Scheibe C (2025)
Publication Language: German
Publication Type: Thesis
Publication year: 2025
Publisher: FAU University Press
City/Town: Erlangen-Nürnberg
ISBN: 978-3-96147-804-0
DOI: 10.25593/978-3-96147-805-7
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung, Implementierung und
Validierung von universellen Koppelmethoden für verschiedene Simulationsprogramme
im Bereich der elektrischen Energiesysteme. Dabei besteht der
Anspruch darin, die Co-Simulation als möglichst breit anwendbares Werkzeug
zu etablieren. Es soll verlässliche Ergebnisse liefern und damit die Akzeptanz
der alltäglichen Nutzung steigern. Dabei wird besonderer Wert auf die Präzision
und numerische Stabilität der angewandten Methoden gelegt, während
gleichzeitig eine universelle Nutzbarkeit in weit verbreiteten Energienetzberechnungsprogrammen
gewährleistet wird.
Die Abhandlung zeigt zunächst den aktuellen Stand und Möglichkeiten der
Energienetzsimulation auf. Statische Methoden wie die Lastflussanalyse werden
hierfür am Rande, vor allem aber zur Bestimmung von Anfangswerten
aufgegriffen. Die Analyse von zeigerbasierten Methoden (RMS-Simulationen)
sowie momentanwertbasierten Verfahren (EMT-Simulationen) bildet dabei
den Einstieg. Die Einsatzgebiete und Grenzen dieser Algorithmen werden
herausgearbeitet und gegenübergestellt.
In der Arbeit wird ein auf Shared Memory basierender Algorithmus entwickelt.
Dieser ermöglicht den Austausch von Daten zwischen den Programmen mittels
standardisierter Interfaces mit sehr geringem Einfluss auf die Rechendauer.
Sobald die Daten im Zielprogramm vorliegen, werden sie durch elektrische
Äquivalente im Simulationsnetz dargestellt. Dies kann durch ideale Übertragermodelle
oder mittels Norton- oder Thévenin-Netzäquivalente erreicht
werden. Ihr theoretisches Konstrukt wird dabei erklärt und darauf basierend
ihre Implementierung in die Netzmodelle vorgestellt.
Für die Zusammenführung von Programmen innerhalb der Momentanwertdomäne
wird der Ansatz wanderwellenbasierter Leitungsmodelle verfolgt. Zum
Überbrücken des Übergangs zwischen der Zeiger- und Momentanwertdomäne
werden in der Arbeit Transformationen sowie Korrektur- und Filtermethoden
realisiert, implementiert und analysiert.
Um die Verwendbarkeit, Präzision und Leistungsfähigkeit der Co-Simulation
nachzuweisen, werden stufenweise komplexere Modelle in Szenarien aufgebaut
und dazu Simulationen durchgeführt. Initial werden die Koppelstellen in einem begrenzten Modell Störungen ausgesetzt.
Der Einfluss von Netzeigenschaften auf die Koppelstellen wie beispielsweise
Kurzschlussleistung und Impedanzverhältnis stellt dabei eine
Analysebasis dar, um geeignete Möglichkeiten der Parametrierung für einen
späteren Einsatz in einem ausgedehnten Netz zu finden. Dabei werden die
Basisvarianten sowohl innerhalb der Domäne (also jeweils zeiger- und momentanwertbasiert)
als auch domänenübergreifend beleuchtet. Darauf aufbauend
werden die Modelle in einer zweiten Stufe komplexer nachgebildet. Dies
beinhaltet auf der einen Seite die Nutzung mehrerer Koppelstellen und auf
der anderen Seite die Verwendung verschiedener Domänen innerhalb des
gekoppelten Simulationsmodells.
In einem dritten Schritt werden die bisher gewonnenen Erkenntnisse in einem
ausgedehnten Simulationsnetz angewandt. Das dazu verwendete IEEE Nordic
Test System wird in vier Zeitschritten mittels zweier Domänen und entsprechenden
Programmen auf einem System abgebildet. Als Referenz werden
dabei die bestehenden monolithischen Basisfälle herangezogen.
Die Auswertung der Rechenergebnisse des Modells zeigt dabei die numerische
Stabilität der Koppelmethoden im Vergleich auf. Eine für die Art der Koppelmethode,
der betrachteten Störung und der Domäne optimale Koppelstelle
wird dann vorgeschlagen. Der Vergleich hinsichtlich der Präzision im numerischen
Sinne ermöglicht die Abschätzung des Mehrwertes der Co-Simulation
hinsichtlich der zu erwarteten Ergebnisse. Mittels der Co-Simulation ist auch
die parallele Abarbeitung der Rechnungen und damit die Nutzung mehrerer
Prozessoren möglich. Dies bewirkt eine Optimierung von Simulationszeiten
bei gleichzeitiger Erweiterung des simulierten Netzes hinsichtlich der
Detailtiefe oder Ausdehnung des Modells.
Die Arbeit zeigt, dass die Co-Simulation eine effektiv anwendbare Lösung für
die bessere Ausnutzung limitierter Simulationsressourcen ist.
APA:
Scheibe, C. (2025). Co-Simulation elektrischer Energiesysteme mit kommerziellen Programmsystemen: Architektur, Methodik und Anwendungen (Dissertation).
MLA:
Scheibe, Christian. Co-Simulation elektrischer Energiesysteme mit kommerziellen Programmsystemen: Architektur, Methodik und Anwendungen. Dissertation, Erlangen-Nürnberg: FAU University Press, 2025.
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