, Prognosen und Lastprofilen der aktuelle und zukünftige Zustand eines Netzes ermittelt.

Im Projekt wird zwischen der State-Estimation (Echtzeit) und der Lastfluss-Prognose (Vortag) unterschieden. Beide Berechnungen lassen sich mit Hilfe der QUIRINUS-Ampel visualisieren.

Ein State-Estimator, z.dt. Zustandsschätzer, ermittelt anhand der von ausgewählten Messpunkten übertragenen realen Zustandsinformationen den vermuteten aktuellen Zustand des Gesamtsystems.

Im Echtzeitbetrieb werden Leitungen und Knotenpunkte anhand der Farben Grün, Rot und Schwarz eingefärbt und beurteilt. Grün bedeutet, dass kein Engpass vorliegt und sich die Spannungen sowie die Betriebsmittelauslastungen in den definierten Grenzbereichen bewegen. Die Farbe Rot signalisiert eine Grenzüberschreitung und triggert gleichzeitigt einen Lösungsvorschlag zur Behebung des jeweiligen Netzengpasses. Der Ausfall eines Netzabschnittes wird durch die Farbe schwarz kenntlich gemacht. Eine Überlastungssituation ist in den integrierten Netzen derzeit eher selten zu erwarten. Daher gibt es im QUIRINUS Control Center die Möglichkeit, kritische Situationen im Netz zu simulieren und Grenzwerte so anzupassen, dass eine rote Ampelphase bereits bei geringen Auslastungen ausgelöst wird. Das ermöglicht es, zukünftige Netzengpässe zu simulieren und mögliche Engpassbehebungsmaßnahmen zu erproben.

Lastflussprognose

Neben der Engpasserkennung in Echtzeit lag ein Fokus des Projektes darauf, bevorstehende Netzengpässe früh zu erkennen. Hierzu wurde das Modul Lastflussprognose entwickelt. In der Lastflussprognose wird der Netzzustand der zukünftigen 24 Stunden anhand von Last-und Erzeugungsprognosen sowie historischen Daten errechnet. Da im Falle eines prognostizierten Engpasses noch Zeit bleibt, diesen durch den Einsatz von Erzeugungs- und Verbrauchsflexibilität zu beheben, wird hier die Farbe Rot durch Gelb ersetzt. Die Grüne Ampelphase verhält sich analog zu der in der State-Estimation. Diese Prognose lässt sich am Folgetag mit der jeweils aktuellen State-Estimation vergleichen und führt somit zu einem kontinuierlich lernenden System.

Lastmanagement, Verbrauchs- & Erzeugungsprognose

Last- und Erzeugungsprognosen dienen dem Control-Center als Eingangsdaten, um zukünftige Netzzustände zu berechnen. Die Erzeugungsprognosen werden vorwiegend mit Hilfe von Wetterdaten und Anlagenstammdaten errechnet. Bei Anlagen, die nicht volatil einspeisen, wie zum Beispiel Blockheizkraftwerke, errechnet eine KI anhand historischer Daten eine entsprechende Prognose. Analog wird bei einem Großteil der Lasten, wie Wärmepumpen, Haushalten und Gewerben vorgegangen.

Neben der Prognose dezentraler Lasten und Erzeugungsanlagen liegt der Fokus des QUIRINUS Projektes auf der Flexibilisierung von Industrieanlagen. Hintergrund ist die optimierte Ausnutzung des volatilen Energiedargebotes aus dezentralen Erzeugungsanlagen und die Erweiterung des netzdienlichen Flexibilitätsportfolios. Hierzu beschäftigt sich ein Modul des QUIRINUS Control-Centers mit der Analyse und dem Management industrieller Lasten von Pilotkunden, die im Rahmen des Projektes als Partner gewonnen werden konnten. Die Analyse befasst sich mit der Aufnahme von Produktionsdaten und der anschließenden Umwandlung von Produktionsfahrplänen in

„Energiefahrpläne“ (präziser: Leistungsfahrpläne). Das Management errechnet aktiv Alternativfahrpläne, die dem Control-Center vorgeschlagen werden. Dieses ermittelt dann den optimalen Fahrplan für die jeweilige lokale Netzsituation.

Die Grafik zeigt zwei solcher Fahrpläne. In Grün dargestellt ist der aktuelle, vom Industriekunden initial ausgewählte Fahrplan. Die blaue Ganglinie stellt den errechneten systemdienlichen Alternativfahrplan unter Berücksichtigung der technischen und kommerziellen Randbedingungen des Industriepartners dar. So ermittelt das System permanent alternative Fahrpläne. Zudem kann eine spontane Neuberechnung eines Fahrplans durch den jeweiligen Nutzer angestoßen werden.

Flexibilitätsmonitor

Im Flexibilitätsmonitor werden die gewonnene Netztransparenz sowie die ermittelten Flexibilitätspotenziale so genutzt, dass vorgelagerten Netzbetreibern eine Indikation über die vorhandene Flexibilität des nachgelagerten Netzes bereitgestellt werden kann (Abbildung 5). So eröffnet sich die Möglichkeit, auch Engpässe im vorgelagerten Netz durch Leistungsanpassungen zu bewirtschaften.

Die obige Abbildung zeigt die Struktur des QUIRINUS-Flexibilitätsmonitors. Die grünen Elemente stellen flexible Anlagen wie BHKW, Schwungradspeicher oder Windparks dar, die durch das Control-Center in ihrer Blind- und Wirkleistung beeinflusst werden können. So kann am jeweils vorgelagerten Connection-Point, dargestellt als schwarze und blaue Punkte, eine Flexibilität bereitgestellt werden.

Der Flexibilitätsmonitor visualisiert für die Nutzer des Control-Centers den Anteil der im Verteilnetz am jeweiligen Connection Point (CP) befindlichen Flexibilität über ein Wirkleistungs-Blindleistungs-Diagramm (PQ-Diagramm). Durch die potenzielle Flexibilität entsteht ein Bereich von möglichen Arbeitspunkten des CPs. Der Nutzer des Control-Centers kann durch Parametrierung des aktuellen Arbeitspunktes im Flexibilitätsbereich die notwendige Flexibilität aktivieren und so dem vorgelagerten Netzbetreiber eine aggregierte Leistungsanpassung am CP bereitstellen.

Simulativer Netzausbau

Neben dem Monitoring von Netzengpässen im aktuellen Bestandsnetz besteht im QUIRINUS Control-Center die Möglichkeit, Netze simulativ auszubauen und das Verhalten zukünftiger Netztopologien zu simulieren. So können Einflussfaktoren wie die Elektromobilität, eine höhere Durchdringung von PV-Anlagen oder der Ausbau von Windkraftanlagen berücksichtigt und ihr Einfluss auf die zukünftige Netzstabilität ermittelt werden.

Informations- und Kommunikationstechnik (IuK)

Das QUIRINUS Control-Center bündelt und verarbeitet Daten aus verschiedensten Quellsystemen. Diese sind zum einen die Leitstellen und Datenbanken der Netzbetreiber, die u.a. Live-Messdaten aus dem Netz, Geoinformationen, historische Lastgangdaten und Schalterstellungen bereitstellen. Zum anderen sind dies Prognose-, Produktions- und Anlagendaten, die über externe Dienste bereitgestellt werden.

Die spezielle Herausforderung stellt die Vielzahl der einzubindenden Kommunikationskanäle dar. Sämtliche Live-Messdaten werden per Fernwirktechnik unter Verwendung des IEC 60870-5-104 Protokolls in minütlicher Auflösung bereitgestellt. Für die Anbindung der Leitstellen der Netzbetreiber sowie zusätzlicher Komponenten im Netz an das QUIRINUS Control-Center kommen die Fernwirksysteme FW-5-GATE-4G und FW-50 der SAE IT-systems GmbH & Co. KG zum Einsatz.. Daten, wie Geoinformationen und historische Lastgänge, die eine geringere Änderungsrate haben, werden über SFTP-Server bereitgestellt. Prognosedaten, die mehrmals täglich aktualisiert werden, werden über Online-Schnittstellen wie z.B. REST API ausgetauscht.

IT-Security Monitoring

Im Rahmen des IT-Security Monitorings wurde im QUIRINUS Control-Center in Heppendorf ein Security Operations Center (SOC) aufgebaut. Nach einer Analyse des bestehenden Netzwerkes konnten erste Schwachstellen identifiziert und durch gezielte Härtungsmaßnahmen korrigiert werden. Für den kontinuierlichen Betrieb wurde ein lernfähiges Intrusion Detection System (IDS) installiert, dessen Aufgabe es ist, Angriffe zu erkennen, zu melden und Angriffsmuster zu ermitteln. Dazu werden alle Netzwerkpakete aufgezeichnet, analysiert und gegebenenfalls durch Filter und Angriffssignaturen als potenzielle Angriffe identifiziert. Ergänzend zum IDS wurde ein Security Information and Event Management System (SIEM) eingerichtet. Das System sammelt, speichert und visualisiert Informationen aus Logdateien in Echtzeit, die von den Netzwerkteilnehmern und Applikationen gesendet werden.

Natürlich gilt es, ein solch sicherheitstechnisch hochsensibles Netzwerk in regelmäßigen Abständen von Dritten überprüfen zu lassen. Zu diesem Zweck wurde ein renommierter IT-Dienstleister beauftragt, einen Penetrationstest am Standort Heppendorf durchzuführen. Der Test wurde als „Grey Box“ Penetrationstest, also mit eingeschränkten Zugangsdaten und ohne Detailkenntnis der Systemlandschaft, im Netz des Auftraggebers durchgeführt. Bei einem solchen Penetrationstest werden alle über das Netzwerk sichtbaren Komponenten des Systems auf Sicherheitslücken untersucht.

Das Ergebnis des Tests ergab, dass keine systemkritischen Schwachstellen festgestellt werden konnten, die es einem anonymen Angreifer ermöglichen würden, die Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Integrität des Systems oder seiner Daten zu beeinträchtigen. Für die Schwachstellen, die aufgedeckt werden konnten, wurde ein Maßnahmenkatalog abgeleitet, der vom QUIRINUS-Projektteam entsprechend umgesetzt wurde.