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Smart Grids: iNES Intelligentes Verteilnetz-Management System

Smart Grid Systemplattform

iNES – intelligentes Verteilnetz-Management System ist die erste ganzheitliche Systemlösung und Smart Grid Systemplattform für die dezentrale Netzführung und Netzautomatisierung.

Video: Was bietet iNES?

Video: iNES kurz erklärt

Auf einen Blick

iNES Grafik (Klicken Sie auf das Bild für eine größere Ansicht)
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iNES intelligentes Verteilnetz Management ist die erste echte Smart Grid Plattform, mit der individuelle Visionen eines intelligenten Netzes realisiert werden können. iNES ermöglicht, ein bestehendes Ortsnetz mit einem modularen, autarken Mess- und Regelsystem zu erweitern, mit dem die kompletten Einspeise- und Lastflusssituationen in Echtzeit kontrolliert und bei Bedarf kritische Abweichungen gezielt behoben werden können. 2013 wurde iNES mit dem Smart Grid Award (Hessischer Staatspreis für Intelligente Energie, Bereich Netze) und von der DKE/VDE ausgezeichnet.

Gut zu wissen!

iNES ist keine Insellösung, sondern bindet als systemoffene Plattform Komponenten von Drittherstellern in das System ein und ist damit auf dem Weg, einen Standard für das Smart-Grid zu etablieren.


iNES System-Integration/ Systemplattform - erfahren Sie mehr!

iNES ermöglicht die Aufrüstung eines konventionellen Niederspannungsnetzes zu einem echten Smart Grid.

Der modulare Aufbau des iNES Systems ermöglicht in bestehenden Ortsnetzen die Realisierung eines individuellen dezentralen Smart Grids in unterschiedlichen Ausbaustufen: Von der intelligenten Ortnetzstation mit Stationsmonitoring über das Netzmonitoring bis zur dezentralen Netzautomatisierung, mit der die kompletten Einspeise- und Lastflusssituationen in Echtzeit kontrolliert und bei Bedarf kritische Abweichungen gezielt behoben werden können.

Teil des universellen Regelungskonzeptes ist die Einbindung sämtlicher am Markt verfügbarer Regelungskomponenten für Spannungs-, Blindleistungs- und Wirkleistungsregelung. Damit integriert und steuert iNES unterschiedlichste Komponenten wie z.B. regelbare Ortsnetztrafos (rONT), Längsregler, Wechselrichter, EEG-Erzeuger (PV, Wind, Biomasse, Biogas), Speicher und besonders leistungsstarke Verbraucher (z.B. Kühlanlagen, Wärmepumpen).

iNES bildet zudem die Grundlage zur Bereitstellung von Systemdienstleistungen: Durch Kenntnis aktueller Leistungsflüsse sind detaillierte Aussagen zu den verfügbaren Netzkapazitäten möglich. Darüber hinaus generiert iNES zusätzliche Mehrwerte für Betriebsführung und Asset-Management.

iNES System-Integration (Klicken Sie auf das Bild für eine größere Ansicht)
iNES System-Integration (Klicken Sie auf das Bild für eine größere Ansicht)

Die Vorteile mit iNES

Unsere Systemlösung iNES arbeitet autark. Die vorhandene Infrastruktur kann weiterhin genutzt werden und wird nur um technische Komponenten ergänzt. Überspeisungen und große Lastschwankungen sind somit nicht mehr auf der Tagesordnung der Netzführung und –planung.

Eine solches intelligentes Mess- und Regelsystem kann Erzeugungsspitzen abfangen und damit den Zeitpunkt von Netzausbauinvestitionen vermeiden bzw. weit in die Zukunft verlagern. Daneben bietet iNES Mehrwerte u.a. im Hinblick auf die Erbringung von Systemdienstleistungen, Netzzustandserkennung und dezentrales Engpassmanagement, die wichtige Beiträge für System-, Netzführung und Betrieb darstellen.

  • Automatisierte Netzzustandserkennung für die Ansteuerung der wachsenden Aktorenvielfalt (z.B. RONT, Längsregler, Speicher und Wechselrichter)
  • Vollständige Transparenz über alle elektrischen Vorgänge im Netz für Betrieb und Asset Management
  • Sichere und autarke Betriebsführung in der Niederspannungsebene
  • Lässt sich in bestehende Netzstrukturen integrieren und stellt somit eine kostengünstige Alternative zum Netzausbau dar
  • Modularer Aufbau, der sich den jeweiligen Anforderungen anpassen und jederzeit ausbauen lässt — von der Überwachung der Ortsnetzstation über das Netzmonitoring im Niederspannungsnetz bis hin zur automatisierten Steuerung der Energieverbraucher und –erzeuger
  • Unterstützt sowohl zentrales Einspeisemanagement (Kaskadenregelung) sowie selbständiges Wirkleistungsmanagement
  • Einfache Betriebsführung von RONT, Längsregler, Speicher oder Wechselricher

Die iNES-Systemelemente

sBOX (Steuerung)

Autarke Überwachung und Regelung durch Identifikation des Netzzustandes und gezielte Steuerung von Erzeugungs-/Verbrauchsanlagen.

GSI

Grid State Identification

IGC (Intelligent Grid Control)

Wie funktioniert das IGC?

Im Rahmen zyklischer online-Berechnungen aus Daten der per direkter Messung an die sBOX (Smart RTU) übermittelten Werte der mBOXen und aBOXen erfolgt eine Netzzustandsberechnung. Die Ergebnisse dieser Berechnung werden der IGC (Intelligent Grid Controll) zur Berechnung einer möglichen optimalen Maßnahmenstrategie übergeben. Dabei werden im Rahmen eines Berechnungszyklus Maßnahmen und ihre Auswirkungen auf das Netz simuliert und bewertet. Das Ergebnis mit der dabei ermittelten höchsten Erfolgswahrscheinlichkeit wird dann an den entsprechenden Aktor zur Ausführung übermittelt. Im Rahmen des folgenden Mess-, Berechnungs- und Regelungszyklus werden die Folgen dieser Aktion gemessen, analysiert und fortgesetzt oder durch eine ggf. im IGC ermittelten besseren Strategie abgelöst.

Der Regelungsalgorithmus folgt dabei einem dreistufigen Konzept. Zuerst wird versucht eine Spannungsbandverletzung durch Steuerung eines regelbaren Ortsnetztrafos oder eines Längsreglers zu begegnen. Führt das nicht zum Erfolg folgt in der zweiten Stufe die Anpassung der Blindleistung. Erst in der dritten Stufe erfolgt die Anpassung der Wirkleistung bzw. Laststeuerung. Als Beispiel Anpassung einer PV-Anlage: Führen die Regelungsaktivitäten der ersten beiden Stufen nicht zum Erfolg, erfolgt die Wirkleistungsregelung – dies auf die Stufen 90 %, 60%, 30%, 0% oder auch stufenlos. Durch die Reportingfunktion von iNES können für die Nachweisführung für diese Fälle die genauen Daten mit Zeitstempel zur Zahlung der Entschädigung an den Anlagenbetreiber zugrunde gelegt werden.

mBOX (Messung)

Erfassung/Übertragung von Ist-Werten diverser Netzknoten des NSP-Netzes.

aBOX (Aktorik)

Erfassung/Übertragung von Ist-Werten und Steuerung von dezentralen Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen.

iNES Map

Für die Nachbetrachtung des Netzzustandes werden die von iNES gemessenen Werte in die Webanwendung iNES map geladen. Somit steht Ihnen ein umfangreiches Analysetool zur Verfügung, welches Sie unter anderem für das Assetmanagement oder die Netzplanung heranziehen können.


Bildschirmaufbau und Bedienelemente

Die Benutzeroberfläche von iNES map besteht aus den Bereichen: 1: Übersichtskarte, 2: Kartenbaum, 3:	Symbolleiste, 4: Kartendarstellung, 5: Modulreiter, 6: Datenbereich.
Die Benutzeroberfläche von iNES map besteht aus den Bereichen: 1: Übersichtskarte, 2: Kartenbaum, 3: Symbolleiste, 4: Kartendarstellung, 5: Modulreiter, 6: Datenbereich.

Kartenoptionen

Sie können die Kartenansicht je nach Ihren Bedürfnissen anpassen. Dafür stehen Ihnen folgende Möglichkeiten zur Verfügung:

1: Übersichtskarte mit aktuell angezeigtem Ausschnitt (Rechteck mit rot gepunkteter Umrandung), 2: Wahl der Hintergrundkarte (maximaler Zoom möglich, wenn „kein Hintergrund“ gewählt ist) und der in der Karte dargestellten Elemente, 3: Karte bewegen, 4: Zoomregler und aktueller Zoom.
1: Übersichtskarte mit aktuell angezeigtem Ausschnitt (Rechteck mit rot gepunkteter Umrandung), 2: Wahl der Hintergrundkarte (maximaler Zoom möglich, wenn „kein Hintergrund“ gewählt ist) und der in der Karte dargestellten Elemente, 3: Karte bewegen, 4: Zoomregler und aktueller Zoom.

Kommunikation

Die Kommunikationsstruktur der iNES-Systemlösung besteht aus zwei Teilsystemen, die von der sBOX aus angesprochen werden:

  • Leitstellenkommunikation: zu einem übergeordneten System,
  • Feldkommunikation: zu einem untergeordneten System (dezentrale Messwertgeber).

Kommunikation zu einem untergeordneten System:

Die Kommunikation von der sBOX zu den untergeordneten dezentralen Messwertgebern wird anhand der Breitband-Powerline-Technik (BPL) aufgebaut. Damit wird über das Stromnetz eine echtzeitfähige Kommunikationsstruktur realisiert.

Kommunikation zu einem übergeordneten System:

Die Kommunikation von der sBOX zu einer übergeordneten Fremd-/Leitwarte wird anhand einer verschlüsselten VPN-Verbindung über Mobilfunk oder DSL aufgebaut. Ist die Ortsnetzstation mit einen Steuerkabel zur Leitwarte ausgerüstet, kann auch diese Verbindung anhand von seriellen Modems oder ADSL-Modems genutzt werden.

Zusatz:
Die Kommunikation über Serielle-/ ADSL-Modems bezieht sich auf Messwerte, Sollwerte, Steuerbefehle! Um Archive von einer Station abzurufen oder einen Fernwirkzugang zu schaffen wird eine Mobilfunkverbindung oder DSL-Verbindung vorausgesetzt. Die Kommunikationswege sind verschlüsselt!


Der modulare Aufbau von iNES (Stufenmodell)

Das iNES Stufenmodell (Modularität)
Das iNES Stufenmodell (Modularität)

Stationsmonitoring

Im ersten Schritt zu einem intelligenten Netz werden bestehende Ortsnetzstationen um die Funktion Stationsmonitoring zur Erfassung von Auslastungsgrad und Stationszustand erweitert.

Beim Stationsmonitoring werden neben unserer sBOX auch Sensoren innerhalb der ONS installiert. So besteht die Möglichkeit, Ist-Werte – wie z.B. Strom, Spannung, Leistung und Temperatur – aus der ONS mit Zeitstempel zu erfassen, zu archivieren und an das übergeordnete Leitsystem zu übertragen.

Mit der ersten Ausbaustufe der iNES-Systemlösung werden Istwerte von Strom und Spannung in der Ortsnetzstation (ONS) auf der Niederspannungsseite gemessen und in verdichteter Form (z.B. als Ampel) an ein übergeordnetes Leit- bzw. Diagnosesystem zur Identifikation von elektrotechnisch kritischen Zuständen an der Ortsnetzstation weitergeleitet.

Das System umfasst dabei folgende Komponenten:

  • iNES sBOX
  • Sensoren innerhalb der ONS
  • Kommunikation von iNES sBOX zu übergeordneten Diagnose-/Leitsystemen

Das Ziel des Stationsmonitoring ist es, den Auslastungsgrad der Ortsnetzstation (ONS) durch Sensoren innerhalb der ONS zu erfassen und zu überwachen.

Vorteile des Stationsmonitoring

  • Reduzierung der Ausfallzeiten
  • Übersicht der Stationsauslastung
  • Lastflussrichtungserkennung in der ONS
  • Protokollierung und Archivierung der Ist-Werte
  • Visualisierung des Stationszustandes durch ein einfaches Ampelsystem

Netzmonitoring

Darauf aufbauend können im Verteilnetz an neuralgischen Netzknoten Messsensoren und Regeleinheiten platziert werden, um das gesamte Ortsnetz überwachen und steuern zu können. In der Ortsnetzstation werden die Daten der dezentral gewonnenen Messungen zusammengeführt und anschließend in einer zyklischen Online-Berechnung (Grid State Identification) des aktuellen Netzzustandes, auf der Basis einer spärlichen Messtopologie, aufbereitet.

Die Ausbaustufe 2 beinhaltet das Stationsmonitoring und erweitert dieses um weitere gemessene Istwerte von Strom und Spannung an einzelnen Knoten und Strängen im Niederspannungs-Netzgebiet hinter der Ortsnetzstation. Auf dieser Basis werden Ersatzwerte für die nicht gemessenen Netzknoten und –stränge gebildet. Gemessene Istwerte und ermittelte Ersatzwerte bilden gemeinsam den Ausgangspunkt für eine Leistungsflussberechnung im Niederspannungsnetz. Die Ergebnisse dieser Berechnung werden in einer verdichteten Form (z.B. als Ampel) an ein übergeordnetes Leit- bzw. Diagnosesystem zur Identifikation von elektrotechnisch kritischen Netzzuständen im Netzgebiet weitergeleitet.

Das Ziel des Netzmonitorings ist die Erhöhung der Systembeobachtung zu den elektrisch wirksamen Vorgängen im unterlagerten Netz.

Das System umfasst dabei folgende Komponenten:

  • iNES sBOX, mBOX, GSI
  • Sensoren innerhalb der ONS
  • Kommunikation von iNES sBOX zu übergeordneten Diagnose-/Leitsystemen
  • Kommunikation zwischen der Station mit iNES sBOX und diversen Netzknoten mit iNES mBOX

Das Netzmonitoring ergänzt das Stationsmonitoring um Sensorik (mBOX) an einzelnen Netzknoten (z.B. Kabelverteilerschränke). Dabei erfolgt die Auswahl der aufzurüstenden Netzknoten durch unser Projektierungstool welches aus den bestehenden GIS-Daten die Anzahl der Messpunkte auf ein Minimum reduziert. So können zusätzlich zu den Ist-Werten der ONS auch die Ist-Werte der diversen Netzknoten des Niederspannungsnetzes (Strom, Spannung, Leistung, etc.) zentral in der sBOX mit Zeitstempel erfasst, archiviert und an das übergeordnete Leitsystem übertragen werden.

Nur maximal 10 bis 15% der Netzknoten müssen mit Sensorik ausgerüstet werden, um den Netzzustand und potenzielle Änderungen der Netztopologie automatisch registrieren zu können.

Vorteile zusätzlich zum Stationsmonitoring

  • Erkennung kritischer bzw. überlasteter Netzbezirke (Engpassermittlung)
  • Verbesserung der Planungsgrundlage durch Kenntnisse über die Netzzustandshistorie
  • Übersicht der Stations- und Netzauslastung
  • Lastflussrichtungserkennung in der Ortsnetzstation und im Niederspannungsnetz
  • Protokollierung und Archivierung der Ist-Werte
  • Einfaches Ampelsystem zur Visualisierung des Stations- und Netzzustandes

Netzautomatisierung

In der dritten Ausbaustufe wird in Kombination mit dem innovativen iNES Berechnungsalgorithmus (Intelligent Grid Control) und Ausstattung zentraler Einspeiser und Verbraucher mit Aktorik eine autarke, intelligente und sichere Netzführung mit Wahl der optimalen Maßnahmenstrategie zur Spannungs-, Blindleistungs- und Wirkleistungsregelung in Echtzeit erreicht.

Die letzte Ausbaustufe baut auf den Resultaten des Netzmonitorings auf. Zur wirksamen Aufhebung der in Ausbaustufe 2 ermittelten elektrotechnisch kritischen Netzzustände werden automatisiert Handlungsempfehlungen berechnet und selbständig Gegenmaßnahmen eingeleitet. Auch hier werden sowohl die Ergebnisse der Leistungsflussberechnung als auch die Handlungsempfehlungen sowie die Gegenmaßnahmen zur Aufhebung der elektrotechnisch kritischen Netzzustände in einer verdichteten Form (z.B. als Ampel) an ein übergeordnetes Leit- bzw. Diagnosesystem weitergeleitet.

Das System umfasst dabei folgende Komponenten:

  • iNES sBOX, mBOX, aBOX, GSI, IGC,
  • Sensoren innerhalb der ONS und an Netzknoten,
  • Kommunikation von iNES sBOX zu übergeordneten Diagnose-/Leitsystemen,
  • Kommunikation zwischen der Station mit iNES sBOX und diversen Netzknoten mit iNES mBOX oder Erzeugungs-/Verbrauchsanlagen mit iNES aBOX.

Die Netzautomatisierung ergänzt das Netzmonitoring um Aktorik (aBOX) und unseren Lastfluss- und Regelalgortihmus „Intelligent Grid Control“, kurz IGC. Dabei wird die Aktorik an einzelnen Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen installiert und ermöglicht in Verbindung mit unseren IGC-Algorithmus eine Steuerung und Regelung von entsprechenden Netzkomponenten. Durch die Ausbringung der Aktorik (aBOX) und die Installation des IGC auf der sBOX besteht somit die Möglichkeit, das Niederspannungsnetz aktiv und autark vor Überlastsituationen zu schützen.

Das Ziel der Netzautomatisierung ist die autarke Überwachung und Regelung des Niederspannungsnetzes durch Erfassung des Netzzustandes und gezielte Steuerung von Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen.

Vorteile zusätzlich zum Netzmonitoring

  • Sichere und autarke Betriebsführung in der Niederspannungsebene
  • Reduzierung/Verzögerung kostenintensiver/konventioneller Investitionen (z.B. Ertüchtigung des Leitungsnetzes, Austausch von Ortsnetztransformatoren, etc.)
  • Bessere Nutzung bestehender Netzkapazitäten
  • Selbstregelndes lokales System mit optimaler Anbindung an die Leitstelle

MSP

Stationsmonitoring Mittelspannung

Mit einer neuen Generation von Kabelgarnituren wird jetzt die effiziente Möglichkeit einer Überwachung der MSP geschaffen. Dies ermöglicht in Verbindung mit den iNES-Komponenten eine erweiterte Automatisierung des Stromnetzes. Ziel des Stationsmonitorings ist ein exaktes und kontinuierliches Messen im Mittelspannungsnetz.

Vorteile des Stationsmonitoring Mittelspannung

  • Sehr hohe Messgenauigkeit für Strom und Spannung des Mittelspannungsnetzes
  • Werkseitig kalibriert – eine spätere aufwendige und teure Nachkalibrierung entfällt
  • Schnelle und einfache Installation
  • Retro-Fit – kein Eingriff in die Schaltanlage notwendig

iNES in der Praxis: Beispiel eines Projektsablaufs

Es sollte für jedes Stadtwerk unterschiedliche Konzepte und Herangehensweisen geben. Wir differenzieren generell zwischen einem Einstieg durch die Bedarfserkennung in der Mittel- oder Niederspannung. Daher sind die Vorgehensmodelle auch unterschiedlich. Im Grundsatz empfehlen wir dem Netzbetreiber die Erstellung eines Netzkonzeptes für sein Verteilnetz. Hierdurch kann die optimale technologische Option (RONT, Blindleistung, Lastumschaltung, oder Wirkleistungsregelung für die jeweiligen Typ- und Referenznetze und Konstellationen gefunden werden. Sofern ein Kunde über das Stationsmonitoring hinaus geht und s,m, a Boxen einsetzt, kann er auf Basis der gewonnenen Netzzustände Simulationen vornehmen. Die Netzbetreiber können so z. B. im Vorfeld eines großflächigen Netzausbaus die Auswirkungen von zusätzlicher Last oder die Verwendung von Blindleistung auf das zulässige Spannungsband erkennen. Hierdurch können wertvolle Erfahrungen zu Auswirkungen und Nutzungseffekten der jeweiligen Aktoren und Technologieoptionen vorab großer Investitionen gewonnen werden.

Wir plädieren daher im ersten Schritt – soweit die Problemstellung nicht schon von Beginn an den Einsatz einer höheren Ausbaustufe, also Netzmonitoring/Netzautomatisierung, vorgibt – für die Ausstattung von Ortsnetzen mit Stationsmonitoring – iNES Stufe I. So kann im ersten Schritt über mehrere Ortsnetze hinweg ermittelt werden, wo schon aus der Datenanalyse aus der ONS heraus Bedarf für weitere, tiefer gehende Analysen festgestellt werden kann. Aus dem Stationsmonitoring heraus kann z.B. der Bedarf zur Regelung des Stufenstellers vorgelagerten UW abgeleitet werden. Auch hierzu bietet iNES die erforderlichen Funktionsbausteine an. 

Aufbauend zum Stationsmonitoring kann in den jeweiligen Ortsnetzen im Rahmen eines Netzmonitoring der weitere Bedarf für eine Netzautomatisierung festgestellt und umgesetzt werden. Wer sich für iNES entscheidet, will mehr über sein Netz wissen und ist sich der Mehrwerte bewusst, die iNES zu bieten hat. Die Entscheidung für iNES beinhaltet auch die Entscheidung für die zweite und dritte Ausbaustufe – also Netzmonitoring und Netzautomatisierung – aber eben immer nur da, wo es sinnvoll und notwendig ist. Denn: Nicht jedes Ortsnetz bedarf einer Netzautomatisierung.