FB Elektro- und Informationstechnik

Der Fachbereich Elektro- und Informationstechnik der THM beschäftigt sich mit Fragen nach der Netzdienlichkeit von Quartieren und der dazu notwendigen Kommunikationstechnik. Dabei wird untersucht, wie die in Stadtquartieren installierten Leistungsflexibilitäten vorgelagerte Netze durch System- und Netzdienstleistungen (SNDL) unterstützen können. Sofern diese im Konflikt zueinander stehen, werden robuste Algorithmen zur Nutzungspriorisierung entwickelt.

Zur Erprobung der Steuerung und der Kommunikationstechnik wird im Energietechnischen Labor des Fachbereichs EI das strombasierte Verbrauchs- und Einspeiseverhalten im Stadtquartier „Philosophenhöhe“ mittels Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) Simulation nachgebildet (siehe Abbildung unten). Das Herzstück des PHIL-Laboraufbaus bildet das OpalRT OP 4510 in Verbindung mit einem 16 kVA Vierquadrantensteller der Firma Triphase NV. Neben der großflächigen Nachbildung der lokalen NS- und MS-Netztopologie in ePhasorSim (Quartiersnetz zzgl. vorgelagertes MS-Netz) werden einzelne, steuerbare Lasten und Erzeugungsanlagen als Hardware in die Laborversuche integriert. Die Kommunikation von Nachfrage und Angebot an Flexibilität erfolgt im Projekt über eine zentrale Cloudplattform. Speziell entwickelte Cloudapplikationen erzeugen die Steuerbefehle für einen bedarfsgerechten Abruf der Flexibilitäten. Die Funktionalität der cloudbasierten Steuerung wird anhand von konkreten Use-Cases im Labor getestet.

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Abbildung 1: Kernelemente des PHIL-Laboraufbaus: Triphase Vierquadrantensteller, OpalRT Echtzeitsimulator und Smart Meter Gateway (SMGW) Schaltschrank.

Aufgrund der Vielzahl verbundener Sensoren und Aktoren findet in IoT- und Smart Grid-Netzen die Datenverarbeitung nur selten im Feld statt. Stattdessen werden die Endgeräte an eine zentrale Cloudplattform angebunden, die Archivierung, Verarbeitung und Visualisierung der Daten übernimmt. Im Rahmen des FQ-Projekts wird ein Prototyp einer leistungsfähigen, skalierbaren und mandantenfähigen Cloudplattform aufgebaut, die zentrale Kommunikationsdienste und -protokolle bereitstellt und die Verwaltung von IoT-Endgeräten ermöglicht. Diese Funktionalitäten werden beispielsweise im PHIL-Laboraufbau verwendet, um Sensordaten aus dem simulierten Netz zu empfangen und darauf agierend Steuerbefehle zu erteilen. Um eine kostengünstige und verlässliche Kommunikation zwischen den über das Quartier verteilten Sensoren und Aktoren zu gewährleisten, werden neuartige Funkstandards aus dem Bereich der Low Power Wide Area Networks (LPWANs) installiert und hinsichtlich ihrer Dienstgüte (Quality of Service, QoS) untersucht. Diese Technologien bieten eine hohe Gebäudepenetration bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch, was den Einsatz auch unter schwierigen Bedingungen (z.B. im Keller oder Zählerschrank) ermöglicht. Aus den ermittelten Parametern (z.B. Datenrate, Reichweite, Latenz, Kosten und Sicherheit) lassen sich Aussagen hinsichtlich der Anwendbarkeit im Smart Grid Kontext treffen. Parallel zur Gruppe der LPWANs wird auch das für die Zählerfernablesung vorgeschriebene Smart Meter Gateway (SMGW) untersucht. Dazu kommen zwei Testaufbauten zum Einsatz, die im Rahmen der PHIL-Laborumgebung und im IoT-Labor die Anbindung von IoT-Endgeräten über den CLS-Kanal (Controllable Local Systems) ermöglichen. Basierend auf der Analyse der Kommunikationstechnologien wird ein neuartiges Netzwerkprotokoll entwickelt, das die QoS von LPWANs insbesondere bei niedrigem Signalpegel deutlich verbessert.