Mit moderner Messtechnik und Data Science Störungen detektieren - SMIGHT
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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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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
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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).
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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
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