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Ability of Black-Box Optimisation to Efficiently Perform Simulation Studies in Power Engineering
(2023)
In this study, the potential of the so-called black-box optimisation (BBO) to increase the efficiency of simulation studies in power engineering is evaluated. Three algorithms ("Multilevel Coordinate Search"(MCS) and "Stable Noisy Optimization by Branch and Fit"(SNOBFIT) by Huyer and Neumaier and "blackbox: A Procedure for Parallel Optimization of Expensive Black-box Functions"(blackbox) by Knysh and Korkolis) are implemented in MATLAB and compared for solving two use cases: the analysis of the maximum rotational speed of a gas turbine after a load rejection and the identification of transfer function parameters by measurements. The first use case has a high computational cost, whereas the second use case is computationally cheap. For each run of the algorithms, the accuracy of the found solution and the number of simulations or function evaluations needed to determine the optimum and the overall runtime are used to identify the potential of the algorithms in comparison to currently used methods. All methods provide solutions for potential optima that are at least 99.8% accurate compared to the reference methods. The number of evaluations of the objective functions differs significantly but cannot be directly compared as only the SNOBFIT algorithm does stop when the found solution does not improve further, whereas the other algorithms use a predefined number of function evaluations. Therefore, SNOBFIT has the shortest runtime for both examples. For computationally expensive simulations, it is shown that parallelisation of the function evaluations (SNOBFIT and blackbox) and quantisation of the input variables (SNOBFIT) are essential for the algorithmic performance. For the gas turbine overspeed analysis, only SNOBFIT can compete with the reference procedure concerning the runtime. Further studies will have to investigate whether the quantisation of input variables can be applied to other algorithms and whether the BBO algorithms can outperform the reference methods for problems with a higher dimensionality.
The growing importance of renewable generation connected to distribution grids requires an increased coordination between transmission system operators (TSOs) and distribution system operators (DSOs) for reactive power management. This work proposes a practical and effective interaction method based on sequential optimizations to evaluate the reactive flexibility potential of distribution networks and to dispatch them along with traditional synchronous generators, keeping to a minimum the information exchange. A modular optimal power flow (OPF) tool featuring multi-objective optimization is developed for this purpose. The proposed method is evaluated for a model of a real German 110 kV grid with 1.6 GW of installed wind power capacity and a reduced order model of the surrounding transmission system. Simulations show the benefit of involving wind farms in reactive power support reducing losses both at distribution and transmission level. Different types of setpoints are investigated, showing the feasibility for the DSO to fulfill also individual voltage and reactive power targets over multiple connection points. Finally, some suggestions are presented to achieve a fair coordination, combining both TSO and DSO requirements.
Operators of production plants are increasingly emphasizing secure communication, including real-time communication, such as PROFINET, within their control systems. This trend is further advanced by standards like IEC 62443, which demand the protection of realtime communication in the field. PROFIBUS and PROFINET International (PI) is working on the specification of the security extensions for PROFINET (“PROFINET Security”), which shall fulfill the requirements of secure communication in the field.
This paper discusses the matter in three parts. First, the roles and responsibilities of the plant owner, the system integrator, and the component provider regarding security, and the basics of the IEC 62443 will be described. Second, a conceptual overview of PROFINET Security, as well as a status update about the PI specification work will be given. Third, the article will describe how PROFINET Security can contribute to the defense-in-depth approach, and what the expected operating environment is. We will evaluate how PROFINET Security contributes to fulfilling the IEC 62443-4-2 standard for automation components.
Two of the authors are members of the PI Working Group CB/PG10 Security.
With the use of an energy management system in an industrial company according to ISO 50001, a step-by-step increase in energy efficiency can be achieved. The realization of energy monitoring and load management functions requires programs on edge devices or PLCs to acquire the data, adapt the data type or scale the values of the energy information. In addition, the energy information must be mapped to communication interfaces (e.g. based on OPC UA) in order to convey this energy information to the energy management application. The development of these energy management programs is associated with a high engineering effort, because the field devices from the heterogeneous field level do not provide the energy information in standardized semantics. To mitigate this engineering effort, a universal energy data information model (UEIM) is developed and presented in this paper.
Einfluss des Akkus auf den Servicegrad von automatischen stationsbasierten Pedelec-Vermietsystemen
(2019)
Pedelecs sind in den letzten Jahren zu einem wichtigen Baustein der deutschen Elektromobilitätswende geworden. Durch den Einsatz von Pedelecs in automatischen stationsbasierten Vermietsystemen im urbanen Raum ist eine Verkehrsalternative gegeben, die den Autoverkehr in Städten entlasten kann. Die Kundenzufriedenheit solcher Vermietsysteme wird über den Servicegrad bewertet und bildet das Verhältnis von zufriedenen Kunden zur Anzahl potentieller Kunden ab. Der Servicegrad kann dabei von verschiedenen exogenen und endogenen Faktoren beeinflusst werden. Die Untersuchung beschäftigt sich mit der Frage, ob es sich bei dem Akku um einen weiteren Einflussfaktor handelt. Um die Auswirkungen auf den Servicegrad durch den Akku zu analysieren, werden zunächst mögliche Betriebs- und Ladekonzepte von Pedelec-Vermietsystemen dargestellt. Darauf aufbauend wird ein automatisches stationsbasiertes Pedelec-Vermietsystem definiert, welches in der nachfolgenden Untersuchung betrachtet wird. In diesem Zusammenhang wird der Servicegrad speziell für Pedelec-Vermietsysteme definiert und für die Untersuchung relevante Einflussfaktoren identifiziert. Über eine Modellentwicklung werden Rahmenbedingungen des betrachteten Vermietsystems festgelegt und die Beziehungen der identifizierten Einflussfaktoren untereinander visuell und anhand von Formeln dargestellt. Anschließend wird das Modell in eine Simulationsumgebung überführt, um den Servicegrad in verschiedenen Szenarien zu bewerten. Modellrelevante Eingangsgrößen werden hierbei auf Basis von vorhandenen Daten aus bestehenden Vermietsystemen und analysierten Fahrdaten quantifiziert und in das Modell integriert. Das Ladeverhalten bei verschiedenen Ladeströmen des in der Untersuchung betrachteten Akkus wird experimentell bestimmt und über den Verlauf des State of Charge ebenfalls modelliert. Hierdurch wird der Einfluss einer Schnelllademöglichkeit auf den Servicegrad analysiert. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass der Akku des Pedelecs einen weiteren Faktor darstellt, der zusätzlich für unzufriedene Kunden verantwortlich sein und den Servicegrad von automatischen stationsbasierten Pedelec-Vermietsystemen reduzieren kann. Insbesondere bei hochfrequentierten Stationen wird der Servicegrad durch den Einfluss des Akkus reduziert. Die Auswirkungen können durch die Erhöhung des Energieinhaltes des Akkus, die Anpassung des minimal notwendigen State of Charge sowie die Steigerung des Ladestroms minimiert werden. Das Verbesserungspotential dieser Maßnahmen steigt mit Zunahme der Mietdauer und der durchschnittlichen Akkuleistung. Langfristig betrachtet ist insbesondere für hochfrequentierte Stationen die Anschaffung von zusätzlichen Pedelecs einer Erhöhung des Ladestroms vorzuziehen, da die Steigerung des Servicegrades durch diese Maßnahme höher ausfällt.
Die Problematik der aktuell batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge liegt in der geringen Reichweite, einem geringen Fahrtgastkomfort, sowie den langen Ladezeiten und einer nicht ausreichenden Ladeinfrastruktur. Diese Tatsachen stellen für die Nutzer eine Hürde für den Umstieg zu batteriebetriebenen Fahrzeugen dar. Eine schon heute verfügbare Brückentechnologie ist der Range Extender. Diese, meist im Fahrzeug integrierten Einheiten, liefern zusätzliche Reichweite, bei einer elektrischen Leistung von meist über 15 kWel und einem durchschnittlichen Anlagenwirkungsgrad von Ƞ RE ≈ 29 %. In dieser Arbeit wird ein modulares Konzept eines erweiterten Range Extenders untersucht, welches die Funktion der Kraft-Wärme-Kopplung und Kraft-Kälte-Kopplung nutzt. Diese Hilfseinheit soll zum einen den Nachteil der geringen Reichweite aufgrund der eingeschränkten Batteriekapazitäten, zum anderen den geringen thermischen Innenraumkomfort von batteriebetriebenen Fahrzeugen ausgleichen. Das Konzept einer Kraftwärme/-kältekopplung zur Klimatisierung von BEV wird in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe eines Versuchsaufbaus messtechnisch und theoretisch mittels Simulation untersucht, sowie anhand der ermittelten Kennfelder beurteilt. Die Simulation basiert dabei auf empirisch ermittelten Daten. In den gewählten Fahrzeugklassen Kleinstwagen, Kompakt- und Mittelklasse wird der mittlere Gesamtwirkungsgrad der Anlagenkomponenten in Abhängigkeit von Klimadaten (Wetterdaten) bestimmt. Dieser ermittelte Wirkungsgrad ist abhängig von äußeren thermischen Anforderungen und der Ausnutzung der Anlagenkomponenten. Der modulierbare Leistungsbereich des mikro Blockheizkraftwerks mit Kraft-Kälte-Kopplung hat zum Heizen einen thermischen Leistungsbereich von 5,7 – 13,0 kWthh. Der mechanische Leistungsbereich von 2,0 - 14,5 kWme wird in zwei Bereiche aufgeteilt. Zur Kühlung wird ein thermischer Bereich von 1,0 – 7,0 kWthk und zur elektrischen Stromerzeugung ein Leistungsbereich von 1,0 – 6,0 kWel verwendet. Basierend auf den in dieser Arbeit experimentell ermittelten Kennfeldern, die unter Berücksichtigung der lokalen klimatischen Bedingungen in Deutschland berechnet wurden, kann der Anlagenwirkungsgrad für Kleinstwagen mit Ƞ Kl = 58,9 ± 3,5 %, für die Kompaktklasse mit Ƞ Ko = 62,2 ± 5,5 % und für die Mittelklasse mit durchschnittlich Ƞ Mk = 65,2 ± 4,8 % ermittelt werden. Die zusätzlich gewonnenen Reichweiten, die durch Einsparung von batterieelektrischer Energie für die Klimatisierung und durch Einspeisung von erzeugter elektrischer Energie erreicht werden, liegen bei den Kleinstwagen bei 246 ± 31 km, in der Kompaktklasse bei 296 ± 103 km und in der Mittelklasse bei 314 ± 104 km. Eine Abtrennung des Klimakompressors von der Verbrennungskraftmaschine führt dabei zusätzlich zu einer teilweisen Verbesserung der ermittelten Werte. Im Vergleich dazu, lässt sich ein durchschnittlicher Reichweitenzuwachs von 103 km, ohne den Einsatz eines Kraftstoffes, nur durch Nutzung eines effizienteren Systems erreichen, wenn eine Wärmepumpe eingesetzt wird. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der Einsatz der Kraftwärme -Kältekopplung zur Klimatisierung von Elektrofahrzeugen nachhaltig und sinnvoller erscheint, als der Einsatz eines konventionellen Range Extender, denn der Einsatz eines zusätzlichen Kraftstoffes sollte so effizient wie möglich genutzt werden.
Big-Data-Datenplattformen werden immer beliebter, um große Datenmengen bei Bedarf analysieren zu können. Zu den fünf gängigsten Big-Data-Verarbeitungsframeworks gehören Apache Hadoop, Apache Storm, Apache Samza, Apache Spark, und Apache Flink. Zwar unterstützen alle fünf Plattformen die Verarbeitung großer Datenmengen, doch unterscheiden sich diese Frameworks in ihren Anwendungsbereichen und der zugrunde liegenden Architektur. Eine Reihe von Studien hat sich bereits mit dem Vergleich dieser Big-Data-Frameworks befasst, indem sie sie anhand eines bestimmten Leistungsindikators bewertet haben. Die IT-Sicherheit dieser Frameworks wurde dabei jedoch nicht betrachtet. In diesem Beitrag werden zunächst allgemeine Anforderungen und Anforderungen an die IT-Sicherheit der Datenplattformen definiert. Anschließend werden die Datenplattform-Konzepte unter Berücksichtigung der aufgestellten Anforderungen analysiert und gegenübergestellt.
Mit der Anwendung der Norm ISO 50001 und der einhergehenden Einführung eines Energiemanagementsystems (kurz EnMS) kann eine sukzessive Erhöhung der Energieeffizienz erreicht werden. Zur Umsetzung von Energie-Monitoring- oder Standby-Management-Funktionalitäten müssen Energiedaten in der Feldebene bereitgestellt werden und auf Edge-Devices oder SPSen mittels eines Energiemanagement-Programms ggf. im Datenformat angepasst, skaliert und auf eine etablierte Kommunikationsschnittstelle (z.B. basierend auf OPC UA- oder MQTT) abgebildet werden. Die Erstellung dieser Energiemanagement-Programme geht mit einem hohen Engineering-Aufwand einher, denn die Feldgeräte aus der heterogenen Feldebene stellen die Energiedaten nicht in einer standardisierten Semantik bereit. Um diesem Engineering-Aufwand entgegenzuwirken, wird ein Konzept für ein universelles Energiedateninformationsmodell (kurz UEDIM) vorgestellt. Dieses Konzept sieht die Bereitstellung der Energiedaten an das EnMS in einer semantisch standardisierten Form vor. Zur weiteren Entwicklung des UEDIM wird im Beitrag näher untersucht, in welcher Form Energiedaten in der Feldebene bereitgestellt werden können und welche Anforderungen für das UEDIM aufzustellen sind.
This paper reflects the content of the presentation “The Next Generation: Ethernet-APL for Safety Systems” at the NAMUR Annual General Meeting 2022. It deals with the use of the Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) in combination with the PROFINET/PROFIsafe protocol for safety applications. It describes the virtues of the digital communication between the field and safety system. In parallel the aspect of OT security for this use case is touched as well. The paper proposes a secure architecture, where safety- and non-safety field communications are still separated. At the end a set of requirements for the development of future APL devices is described.
