Mit moderner Messtechnik und Data Science Störungen detektieren - SMIGHT

 
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Mit moderner Messtechnik und Data Science Störungen detektieren - SMIGHT
ew-Sonderteil
Smart Grid

                       Künstliche Intelligenz im Verteilnetz der Stuttgart Netze

                       Mit moderner Messtechnik und
                       Data Science Störungen detektieren
                       Mit moderner Messtechnik und Data Science lassen sich Niederspannungsnetze automatisiert über-
                       wachen und optimieren. Dies zeigt ein gemeinsames Projekt der Stuttgart Netze, Smight und Omega-
                       LambdaTec. Untersucht wurde unter anderem, wie sich Netzanomalien wie Kabelbrüche vor einem
                       kritischen Netzausfall detektieren lassen und somit frühzeitig behoben werden können.

                       Verteilnetzbetreiber sind heute neu-
                       en Herausforderungen ausgesetzt. Die
                       Netze unterliegen aufgrund der Zunah-
                       me direkter Einspeisung durch erneu-
                       erbare Energien und dem dynamischen
                       Energiebedarf von E-Fahrzeugen einer
                       hohen Volatilität. Dies erfordert ein
                       besseres Verständnis der Auslastung,
                       eine datengetriebene Optimierung und
                       eine kontinuierliche Überwachung der
                       Niederspannungsnetze. Die Nutzung
                       moderner Sensorik ermöglicht neue
                       IoT-basierte Anwendungen für Netz-
                       betreiber, allen voran eine kontinuier-
                       liche Überwachung und Optimierung
                       des Stromnetzes.
                                                                    Quelle: Stuttgart Netze

                       Herausforderung vermaschtes Netz
                       Stuttgart Netze, Smight und Omega-
                       LambdaTec haben deshalb ein gemein-
                       sames Projekt gestartet. In diesem Rah-
                       men soll geprüft werden, ob und wie                                    Bild 1. Betriebsmonteur der Stuttgart Netze beim Einbau der Smight-Sensorik in
                       sich Netzanomalien, zum Beispiel Kabel­                                Kabelverteilerschränke

                                                                                                                                           brüche, im Niederspannungsnetz vor
                                                                                                                                           einem kritischen Netzausfall detektie-
                                                                                                                                           ren lassen und somit frühzeitig beho-
                                                                                                                                           ben werden können. Für das vermasch-
                                                                                                                                           te Stuttgarter Niederspannungsnetz ist
                                                                                                                                           das besonders relevant, da der Verbrau-
                                                                                                                                           cher in der Regel von zwei unterschied-
                                                                                                                                           lichen Leitungsverbindungen mit Strom
                                                                                                                                           versorgt wird. Fällt ein Kabel aufgrund
                                                                                                                                           einer Störung aus, bekommt der Kunde
                                                                                                                                           davon nichts mit. Defekte Kabel können
                                                                                                                                           somit lange unentdeckt bleiben und
                                                                                                                                           gefährden so die Integrität des Netzes.
                                                                                                                                           Fällt auch die stärker belastete zweite
                                                                                                                                           Zuleitung aus, sind auf einen Schlag vie-
                                                                                                                                           le Verbraucher ohne Strom. Die folgende
                                                                                                                                           Fehlersuche und Wiederherstellung der
      Quelle: Smight

                                                                                                                                           Versorgung ist für den Netzbetreiber so-
                                                                                                                                           wohl zeit- als auch arbeitsintensiv.

                       Bild 2. Direkt nach Einbau der Sensorik, der durch eine App unterstützt wird, beginnt die                           Um dem künftig vorzubeugen, braucht
                       Datenübertragung an eine IoT-Plattform.                                                                             es eine robuste Messtechnik, die ver-

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Mit moderner Messtechnik und Data Science Störungen detektieren - SMIGHT
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                                                                                                                                                             Smart Grid
                              ZP/N (Haus)

                                                  50

                                                   0
                              St-Radius (max)

                                                1000

                                                   0

                                                 1.5
                              Vm.grad

                                                 1.0
                                                   1
                              Gewerbe
Quelle: OmegaLambdaTec

                                                   0
                                                       0                100 0               50           0            1 000      1.0               1.5
                                                           N (Haus)/L                ZP/N (Haus)              St-Radius (max)               Vm.grad

                         Bild 3. Clustering-Analyse: Alle 550 Stuttgarter Netzinseln wurden anhand ihrer Infrastruktur-Charakteristika (unter anderem
                         Stationsradius, Anzahl Knoten, Vermaschungsgrad) ausgewertet und in die drei Hauptgruppen aus Wohnsiedlungen (rund 54 %),
                         Gewerbegebiet (rund 21 %) und Industriegebiet (rund 25 %) sowie deren Unterklassen aufgeteilt und analysiert.

                         lässlich Daten liefert, sowie geeignete                Einbau in bestehende Ortsnetzstatio-       KVS auf einer IoT-Plattform zugewiesen
                         Analyse-Methoden und virtuelle Netz-                   nen (ONS), entwickelt. Durch kleinere      werden (Bild 2). Sobald dieses Pairing er-
                         modelle. Ebenso legten die Partner fest,               Anpassungen ist sie auch in Kabelvertei-   folgt ist, beginnt die Datenübertragung
                         wo und wie viel Messtechnik installiert                lerschränken (KVS) einsetzbar. Konkret     (1 bis 15 Minuten Mittelwerte, Strom in
                         werden muss, um mit hoher Genauig-                     wurde die Stromversorgung des Gate-        Ampere). »Die Datenaufzeichnung und
                         keit Kabelbrüche zu identifizieren, aber               ways für die Datenübertragung opti-        -übermittlung ist sehr robust. Wir er-
                         auch Aufwände und Kosten so gering                     miert, um definierte Messpunkte mit        halten vollständige und zeitsynchrone
                         wie möglich zu halten.                                 Sensorik auszustatten (Bild 1).            Datensätze. Das ist eine gute Vorausset-
                                                                                                                           zung für die geplanten Analysen«, sagt
                                                                                Ein großer Pluspunkt aus Sicht der Mon-
                         Messtechnik maßgeschneidert für                                                                   Körner. Damit war die Grundlage für die
                                                                                teure: die Versorgung der Sensoren läuft
                         Netzbetreiber                                                                                     weitere Nutzung der Messwerte durch
                                                                                über Klappwandler und die Übertra-
                                                                                                                           die Analytics-Experten von OmegaLamb-
                         »An den operativen Einsatz der Mess-                   gung an das Gateway über Funk, sodass
                                                                                                                           daTec geschaffen.
                         technik hatten wir klare Anforderun-                   eine aufwendige Verdrahtung entfällt.
                         gen: Schnell und einfach. Aber auch die                »Bei der Entwicklung von Smight Grid
                                                                                                                           Auswahl geeigneter Netzinseln
                         beengten Platzverhältnisse in Kabelver-                flossen von Beginn an konkrete Anfor-
                         teilerschränken durften kein Hindernis                 derungen aus dem Netzbetrieb ein«, so      Ausgehend vom Stuttgarter Netz, das
                         sein«, berichtet Christian Körner, Lei-                Oliver Deuschle, Chef von Smight. »Die     550 Netzinseln mit rund 170 möglichen
                         ter Anlagenmanagement der Stuttgart                    Installation kann daher auch vom eige-     Messpunkten je Netzinsel umfasst, ist
                         Netze. Die Wahl fiel schnell auf Smight                nen Personal durchgeführt werden.«         eine fundierte Planung der Analysen
                         Grid, eine Sensor-IoT-Lösung der EnBW-                 Unterstützt wird der Einbau durch eine     notwendig. Die Ausstattung aller Mess-
                         Tochter Smight. Diese wurde speziell für               App, mit der QR-Codes auf den Hard-        punkte im Stuttgarter Stromnetz mit
                         den Retrofit, also den nachträglichen                  ware-Komponenten gescannt und dem          Sensorik würde jedoch neben hohen

                                                                                                                                                            4 | 2021    73
Mit moderner Messtechnik und Data Science Störungen detektieren - SMIGHT
ew-Sonderteil
Smart Grid

      Quelle: OmegaLambdaTec

                           Bild 4. Dashboard-Visualisierung mit automatisierter Detektion und Lokalisation eines Kabelbruchs in einer Netzinsel. Der manuell
                           induzierte Kabelbruch konnte mithilfe der KI-Algorithmen von OmegaLambdaTec erfolgreich räumlich in Station 6 detektiert (blaues
                           Rechteck) und im Signal zeitlich eingegrenzt werden (rotes Rechteck). Aus dem unterschiedlichen Stromverlauf zwischen dem Digital-
                           Twin-Simulationsmodell (orange) und dem Stromsignal (blau) lässt sich der Kabelbruch identifizieren.

                           Investitionen auch einen deutlichen          »Für uns schafft diese umfassende Ana-       Analysen aufbereitet. Danach wird mit-
                           Personal­aufwand verursachen. Daher          lyse grundlegend neue Perspektiven.          tels KI-Verfahren (künstliche Intelligenz)
                           bestimmten die Experten im Vorfeld,          Bisher gab es das nur für kleine Netz-       ein sich kontinuierlich anpassendes
                           wie viele Sensoren an welchen Posi-          ausschnitte. Jetzt können wir unsere         Prognosemodell für die Strommess-
                           tionen notwendig sind, um eine hohe          Netzstruktur vollständig betrachten          daten erstellt. Über den Vergleich von
                           flächendeckende Detektierbarkeit von         und bewerten«, hebt Körner hervor.           Messdaten und Prognosemodell las-
                           Netzanomalien sicherzustellen. Gleich-                                                    sen sich dann gezielt Anomalien, die die
                                                                        Neben der Frage, welche Netzinseln für
                           zeitig sollten auch Wirtschaftlichkeit                                                    Charakteristiken eines Kabelbruches
                                                                        die Messungen besonders relevant sind,
                           und technische Durchführbarkeit be-                                                       aufweisen, im Datenstrom erkennen
                                                                        wurde auch die Frage beantwortet, wie
                           rücksichtigt werden.                                                                      und per E-Mail an den Netzbetreiber­
                                                                        viele Messpunkte mit Smight-Sensorik
                                                                                                                     melden.
                                                                        ausgestattet werden müssen, um defek-
                           Ausgangspunkt hierfür war der Auf-
                                                                        te Kabel mit hoher Wahrscheinlichkeit
                           bau einer realitätsnahen Digital-Twin-                                                    In der Proof-of-Concept-Phase wurde
                                                                        aufzuspüren. Hierzu ergaben die Ana-
                           Simulations­umgebung von repräsenta-                                                      diese Analytics-Lösung dem Praxistest
                                                                        lysen von OmegaLambdaTec, dass bei
                           tiven Netzinseln des Niederspannungs-                                                     unterzogen. Da Kabelbrüche im Netz
                                                                        einer Ausstattung von lediglich 15 bis
                           netzes basierend auf Shape-Dateien                                                        glücklicherweise selten sind, wurden
                                                                        30 % der ONS-Abgänge und 10 bis 20 %
                           und GIS-Reports. Um zu entscheiden,                                                       im Stuttgarter Netz manuell mehrere
                                                                        der KVS-Abgänge eine Detektierbar-
                           welche Netzinseln mit Messtechnik aus-                                                    künstliche Kabelbrüche induziert, in-
                                                                        keit von mehr als 80 % garantiert wer-
                           gestattet werden, wurden verschiedene                                                     dem über einige Tage ein Kabel abge-
                                                                        den kann. Somit wurden im Stuttgar-
                           relevante Netz- (zum Beispiel maxima-                                                     klemmt wurde. Die Software konnte da-
                                                                        ter Stadtteil Bergheim (Weilimdorf) in
                           ler Stationsradius, Anteil Gewerbe) und                                                   bei mithilfe von Lastflussberechnungen
                                                                        einem klassischen Wohngebiet in meh-
                           Graph-Parameter (zum Beispiel Anzahl                                                      alle induzierten Kabelbrüche erfolg-
                                                                        reren KVS und ONS zwanzig Messpunk-
                           Knoten, Vermaschungsgrad, Ausfallra-                                                      reich aufspüren (Bild 4). »Unsere auto-
                                                                        te mit Smight-Sensorik ausgerüstet.
                           te) für jede Netzinsel bestimmt. Anhand                                                   matisierte KI-Anomalie-Detektions-
                           dieser Parameter wurde in nur einer                                                       Pipeline ermöglicht ein kontinuierliches
                           Woche eine detaillierte, hochdimensio-                                                    Monitoring aller Leistungsschwankun-
                                                                        Automatisiertes Erkennen von
                           nale Clustering-Analyse durchgeführt                                                      gen des Niederspannungsnetzes, eine
                                                                        Anomalien
                           (Bild 3). Diese ermöglicht eine automa-                                                   exakte zeitliche und räumliche Detek-
                           tische, datengetriebene Charakterisie-       Um aus den Sensordaten Erkenntnis-           tion und Lokalisierung sowie Lastfluss-
                           rung aller Netzinseln mittels Machine        se zu gewinnen und tatsächlich Kabel-        analysen potenzieller Kabelbrüche«, er-
                           Learning. »Mit diesen Ergebnissen kön-       brüche zu detektieren und zu lokalisie-      läutert Alexander Fritz, COO & CISO bei
                           nen Netzinseln identifiziert werden, die     ren, kommen intelligente, automatische       OmegaLambdaTec. Aus dem Vergleich
                           ein hohes Potenzial für eine Optimie-        Analysealgorithmen von OmegaLamb-            der Messungen mit dem Simulations-
                           rung der Netzstruktur aufweisen und          daTec zum Einsatz. Dabei wird der Sen-       datensatz lässt sich die Signalstärke
                           die ideal für den Einsatz von Sensorik       sor-Datenstrom von Smight zunächst           von detektierbaren Fehlstellen ermit-
                           sind«, erläutert Rene Fassbender, Ge-        in eine Cloud-Lösung von OmegaLamb-          teln und diese anhand einer Heatmap
                           schäftsführer von OmegaLambdaTec.            daTec eingelesen und dort für weitere        visualisieren (Bild 5).

74                             4 | 2021
Mit moderner Messtechnik und Data Science Störungen detektieren - SMIGHT
ew-Sonderteil
                                                                                                                                                        Smart Grid

                                                                                                                  Detektierte Position
                                                                                                                  Kabelbruch
                                                                                                                  Sensoren                      20,0

                                                                                                                                                17,5

                                                                                                                                                       Kabelbruch Detektierbarkeit (DP)
                                                                                                                                                15,0

                                                                                                                                                12,5

                                                                                                                                                10,0

                                                                                                                                                 7,5

                                                                                                                                                 5,0

                                                                                                                                                 2,5
Quelle: OmegaLambdaTec

                         Bild 5. Detektionsheatmap der Stuttgarter Netzinsel, die mit Smight-Sensorik ausgestattet wurde (graue Kreise). Die manuell
                         induzierten Kabelbrüche (rote Kreuze) konnten mithilfe der Algorithmen von OmegaLambdaTec erfolgreich detektiert und räumlich
                         eingegrenzt werden (blaue Ovale). Die Farbe der Leitungen zeigt die Detektierbarkeit von Kabelbrüchen, von gering (rot) zu hoch
                         (grün), basierend auf einem von OmegaLambdaTec erstellten Digital Twin des Stromnetzes.

                     Neue Potenziale durch künstliche                 »Der mit KI kombinierte Einsatz ebnet        friedenheit – und zahlen sich langfristig
                     Intelligenz                                      uns neue Wege, das Niederspannungs-          im Konzessionswettbewerb aus.
                                                                      netz gezielt datengetrieben zu optimie-
                     Die entwickelte Datenanalyse- und An-                                                         >> Dr. Anja Martin,
                                                                      ren. So können wir die Potenziale der            Manager Marketing & Kommunikation,
                     omalie-Detektions-Pipeline kann somit
                                                                      Ausstattung mit moderner Sensorik voll           Smight, Karlsruhe
                     das Niederspannungsnetz automatisch
                                                                      ausschöpfen«, kommentiert Arvid Blu-
                     überwachen und instandhalten. »Ge-
                                                                      me, Vorsitzender der Geschäftsführung            Dr. Andreas Schulze,
                     fundene und evaluierte Kabelbrüche                                                                Data Scientist,
                                                                      der Stuttgart Netze. Aktuell ist die Aus-
                     können per E-Mail direkt an Netzbe-                                                               OmegaLambdaTec GmbH, Garching
                                                                      rüstung weiterer Bereiche im Stuttgar-
                     treiber gemeldet werden. Das Personal
                                                                      ter Stromnetz mit Sensorik in Planung.
                     muss also nicht rund um die Uhr Mess-                                                             Dr. Alexander Fritz,
                                                                      Dabei will man vorausschauend berück-            COO & Data Scientist,
                     daten analysieren, um nichts zu verpas-
                                                                      sichtigen, wo in den nächsten Jahren mit         OmegaLambdaTec GmbH, Garching
                     sen«, erklärt Deuschle. Die Ergebnisse
                                                                      einem Zuwachs an E-Mobilität und er-
                     der Anomaliedetektion können auch in
                                                                      neuerbaren Einspeisern zu rechnen ist.           Dr. Rene Fassbender,
                     einem Dashboard dargestellt und dort                                                              Geschäftsführer,
                                                                      Solche Netzbereiche unterliegen einer
                     näher bewertet werden. Dies ermög-                                                                OmegaLambdaTec GmbH, Garching
                                                                      hohen Dynamik und sind eher für Stö-
                     licht dem Netzbetreiber die kontinu-
                                                                      rungen anfällig, auf die Stuttgart Netze
                     ierliche Überwachung des Netzes. Ak-                                                              Christian Körner,
                                                                      dann schneller reagieren kann. Mit den           Teamleiter Anlagenmanagement,
                     tuell arbeiten die Partner Smight und
                                                                      vorhandenen Netzzustandsdaten kann               Stuttgart Netze GmbH, Stuttgart
                     Omega­LambdaTec an der weiteren Op-
                                                                      das Tochterunternehmen der Stadt-
                     timierung der Datenvisualisierung, so-
                                                                      werke Stuttgart auch Baumaßnahmen            >> a.martin@enbw.com
                     dass unter anderem auch Monats- und
                                                                      bedarfsorientiert priorisieren, Netzan-          info@omegalambdatec.com
                     Jahresberichte je Netzinsel möglich sind.                                                         c.koerner@stuttgart-netze.de
                                                                      schlussfragen schneller bearbeiten und
                     Mit den Messungen und Analysen in der            die Versorgungssicherheit dauerhaft ge-      >> www.smight.com
                     Niederspannung gehört die Stuttgart              währleisten. All diese Aspekte führen            www.omegalambdatec.com
                     Netze in Deutschland zu den Vorreitern.          schließlich auch zu größerer Kundenzu-           www.stuttgart-netze.de

                                                                                                                                                       4 | 2021                           75
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