Cloud-based multi-agent systems for flexibility management in future distribution grids

  • Cloudbasierte Multi-Agenten Systeme für Flexibilitätsmanagement in zukünftigen Verteilnetzen

Dähling, Stefan; Monti, Antonello (Thesis advisor); Benigni, Andrea (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center ; ACS, Automation of Complex Power Systems 97
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Elektrische Verteilnetze befinden sich in einem starken Transformationsprozess. Es werden immer mehr erneuerbare Energiequellen installiert, während gleichzeitig der Energiebedarf durch Kopplung mit anderen Sektoren, wie Mobilität und Wärme, steigt. Diese Entwicklungen erfordern eine angepasste Betriebsführung des Netzes. In der Vergangenheit dienten Verteilnetze lediglich der Verteilung elektrischer Energie an den Endkunden. Die Installation von Erzeugungseinheiten in der Verteilnetzebene führt jedoch zu einem bidirektionalen Leistungsfluss. Dies erhöht die Gefahr von Spannungsbandverletzungen. Neue Konzepte, welche den Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch ermöglichen, sind nötig. Ein Schlüsselkonzept, welches die genannten Herausforderungen adressiert, ist die Nutzung von Flexibilitäten. Flexibilität entsteht durch die zeitliche Verschiebung von Erzeugung oder Verbrauch. Darüber hinaus werden viele Anlagen mittels Umrichtern an das Verteilnetz angeschlossen. Dies ermöglicht ein flexibles Blindleistungsverhalten der Anlagen. Neben diesen Funktionen muss ein Flexibilitätsmanagementkonzept skalierbar und ausfallsicher sein. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden ein Flexibilitätsmanagementkonzept für Netzdienstleistungen in der Verteilnetzebene und ein modulares Werkzeug für die Bereitstellung, welches Skalierbarkeit und Fehlertoleranz ermöglicht, entwickelt. Dabei werden folgende Anforderungen erfüllt: (1) Spannungsregelung: Flexibilität wird für die lokale Spannungsregelung im Verteilnetz genutzt. (2) Unterstützung des Übertragungsnetzes: Zusätzliche Flexibilität, welche nicht für die lokale Spannungsregelung genutzt wird, wird zur Unterstützung des Übertragungsnetzes angeboten. (3) Skalierbarkeit und Fehlertoleranz: Das Konzept ist hochgradig skalierbar und in der Lage, Fehler einzelner flexibler Anlagen und von Teilen des IKT-Systems zu tolerieren. (4) Modularität: Das Konzept ermöglicht einen schrittweisen Übergang vom aktuellen Status Quo. Außerdem ist es selbstkonfigurierend und ermöglicht somit eine automatisierte Inbetriebnahme. Die vier Anforderungen werden in drei Schritten umgesetzt. Diese drei Schritte stellen die wesentlichen wissenschaftlichen Beiträge der Arbeit dar. Der erste Schritt ist die Entwicklung des multi-agenten basierten Flexibilitätsmanagementkonzepts SwarmGrid-X, welches die Anforderungen 1 und 2 adressiert. In SwarmGrid-X wird jeder Erzeuger und jeder Verbraucher durch einen Agenten repräsentiert. Diese verhandeln kontinuierlich die erzeugte und verbrauchte Leistung mit dem Ziel, Erzeugung und Verbrauch so lokal wie möglich auszugleichen. Mehrere Spannungsebenen werden durch eine holonische Architektur integriert. Auch das Übertragungsnetz wird durch einen Agenten repräsentiert. Dieser nimmt an den Verhandlungen teil, um das Verhalten des gesamten Verteilnetzes zu beeinflussen. Das Konzept wurde für verschiedene Szenarien, welche mögliche Entwicklungen von zukünftigen Verteilnetzen abbilden, simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass SwarmGrid-X in der Lage ist, Flexibilität für die lokale Spannungsregelung einzusetzen. Insbesondere die Verschiebung von Ladevorgängen von Elektro-Autos und die Nutzung von Blindleistung in Zeiten hoher PV Einspeisung stellen wichtige Funktionalitäten von SwarmGrid-X dar. Auch die Unterstützung des Übertragungsnetzes durch eine flexible Blindleistungsbereitstellung wird demonstriert. Im zweiten Schritt wird die Implementierung und Bereitstellung des Konzepts adressiert. Dabei werden die Anforderungen 3 und 4 umgesetzt. Im Allgemeinen ermöglichen Multi-Agenten Systeme (MAS) eine hohe Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit. Eine mangelhafte Implementierung kann diese Eigenschaften jedoch zerstören. Die entsprechende Fachliteratur zeigt, dass populäre Multi-Agenten Plattformen (MAP), wie JADE, nicht für große MAS mit mehreren tausend Agenten geeignet sind. Aus diesem Grund wird als Teil dieser Dissertation eine neuartige MAP, basierend auf Techniken des Cloud Computings, entwickelt: cloneMAP. Diese verwendet eine Microservice-Architektur, welche horizontale Skalierbarkeit und Fehlertoleranz von Plattform Komponenten ermöglicht. Auch auf der Ebene der Agenten werden Mechanismen für Fehlertoleranz implementiert. Ein Vergleich mit JADE auf Grundlage verschiedener Benchmarks zeigt, dass cloneMAP eine deutlich höhere Skalierbarkeit bietet. Auch die Fehlertoleranz von Agenten wird erfolgreich demonstriert. Im dritten und letzten Schritt wird SwarmGrid-X mit Hilfe von cloneMAP implementiert. Die resultierende Software wird als echtes System ausgeführt und mit einer skalierbaren Software-in-the-Loop Simulation für das Verteilnetz gekoppelt. Die Auswertung der Simulationsergebnisse verdeutlicht, dass die Funktionalität durch die Integration mit cloneMAP nicht beeinträchtigt wird und die Performance für den Zweck des Flexibilitätsmanagements ausreichend ist.

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