EP2769447A2 - Verfahren zur stabilisierung eines spannungsversorgungsnetzes - Google Patents

Verfahren zur stabilisierung eines spannungsversorgungsnetzes

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EP2769447A2
EP2769447A2 EP13702771.0A EP13702771A EP2769447A2 EP 2769447 A2 EP2769447 A2 EP 2769447A2 EP 13702771 A EP13702771 A EP 13702771A EP 2769447 A2 EP2769447 A2 EP 2769447A2
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EP
European Patent Office
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gateway
control signal
effective threshold
threshold
network
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Withdrawn
Application number
EP13702771.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jens-Uwe Busser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/625—Regulating voltage or current wherein it is irrelevant whether the variable actually regulated is ac or dc
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B15/00—Systems controlled by a computer
    • G05B15/02—Systems controlled by a computer electric
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y04S50/10—Energy trading, including energy flowing from end-user application to grid

Definitions

  • the invention relates to a method and a gateway for stabilizing a power supply network of a distribution system operator.
  • the rotors have a stabilizing effect on the power grid, since they can release and absorb energy by changing their rotational frequency (primary control).
  • the frequency, producers are shut down or possibly other consumers are switched on (secondary and tertiary control).
  • the mains frequency which is also used as a clock for clocks (clock radio, etc.) can be kept very stable between 49.990 and 50.010 Hz.
  • Power from renewable sources is increasingly being fed into the European interconnected grid, for example from mostly small, decentralized photovoltaic systems. These do not have any rotating masses. Instead, the generated direct current of the PV cells by means of a
  • this threshold is the same for many gateways in the local smart grid, they would (if low comfort level is switched on) all turn on their local consumers when they fall below this threshold. Such a strong increase in consumption can then
  • the inventive method for stabilizing a voltage supply network comprises the steps of: receiving a control signal through a gateway of at least one subscriber; Generating local control commands for connecting or disconnecting energy consumption or energy generation devices connected to the gateway by the gateway of the subscriber in dependence on the received control signal; and
  • the gateway has an effective threshold; when the effective threshold value is exceeded or fallen below by a value transmitted with the control signal, the local control commands for switching on or off are generated; the effective threshold is formed from a preset threshold and a correction parameter.
  • the control signal is transmitted, for example, from a central control unit of a distribution system operator.
  • the control signal can also be measured locally and transmitted to the gateway or be determined with a measurement by the gateway itself (voltage, frequency). Furthermore, the control signal can arise locally and / or distributed decentrally.
  • the gateway responds appropriately to control signals from multiply occurring or decentralized units (substation controllers, local electricity market platforms) or to locally measured parameters (grid frequency, local voltage).
  • the adjusted parameters are not directly used as thresholds but effective thresholds derived therefrom.
  • the threshold values for different devices in the smart grid assume different values, and a lower The desired simultaneous response of all control devices (gateways) in the Smart Grid is prevented.
  • the correction parameter is a random number and the effective threshold value is formed by a multiplication of the preset threshold value with the random number. If the random number is generated randomly, for example, based on internal random number start numbers ("seeds") for the various gateways, as they are also required for cryptographic operations, and a probability distribution (uniform distribution) that is constant over the desired range, Thus, for stochastic reasons, even without central coordination, an approximate equal distribution of the effective threshold values is obtained.
  • the random number and the effective threshold will be redetermined at predeterminable time intervals.
  • this effectively prevents a gateway operator from being permanently disadvantaged by an unfavorable value.
  • the correction parameter is a time-varying function and the effective threshold is formed time-dependently by a link, such as a multiplication, of the preset threshold with the time-varying function.
  • a distribution of the effective threshold values which is as even as possible, is achieved both between the different gateways and also for the individual gateway over time.
  • the period is large in comparison with a change frequency of the control signal. This is advantageous since the number of affected gateways is as proportional as possible to this change when the control signal is changed.
  • the control signal has information about a mains voltage or a mains frequency and / or information about an electricity price or a generation-consumption quotient.
  • the gateway according to the invention for network stabilization of a power supply network of a distribution network operator generates in response to a received control signal local control commands for switching on or off of energy and power generation equipment and transmits them via a local network to the energy and power generation equipment.
  • the gateway has an effective threshold. If the effective threshold value is exceeded or undershot by a value transmitted with the control signal, the local control commands for switching on or off are generated.
  • the effective threshold is formed from a preset threshold and a correction parameter.
  • FIG. 1 shows a flow diagram of a possible embodiment of the method according to the invention for stabilizing a voltage supply network.
  • FIG. 2 a representation of various correction functions for determining an effective threshold value according to the invention
  • FIG. 1 shows a flow chart of a possible embodiment of the method according to the invention for stabilizing a voltage supply network of a distribution network operator.
  • a control signal is transmitted from a central control unit of the distribution system operator to at least one gateway of a subscriber.
  • the gateway compares a value transmitted with the control signal with a local effective threshold. If the effective threshold is exceeded 103 by the transmitted value, the affected gateway generates one or more local control commands for turning on or off the power and power generation devices 105 connected to the gateway.
  • the gateway generates one or more local control commands for switching on or switching off the energy consumption and energy generation devices connected to the gateway when the effective threshold value is undershot by the transmitted value.
  • the gateway receives a next control signal 104 and no control commands are generated.
  • a local power-line-based network or a local IP (Internet Protocol) -based network- is transmitted to the energy and power generation devices connected to the gateway.
  • IP Internet Protocol
  • the gateway when setting a (new) threshold value S_set and, of course, during initial startup when accepting a factory-set initial value, the gateway should multiply this value by a random number Z in the interval [1-P%, 1 + P%]. P is dependent on the granularity of the transmitted control signal (e.g.
  • S_eff Z * S_set and can not be read or influenced directly from the outside to avoid manipulation.
  • the random multiplication factor at certain time intervals e.g.
  • the correction factor can also be calculated in the control center and then distributed.
  • the relative frequency of the values is constant in the example about 50 (arbitrary units - these depend on the "binning", ie the division of the data channels).
  • Stepped functions 204, 206 are also well-suited if the step height is low enough to allow enough different values.
  • the step height for demonstration purposes was a little too high.
  • the range available for possible values is not uniformly used. This results in gaps in the frequency distribution, which - due to the constancy of the total area - leads to higher frequencies of about 100 (arbitrary units).
  • Sinusoidal functions 207 are less well suited because of their non-constant frequency distribution, since particularly large and especially small values occur more frequently here. Here are especially at the edge particularly high frequencies of almost
  • the time of the (first) commissioning alone is not suitable as a start time, because this usually in the time 9:00 to 17:00 falls - here should at least one random, evenly distributed time from 0 to 24h (better: 0 to 7 * 24h) are added.
  • the periods are to be chosen long enough (hours, days), ie. H. significantly larger than the typical changes in the control signal in the smart grid. This is necessary so that when a change in the control signal, the number of affected gateways is proportional to this change as possible.
  • the correction functions Z (t) 304a-307a vary only slowly compared to the control signal 303a. Depending on the magnitude of the change of the control signal 303a comparatively few gateways are activated. In the example shown, the two gateways 304a and 305a. In the second example 302, the correction functions Z (t) 304b-307b vary rapidly compared to the control signal 303b. In this case, the threshold values of all gateways 304b-307b coincide with the control signal 303b in a short time (maximum one period), and all gateways are activated-at least for a short time. This would lead to frequent switching on and off of the associated consumers or producers or - if a rapid re-switching is not feasible - too an activation of a large number of consumers or producers. Both are not desired.
  • Periods (and their multiples) should not coincide with typical rhythms (exactly 1 day or exactly 1/8 week) in the energy grid, but should be slightly different to avoid that e.g. a certain gateway has a particularly high threshold value at lunchtime (or every Sunday lunchtime) over a longer period of time, thereby purchasing particularly expensive electricity.
  • different, but interdependent threshold values are modified within a gateway in a suitable manner. If e.g. If the effective threshold value for "switching on” is reduced by 3% as a result of the measures described above, then the corresponding threshold for "switching off” must be corrected accordingly in the same way.
  • the control signal for balancing between generation and consumption when reaching a threshold value, advantageously not many gateways switch simultaneously, but one after the other when a different threshold value is reached
  • each gateway receives "favorable” and sometimes “unfavorable” thresholds. Therefore, in terms of time, no gateway is permanently disadvantaged by the awarding of "unfavorable” thresholds.
  • the present invention increases network stability in the smart grid, in particular when using many similar devices. Furthermore, the solution according to the invention is compatible with a regulatory measure (similar to the transitional regulation for the PV systems at 50.2 Hz), if or as soon as such is decided. literature
  • BDEW Technical Guideline "Generation Plants on the Medium Voltage Grid - Guideline for
  • VDE Framework conditions for a transitional control for the frequency-dependent active power control of PV systems in the LV network
  • EON Transition control for PV systems - Active power supply for overfrequency

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Abstract

In konventionellen Spannungsversorgungsnetzen wird das Gleichgewicht zwischen eingespeister Leistung der Erzeuger und entnommener Leistung der Verbraucher über die Frequenz der Wechselspannung geregelt. In zukünftigen intelligenten Spannungsversorgungsnetzen (Smart Grids) mit vielen, kleinen dezentralen Anlagen wird eine solche Regelung über die Netzfrequenz immer schwieriger. Stattdessen wird ein zentrales elektronisches Steuersignal in einem separaten Kommunikationsnetz an Geräte zur Steuerung der dezentralen Erzeuger und auch Verbraucher übermittelt. Hierbei besteht jedoch die Gefahr einer Netzinstabilität, wenn viele dezentrale Anlagen bei Erreichen eines voreingestellten Schwellenwertes gleichzeitig schalten. Die Erfindung sieht daher vor, dass voreingestellte Schwellenwerte nicht direkt als Schwellenwerte verwendet werden, sondern geeignete effektive Schwellenwerte davon abgeleitet werden. Dadurch nehmen die Schwellenwerte bei unterschiedlichen Geräten im Smart Grid verschiedene Werte an, und ein unerwünschtes simultanes Reagieren aller Steuergeräte im Smart Grid wird verhindert.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Stabilisierung eines Spannungsversorgungsnetzes Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gateway zur Stabilisierung eines Spannungsversorgungsnetzes eines Verteilnetzbetreibers .
In konventionellen Netzen zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie mittels WechselSpannung (im Folgenden kurz "Stromnetze" genannt) wird das Gleichgewicht zwischen eingespeister Leistung der Erzeuger und entnommener Leistung der Verbraucher über die Frequenz der Wechselspannung geregelt .
Diese beträgt -im Mittel- in Europa 50 Hz bzw. in USA 60 Hz. Wird aus dem Stromnetz mehr Leistung entnommen als die Erzeuger einspeisen, so werden die Rotoren in den elektrischen Generatoren stärker gebremst. Durch diese Verlangsamung sinkt die Frequenz der erzeugten WechselSpannung im Stromnetz. Wird dagegen weniger Leistung entnommen als generiert, so beschleunigen die Rotoren und die Netzfrequenz erhöht sich. Die Trägheit der rotierenden Massen
der Rotoren wirkt dabei stabilisierend für das Stromnetz, da sie durch Änderung ihrer Rotationsfrequenz Energie abgeben und aufnehmen können (Primärregelung).
Durch Kontrolle der Wechselspannung im Stromnetz ist es somit einfach möglich, Erzeugung und Verbrauch zu balancieren:
Sinkt die Frequenz, so werden neue Erzeuger aktiviert. Bei einem sehr starken Absinken können auch Verbraucher zwangsweise abgeschaltet werden (Lastabwurf) . Steigt
die Frequenz, so werden Erzeuger heruntergefahren oder eventuell weitere Verbraucher zugeschaltet (Sekundär- und Terti- ärregelung) . Im langfristigen Mittel kann die Netzfrequenz, die auch als Takt für Uhren (Radiowecker etc.) verwendet wird, sehr stabil zwischen 49.990 und 50.010 Hz gehalten werden . In das europäische Verbundnetz wird zunehmend auch Leistung aus regenerativen Quellen eingespeist, beispielsweise aus zumeist kleinen, dezentralen Photovoltaik-Anlagen . Diese verfü- gen über keine rotierenden Massen. Stattdessen wird der erzeugte Gleichstrom der PV-Zellen mittels eines
leistungselektronischen Wechselrichters in Wechselstrom transformiert. Dieser wird synchron in das
lokale Niederspannungsnetz eingespeist. Um starke Abweichun- gen von der gewünschten Netzfrequenz zu vermeiden, müssen auch diese Anlagen - die in einigen bestimmten Netzsegmenten für einen erheblichen Teil der lokal erzeugten Leistung verantwortlich sind und deren Einspeisung
aufgrund lokal sehr ähnlicher Sonneneinstrahlung üblicherwei- se stark korreliert ist - frequenzabhängig regelbar sein.
Gemäß [1] müssen sich Erzeugungsanlagen bei Netzfrequenzen größer als 50.2 Hz innerhalb von 200 ms vom Niederspannungs- netz trennen. Durch diese Vorgabe besteht allerdings durch den starken Ausbau der Photovoltaik in Europa mittlerweile die Gefahr, dass sich an sonnigen Tagen beim Erreichen von 50.2 Hz mehrere GW Einspeiseleistung schlagartig vom Stromnetz trennen, was die
Stabilität des europäischen Verbundnetzes erheblich gefährden kann [2,3] .
Daher wurde bereits kurzfristig eine Übergangsregelung erlassen, welche eine stufenweise Reduktion
der Einspeisung vorsieht [3,4] :
1. Anstelle einer festen, für alle Anlagen gleichen Überfre- quenzabschaltung bei 50.2 Hz sollen
Hersteller und Errichter von PV -Anlagen verschiedene Frequenzen zwischen 50.3 und 51.5 Hz als Abschaltfrequenzen ih- rer Anlagen verwenden. Diese sollen gleich verteilt sein.
2. Anlagen reduzieren ihre Einspeiseleistung frequenzabhängig gemäß einer definierten Kennlinie [5] . Treten Überfrequenzen häufiger auf, so sind Betreiber einer Anlage mit niedriger Abschaltfrequenz gemäß 1 eventuell wirtschaftlich benachteiligt, da ihre Anlagen früher und öfter abschalten und sie dadurch weniger Solarstrom verkaufen können. Sie könnten daher versucht sein, die Abschaltfrequenz durch Manipulation der Einstellung ihrer Anlage zu erhöhen. Treten solche Manipulationen gehäuft auf, so reduziert sich die Wirksamkeit der Stabilisierungsregelung.
Eine weitere Regelung ist über die lokal am Einspeisepunkt gemessene Netzspannung möglich: Sobald diese einen gewissen Wert übersteigt (Überspannung) , muss die Einspeisung abgeschaltet oder zumindest reduziert werden.
Werden Erzeuger mit rotierenden Massen in zukünftigen intelligenten Stromnetzen (Smart Grids) immer mehr durch kleine, dezentrale Anlagen ohne rotierende Massen verdrängt, so wird eine Regelung über die Netzfrequenz immer schwieriger. Statt- dessen könnte beispielsweise ein
elektronisches Steuersignal (Preissignal, Erzeugungs- Verbrauchs-Quotient , oder ähnliches) in einem
separaten Kommunikationsnetz an Geräte (personal energy agent PEA, Energie-Gateway, Steuergerät, etc.) zur Steuerung der dezentralen Erzeuger und auch Verbraucher verwendet werden. Auch hier ist darauf zu achten, dass es zu keinen abrupten Änderungen in Einspeisung und Verbrauch kommt, um die Netzstabilität nicht zu gefährden. Dies wird beispielsweise dann passieren, wenn das Steuersignal einen Wert erreicht, der für viele
(oder alle) Gateways im Smart Grid ein Schwellenwert ist, bei dem sie ihr Verhalten ändern. Das kann beispielsweise ein Schwellenwert für eine Komfortstufe sein, mit dem eingestellt wird, unter welchen Bedingungen steuerbare Verbraucher (Gefrierschrank, Klimaanlage, ... ) mit elektrischer Energie versorgt werden: • Komfortstufe "Niedrig" = Stromkauf für steuerbare Verbraucher nur falls Preis unter 15c/kWh
• Komfortstufe "Hoch" = Stromkauf auch für steuerbare
Verbraucher immer, unabhängig vom aktuellen Preis
Ist dieser Schwellenwert für viele Gateways im lokalen Smart Grid gleich, so würden sie (wenn Komfortstufe "Niedrig" eingeschaltet ist) beim Unterschreiten dieses Schwellenwertes alle gleichzeitig ihre lokalen Verbraucher einschalten. Eine solche starke Verbrauchssteigerung kann dann
leicht zu einer Gefährdung der Netzstabilität führen, ähnlich wie beim Erreichen einer Netzfrequenz von 50,2 Hz und dem damit verbundenen Abschalten der PV-Anlagen. Ursachen für identische Schwellenwerte von Gateways können beispielsweise sein:
• Gesetzliche Vorgaben (wie bei PV -Anlagen)
• Gleicher Hersteller oder sogar gleiche Geräte-Serie: Die Geräte werden mit identischen Schwellenwerten vorkonfiguriert · Setzen der Schwellenwerte durch zentrale Kontrollstelle
• Setzen der Schwellenwerte durch Installateur / Anwender, wenn zu erwarten ist, dass häufig die gleichen Werte eingestellt werden, z.B.:
o Durch häufige Verwendung gerundeter Werte (wie 50 statt 49 oder 51) , oder
o Werte, die sich leicht einstellen lassen (z.B. durch Tastenwiederholung) , oder
o wenn die Anzahl der möglichen Stellen sehr begrenzt ist (10 statt 10, 7) .
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Netzstabilisierung in einem Smart Grid Spannungsversorgungsnetz ermöglicht .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und ein Gateway mit dem in Patentanspruch 1 und 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilisierung eines Span- nungsversorgungsnetzes weist die Schritte auf: Empfangen eines Steuersignals durch ein Gateway mindestens eines Teilnehmers; Generieren von lokalen Steuerbefehlen zum An- oder Abschalten von an dem Gateway angeschlossenen Energieverbrauchs- oder Energieerzeugungsgeräten durch das Gateway des Teilnehmers in Abhängigkeit des empfangenen Steuersignals; und
Übertragen des generierten lokalen Steuerbefehls über ein lokales Netzwerk an mindestens ein an dem Gateway angeschlossenes Energieverbrauchs- oder Energieerzeugungsgerät. Das Gate- way weist einen effektiven Schwellenwert auf; bei Über- oder Unterschreiten des effektiven Schwellenwertes durch einen mit dem Steuersignal übertragenen Wert werden die lokalen Steuerbefehle zum An- oder Abschalten generiert; der effektive Schwellenwert wird aus einem voreingestellten Schwellenwert und einem Korrekturparameter gebildet.
Das Steuersignal wird beispielsweise von einer zentralen Steuereinheit eines Verteilnetzbetreibers übertragen. Das Steuersignal kann auch lokal gemessen werden und an das Gate- way übertragen werden oder mit einer Messung durch das Gateway selbst ermittelt werden (Spannung, Frequenz). Weiterhin kann das Steuersignal dezentral entstehen und/oder dezentral verteilt werden. Dabei reagiert das Gateway in geeigneter Weise auf Steuersignale von mehrfach vorkommenden oder dezen- tralen Einheiten ( Substation-Controler , lokale Strommarkt- Plattformen) oder auf lokal gemessene Parameter (Netzfrequenz, lokale Spannung) .
In vorteilhafter Weise werden die eingestellten Parameter (voreingestellte Schwellenwerte) nicht direkt als Schwellenwerte verwendet, sondern effektive Schwellenwerte davon abgeleitet. Dadurch nehmen die Schwellewerte bei unterschiedlichen Geräten im Smart Grid verschiedene Werte an, und ein un- erwünschtes simultanes Reagieren aller Steuergeräte (Gateways) im Smart Grid wird verhindert.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Korrekturparameter eine Zufallszahl und der effektive Schwellenwert wird durch eine Multiplikation des voreingestellten Schwellenwertes mit der Zufallszahl gebildet. Wird die Zufallszahl zufällig erzeugt, beispielsweise basierend auf internen, für die verschiedenen Gateways unterschiedlichen Zu- fallszahlen-Startzahlen ("Seeds"), wie sie auch für kryp- tographische Operationen benötigt werden, und einer über den gewünschten Bereich konstanten Wahrscheinlichkeitsverteilung (Gleichverteilung) , so erhält man aus stochastischen Gründen auch ohne zentrale Koordination eine ungefähre Gleichvertei- lung der effektiven Schwellenwerte.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Zufallszahl und der effektive Schwellenwert in vorgebbaren Zeitabständen neu ermittelt werden. In vorteil- hafter Weise wird damit wirksam vermieden, dass ein Gateway- Betreiber durch einen ungünstigen Wert dauerhaft benachteiligt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Korrekturparameter eine zeitlich veränderliche Funktion und der effektive Schwellenwert wird zeitabhängig durch eine Verknüpfung, wie beispielsweise einer Multiplikation, des voreingestellten Schwellenwertes mit der zeitlich veränderlichen Funktion gebildet. Vorteilhafterweise wird somit eine möglichst gleichmäßige Verteilung der effektiven Schwellenwerte sowohl zwischen den verschiedenen Gateways als auch für das einzelne Gateway im zeitlichen Verlauf erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Periodendauer im Vergleich zu einer Änderungsfrequenz des Steuersignals groß. Dies ist vorteilhaft, da dann bei einer Änderung des Steuersignals die Anzahl der betroffenen Gateways möglichst proportional zu dieser Änderung ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Steuersignal eine Information über eine Netzspannung oder eine Netzfrequenz und/oder eine Information über einen Strompreis oder einen Erzeugungs-Verbrauchs-Quotienten auf .
Das erfindungsgemäße Gateway zur Netzstabilisierung eines Spannungsversorgungsnetzwerkes eines Verteilnetzbetreibers generiert in Abhängigkeit von einem empfangenen Steuersignal lokale Steuerbefehle zum An- oder Abschalten von Energieverbrauchs- und Energieerzeugungsgeräten und überträgt diese über ein lokales Netzwerk an die Energieverbrauchs- und Energieerzeugungsgeräte. Das Gateway weist einen effektiven Schwellenwert auf. Bei Über- oder Unterschreiten des effektiven Schwellenwertes durch einen mit dem Steuersignal übertragenen Wert werden die lokalen Steuerbefehle zum An- oder Abschalten generiert. Der effektive Schwellenwert wird aus einem voreingestellten Schwellenwert und einem Korrekturparame- ter gebildet.
Im Weiteren werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gateways und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Netzwerkstabilisierung eines Spannungsversorgungsnetzwerkes unter Be- zugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 ein Ablaufdiagramm einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stabilisierung eines Spannungs- Versorgungsnetzes,
Figur 2 eine Darstellung verschiedener Korrekturfunktionen zur erfindungsgemäßen Ermittlung eines effektiven Schwellenwertes ,
Figur 3 eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von
Steuersignal und Korrekturfunktionen im Vergleich. Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stabilisierung eines Spannungs-Versorgungsnetzwerkes eines Verteilnetzbetrei- bers .
In einem ersten Schritt 101 wird ein Steuersignal von einer zentralen Steuereinheit des Verteilnetzbetreibers zu mindestens einem Gateway eines Teilnehmers übertragen.
In einem zweiten Schritt 102 vergleicht das Gateway einen mit dem Steuersignal übertragenen Wert mit einem lokalen effektiven Schwellenwert. Wird der effektive Schwellenwert durch den übertragenen Wert überschritten 103, generiert das betroffene bzw. adressierte Gateway einen oder mehrere lokale Steuerbefehle zum An- oder Abschalten der an dem Gateway angeschlossenen Energieverbrauchs- und Energieerzeugungsgeräte 105.
Alternativ generiert das Gateway bei Unterschreiten des effektiven Schwellenwertes durch den übertragenen Wert einen oder mehrere lokale Steuerbefehle zum An- oder Abschalten der an dem Gateway angeschlossenen Energieverbrauchs- und Ener- gieerzeugungsgeräte .
Wird der Schwellenwert durch den übertragenen Wert jedoch unterschritten (bzw. in der alternativen Ausführungsform überschritten) empfängt das Gateway ein nächstes Steuersignal 104 und es werden keine Steuerbefehle generiert.
In einem weiteren Schritt 106 wird der generierte lokale Steuerbefehl -beispielsweise über ein lokales stromleitungs- basiertes Netzwerk oder ein lokales IP (Internet Protokoll) basiertes Netzwerk- an die an dem Gateway angeschlossenen Energieverbrauchs- und Energieerzeugungsgeräte übertragen. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele zur Ermittlung der effektiven Schwellenwerte beschrieben. Diese Gateway-internen effektiven Schwellenwerte sollen sich von den eingestellten Schwellenwerten unterscheiden. Durch geeignete Wahl von zu- fälligen Parametern für die Ermittlung der effektiven Schwellenwerte kann dann selbst bei identischer Konfiguration von Gateways (PEAs und ähnlichen Steuergeräten) verhindert werden, dass es zu den oben beschriebenen Problemen durch gleichzeitiges An- oder Abschalten von beispielsweise ganzen Geräteklassen kommt.
Die im Folgenden beschriebenen Maßnahmen ermöglichen dies ohne zentrale Koordination: 1. Variante: Konstanter Korrekturfaktor
Es muss sichergestellt sein, dass nicht alle Gateways die gleichen effektiven Schwellenwerte besitzen, da
sie sonst alle gleichzeitig reagieren würden. Daher soll der Gateway bei Einstellung eines (neuen) Schwellenwertes S_set - und natürlich auch während der ersten Inbetriebnahme bei Übernahme eines werkseitig voreingestellten Anfangswertes - diesen Wert mit einer Zufallszahl Z im Intervall [1 - P%, 1 + P%] multiplizieren. P ist dabei abhängig von der Granula- rität des übertragenen Steuersignals (z.B.
Preissignal). Der effektive Schwellenwert S_eff beträgt dann
S_eff = Z * S_set und ist nicht direkt von außen ablesbar oder beeinflussbar, um Manipulationen zu vermeiden.
Wird Z zufällig erzeugt basierend auf internen, für die verschiedenen Gateways unterschiedlichen Zufallszahlen- Startzahlen ("Seeds"), wie sie auch für kryptographische Operationen benötigt werden, und einer über den gewünschten Bereich konstanten Wahrscheinlichkeitsverteilung (Gleichverteilung) , so erhält man aus stochastischen Gründen auch ohne zentrale Koordination eine ungefähre Gleichverteilung der effektiven Schwellenwerte. 2. Variante: Regelmäßig neu festgelegter Korrekturfaktor
Vorzugsweise wird der zufällige Multiplikationsfaktor in bestimmten zeitlichen Abständen (z.B. nach
einigen Tagen) automatisch oder nach Aufforderung einer Steu- erzentrale immer wieder neu zufällig errechnet, damit kein Gateway-Betreiber durch einen einmal festgelegten, ungünstigen Wert dauerhaft benachteiligt wird.
Alternativ kann der Korrekturfaktor auch in der Zentrale er- rechnet und dann verteilt werden.
3. Variante: Zeitlich variierende Korrekturfunktion
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer zeitabhängigen Korrekturfunktion Z(t), die den Korrekturfaktor praktisch kontinuierlich ändert:
S_eff(t) = Z (t-t_0) *S_set Dies ist in Figur 2 an einigen Funktionen gezeigt. Zum besseren Vergleich sind alle gezeigten Funktionen über zwei Periodendauern gezeichnet; die Amplitude (2P) beträgt jeweils 0.05. Die dadurch erzielte Häufigkeitsverteilung ihrer Werte ist im rechten Teil von Figur 2 dargestellt; die Flächen der Häufigkeitsverteilung sind dabei für alle Funktionen gleich.
Wichtig ist, dass die Häufigkeitsverteilungen der angenommenen Werte 202 möglichst niedrig über den gesamten möglichen Wertebereich sind. Aufgrund der konstanten Gesamtfläche ist daher eine breite, konstante Verteilung ideal.
Gut geeignet sind daher besonders periodische Funktionen wie Sägezahnkurven 203 oder Zickzackkurven 205. Diese sollten vorzugsweise relativ glatt (stetig) sein. Dadurch wird eine über den gesamten Bereich möglichst
gleichmäßige und niedrige Verteilung erreicht. Die relative Häufigkeit der Werte ist im Beispiel konstant ca. 50 (belie- bige Einheiten - diese hängen vom "binning" , d.h. der Einteilung der Datenkanäle, ab) .
Die Zickzackkurve 205 hat gegenüber der Sägezahnkurve 203 zudem den Vorteil, dass sie den unstetigen Sprung bei t = (n + 0.5) * T vermeidet.
Gestufte Funktionen 204, 206 sind auch gut geeignet, sofern die Stufenhöhe niedrig genug ist, um ausreichend viele unterschiedliche Werte zu ermöglichen. Hier wurde die Stufenhöhe zu Demonstrationszwecken etwas zu hoch gewählt. Dies führt dazu, dass der für mögliche Werte zur Verfügung stehende Bereich nicht gleichmäßig verwendet wird. Dadurch entstehen Lücken in der Häufigkeitsverteilung, was - wegen der Konstanz der Gesamtfläche - zu höheren Häufigkeits- werten von ca. 100 (beliebige Einheiten) führt.
Sinusförmige Funktionen 207 sind wegen ihrer nicht konstanten Häufigkeitsverteilung weniger gut geeignet, da hier besonders große und besonders kleine Werte häufiger vorkommen. Hier werden gerade am Rand besonders hohe Häufigkeiten von fast
150 (beliebige Einheiten) erreicht. Allerdings ist natürlich selbst eine sinusförmige Verteilung immer noch besser als die Konzentration auf einen einzigen festen Wert. Für die Periodendauer der verwendeten Funktionen ist zu beachten :
• Sind Periodendauern bei verschiedenen Gateways deutlich unterschiedlich, so kommt es bei ausreichend vielen Gateways nur äußerst selten vor, dass viele Gateways gleichzeitig das Maximum (oder Minimum) ihrer Korrekturfunktion erreichen. • Sind die Gateways zeitlich synchronisiert und haben sie zudem gleiche Periodendauern ihrer Funktion, so ist eine zufällige, möglichst gleichmäßige Verteilung der Startzeitpunkte (t_ 0 )
wichtig. Der Zeitpunkt der (ersten) Inbetriebnahme alleine eignet sich dabei nicht als Startzeitpunkt, weil diese üblicherweise in die Zeit 9:00 bis 17:00 fällt - hier sollte zumindest noch eine zufällige, gleichverteilte Zeitdauer von 0 bis 24h (besser: 0 bis 7*24h) hinzuaddiert werden.
• Die Periodendauern sind dabei ausreichend lang (Stunden, Tage) zu wählen, d. h. deutlich viel größer als die typischen Änderungen des Steuersignals im Smart Grid. Dies ist notwendig, damit bei einer Änderung des Steuersignals die Anzahl der betroffenen Gateways möglichst proportional zu dieser Änderung ist.
Dies ist in Figur 3 veranschaulicht. Gezeigt wird in zwei Beispielen 301 und 302 die zeitliche Variation eines Steuer- Signals 303a, 303b im Vergleich zur zeitlichen Variation der Korrekturfunktion Z(t) 304a-307a und 304b-307b unterschiedlicher Gateways .
Im ersten Beispiel 301 variieren die Korrekturfunktionen Z(t) 304a-307a nur langsam im Vergleich zum Steuersignal 303a. Je nach Stärke der Änderung des Steuersignals 303a werden vergleichsweise wenig Gateways aktiviert. Im dargestellten Beispiel die zwei Gateways 304a und 305a. Im zweiten Beispiel 302 variieren die Korrekturfunktionen Z(t) 304b-307b schnell im Vergleich zum Steuersignal 303b. Hier treffen in kurzer Zeit (max. eine Periodendauer) die Schwellenwerte aller Gateways 304b-307b mit dem Steuersignal 303b zusammen, und alle Gateways werden - zumindest kurz - aktiviert. Diese würde zu einem häufigen An- und Abschalten der zugehörigen Verbraucher bzw. Erzeuger führen oder - falls ein schnelles Wiederausschalten nicht durchführbar ist - zu einer Aktivierung einer großen Anzahl von Verbrauchern bzw. Erzeugern. Beides ist nicht gewünscht.
• Die Periodendauern (und ihre Vielfachen) sollten nicht mit typischen Rhythmen (genau 1 Tage oder genau 1/8 Woche) im Energienetz übereinstimmen, sondern davon etwas abweichen, um zu vermeiden, dass z.B. ein bestimmtes Gateway über längere Zeit immer zur Mittagszeit (oder jeden Sonntag Mittag) einen besonders hohen Schwellenwert hat und dadurch besonders teuren Strom einkauft.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass unterschiedliche, aber voneinander abhängige Schwellenwerte innerhalb eines Gateways in geeigneter Weise modifiziert werden. Wird z.B. der effektive Schwellenwert für "Einschalten" durch die oben beschriebenen Maßnahmen um 3% reduziert, so ist auch der zugehörige Schwellenwert für "Ausschalten" entsprechend in gleicher Weise zu korrigieren. In vorteilhafter Weise schalten bei kontinuierlichen Änderungen des Steuersignals zur Balancierung zwischen Erzeugung und Verbrauch beim Erreichen eines Schwellenwertes nicht viele Gateways gleichzeitig, sondern nacheinander beim Erreichen unterschiedlicher Schwellenwerte über eine gewisse
Bandbreite des Steuersignals.
Wird der Korrekturfaktor zudem variiert, so erhält jedes Gateway mal "günstige" und mal "ungünstige" Schwellenwerte. Es wird daher - im zeitlichen Mittel - kein Gateway dauerhaft durch die Vergabe "ungünstiger" Schwellenwerte benachteiligt.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Netzstabilität im Smart Grid erhöht, insbesondere beim Einsatz vieler gleichartiger Geräte. Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Lösung kompatibel zu einer regulatorischen Maßnahme (ähnlich der Übergangsregelung für die PV-Anlagen bei 50,2 Hz), sofern bzw. sobald eine solche beschlossen wird. Literatur
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[3] Forum Netztechnik / Netzbetrieb im VDE : Rahmenbedingungen für eine Übergangsregelung zur frequenzabhängigen Wirkleistungssteuerung von PV -Anlagen am NS-Netz [4] EON: Übergangsregelung für PV-Anlagen - Wirkleistungseinspeisung bei Überfrequenz
[5] BDEW-Richtlinie "Erzeugungseinheiten am Mittelspannungsnetz", Kap. 2.5.3 und Bild 2.5.3-1

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Stabilisierung eines Spannungsversorgungsnetzes mit den Schritten:
- Empfangen eines Steuersignals durch ein Gateway mindestens eines Teilnehmers;
Generieren von lokalen Steuerbefehlen zum An- oder Abschalten von an dem Gateway angeschlossenen Energieverbrauchs- oder Energieerzeugungsgeräten durch das Gateway des Teilnehmers in Abhängigkeit des empfangenen Steuersignals; und
Übertragen des generierten lokalen Steuerbefehls über ein lokales Netzwerk an mindestens ein an dem Gateway angeschlossenes Energieverbrauchs- oder Energieerzeugungsgerät, dadurch gekennzeichnet, dass
das Gateway einen effektiven Schwellenwert aufweist,
bei Über- oder Unterschreiten des effektiven Schwellenwertes durch einen mit dem Steuersignal übertragenen Wert die lokalen Steuerbefehle zum An- oder Abschalten generiert werden, der effektive Schwellenwert aus einem voreingestellten
Schwellenwert und einem Korrekturparameter gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
der Korrekturparameter eine Zufallszahl ist,
der effektive Schwellenwert durch eine Verknüpfung des voreingestellten Schwellenwertes mit der Zufallszahl gebildet wird .
3. Verfahren nach Anspruch 2 , wobei
die Zufallszahl und der effektive Schwellenwert in vorgebbaren Zeitabständen neu ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
der Korrekturparameter eine zeitlich veränderliche Funktion ist,
der effektive Schwellenwert zeitabhängig durch eine Multiplikation des voreingestellten Schwellenwertes mit der zeitlich veränderlichen Funktion gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , wobei
die zeitlich veränderliche Funktion periodisch mit einer Periodendauer ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , wobei
die Periodendauer im Vergleich zu einer Änderungsfrequenz des Steuersignals groß ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
das Steuersignal eine Information über eine Netzspannung oder eine Netzfrequenz aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
das Steuersignal eine Information über einen Strompreis oder einen Erzeugungs-Verbrauchs-Quotienten aufweist.
9. Gateway zur Netzstabilisierung eines Spannungsversorgungsnetzwerkes ,
wobei das Gateway in Abhängigkeit von einem empfangenen Steuersignal lokale Steuerbefehle zum An- oder Abschalten von Energieverbrauchs- und Energieerzeugungsgeräten generiert und über ein lokales Netzwerk an die Energieverbrauchs- und Energieerzeugungsgeräte überträgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gateway einen effektiven Schwellenwert aufweist,
bei Über- oder Unterschreiten des effektiven Schwellenwertes durch einen mit dem Steuersignal übertragenen Wert die lokalen Steuerbefehle zum An- oder Abschalten generiert werden, der effektive Schwellenwert aus einem voreingestellten
Schwellenwert und einem Korrekturparameter gebildet wird.
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