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Echtzeitlabor / Real Time Simulation Laboratory

For English information, please visit: https://www.rtds.com/friedrich-alexander-university/

 

Am 29. März 2019 wurde am Institut für Elektrische Energiesysteme (LEES) einer der leistungsstärkste Echtzeitsimulatoren Europas im akademischen Bereich in Betrieb genommen. Einsatzbereiche sind Tests für die Entwicklung von Schutzsystemen, die Prüfung von Energiespeichersystemen sowie Forschung im Bereich der Netzintegration von HGÜ- und FACTS.

Die Echtzeitsimulation dient insofern als innovatives Werkzeug, um auf dem Gebiet der elektrischen Energieversorgung eine hochqualifizierte, praxisnahe und nachhaltige Forschung betreiben zu können. Die drei nachfolgend genannten Tätigkeitsfelder bilden die Schwerpunkte der Echtzeitanalyse des Lehrstuhls:

  • Systemregelung: „Control Systems Testing“
  • Schutztechnik: „Protection Systems Testing“
  • Systembetrieb: „Power Hardware in the Loop”

 

Das Investitionsvolumen des Echtzeitlabor von 2 Millionen Euro wurde je zur Hälfte aus Mitteln des Bundes und des Freistaates Bayern finanziert.

Konzept und Ausstattung des Echtzeitlabors

Kernkomponente des Labors bildet der Digitale Echtzeitsimulator (RTDS), der auf der Multicore-Verarbeitungsplattform NovaCor basiert und die Simulation komplexerer Netze in Echtzeit ermöglicht. Der installierte Simulator verfügt über beeindruckende E/A-Funktionen für den Anschluss realer Geräte. Mit mehr als 500 Kanälen für analoge und digitale Ein- und Ausgänge kann das Forschungsteam des LEES umfangreiche externe Schutz-, Steuer- oder Leistungsgeräte an das simulierte Netz anschließen. Leistungsverstärker von Omicron, TriphaseNV sowie Spitzenberger & Spies, die ebenfalls zum Labor gehören, ermöglichen den Anschluss von Geräten der Primär- und Sekundärtechnik für Hardware in the Loop oder Power Hardware in the Loop Untersuchungen bis hin zu 50 kVA. Umfangreiche Protokolle (z.B. IEC 61850), sowie ein leistungsstarker Satz von 12 GTFPGA-Einheiten runden den Simulator ab. Diese GTFPGA-Einheiten können besonders rechenintensive Komponenten oder Teilnetze simulieren.

Forschungskonzept und Inhalte

Die immer komplexeren Systeme der elektrischen Energieversorgung, wie beispielsweise intelligente und lernfähige Stromnetze, lassen sich mit reinen Software-Simulationen nicht ausreichend untersuchen. Die Software-Simulation greift auch aus wissenschaftlicher Sicht zu kurz, da qualifizierte Aussagen hinsichtlich der Realisierbarkeit komplexer Strukturen hierdurch nicht oder nur eingeschränkt möglich sind. Des Weiteren sind Simulationsergebnisse oft angreifbar, da in Simulationsprogrammen physikalische Grenzen leicht umgangen werden können und/oder wesentliche Methoden nicht berücksichtigt werden. Hierzu gehören beispielsweise die Kühlung und der Schutz von Komponenten, das Schaltungslayout, die Berücksichtigung parasitärer Effekte, die Eigenbedarfsversorgung sowie Verlustmechanismen und Wirkungsgrade.
Im Bereich der elektrischen Energieversorgung sind aufgrund der Größe und Komplexität der zu untersuchenden Systeme und Betriebsmittel reine hardwarebasierende Untersuchungen oftmals nicht möglich. Zusätzlich ist aus Gründen der Versorgungssicherheit ein direkter Eingriff in das in Betrieb befindliche Energieversorgungssystem nicht möglich. Echtzeitsimulatoren bieten hier die Möglichkeit, in einer simulierten Umgebung reale Betriebsmittel, Inselnetze, Regelungssysteme, usw. wissenschaftlich fundiert zu untersuchen. Damit eröffnet der Einsatz von RTS ein gänzlich neues Kapitel im Bereich der Forschung an der FAU. Die Untersuchungen des Lehrstuhls umfassen alle Spannungsebenen.

Das Laborkonzept eröffnet ein breites Spektrum für Untersuchungen im Bereich der Echtzeitsimulation:

  • Konformitätsstest innovativer Betriebsmittel wie HGÜ, FACTS, Speichersysteme und Adaptivschutz
  • Entwicklung und Umsetzung innovativer Konzepte für Digitale Zwillinge
  • Echtzeit Dynamic Stability Assessment (DSA) und Protection Security Assessment (PSA)
  • Echtzeit Co-Simulation
  • Erweiterte Stabilitätsuntersuchungen, insbesondere harmonische und hybride Stabilität
  • Regelungstechnische Untersuchungen
  • Netzintegration Erneuerbarer Energien, Elektromobilität und innovativer Betriebsmittel
  • Echtzeitsystemführung
  • Einsatz in der Lehre, beispielsweise im Rahmen Studentischer Abschlussarbeiten oder in Praktika

Bild: Wissenschaftler des Lehrstuhls prüfen mit Kollgen der Siemens AG und von RTDS Technologies Inc. Schutzgeräte am RTDS.

 

 

 

 

 

 

Bildquellen: RTDS Technologies Inc., Spitzenberger & Spies GmbH & Co. KG, Triphase NV, Omicron GmbH, Siemens AG