Die Funktion „Optimal Power Flow“ (OPF) dient dazu, unter bestimmten Vorgaben die effizientesten Betriebsbedingungen für ein Stromnetz zu ermitteln. Sie berechnet optimale Generatorauslastungswerte und Knotenspannungssollwerte, um vordefinierte Ziele wie die Minimierung von Erzeugungskosten oder Wirkleistungsübertragungsverlusten zu erreichen. Der Optimierungsprozess unterliegt technischen und systemischen Einschränkungen, darunter Wechselstromflussgleichungen, Erzeugungskapazitätsgrenzen, zulässigen Knotenspannungsbereichen, thermischen Nennleistungen von Übertragungsleitungen und Einschränkungen beim Stromaustausch zwischen verschiedenen Gebieten. Im Betrieb unterstützt OPF die Netzbetreiber dabei, die Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den Energiefluss wirtschaftlich zu optimieren. Die Funktionalität ermöglicht die Simulation und Durchsetzung von Gerätebeschränkungen, unterstützt Spannungsprofilanpassungen und trägt zu sicheren Dispatch-Entscheidungen bei. Die Lösung der OPF-Optimierung wird in der Regel mit Hilfe nichtlinearer Optimierungstechniken, insbesondere primal-dualer Innenpunktmethoden, erreicht.
Algorithmen
Das Modul Optimal Power Flow (OPF) ist als hochflexibles Framework konzipiert, das sich an eine Vielzahl von betrieblichen Anforderungen anpassen lässt. Anstelle starrer Submodule ermöglicht NEPLAN den Benutzern die Konfiguration der OPF-Umgebung durch die Auswahl von Kontrollvariablen, Einschränkungen und Zielfunktionen, die Ihren spezifischen Zielen entsprechen. Funktionen wie Blindleistungsoptimierung und wirtschaftlicher Dispatch sind nahtlos integriert und können über eine einheitliche Schnittstelle angepasst werden. Alle OPF-Algorithmen basieren auf einer Wechselstrom-Energieflussmodellierung.
Beispielsweise kann die Blindleistungsoptimierung erreicht werden, indem die Wirkleistungserzeugung auf vordefinierte Werte festgelegt wird, die vom Benutzer vorgegeben oder aus geplanten Dispatch-Plänen abgeleitet werden kann. Das OPF passt dann die Blindleistungsquellen wie Generatorspannungssollwerte, Transformatorstufenschalter und Kompensationsgeräte an, um die Spannungsprofile zu optimieren und ausreichende Blindleistungsreserven im gesamten Netz aufrechtzuerhalten. Die wirtschaftliche Dispatch-Optimierung erfordert hingegen eine kostenbasierte Steuerung der Wirkleistungserzeugung, um eine effiziente Nutzung der Ressourcen unter Berücksichtigung der Systembeschränkungen zu gewährleisten.
Das Modul Security-Constrained Optimal Power Flow (SC-OPF) erweitert die Funktionen von OPF, indem es die N-1-Ausfallanalyse direkt in den Optimierungsprozess integriert. Es stellt sicher, dass der berechnete Betriebspunkt auch unter vordefinierten Ausfallszenarien, wie dem Ausfall einer Übertragungsleitung, eines Transformators oder eines Generators, sicher bleibt. Dieses Modul ist besonders interessant für Übertragungsnetzbetreiber, die die Zuverlässigkeit verbessern möchten, ohne die Wirtschaftlichkeit zu beeinträchtigen.
Das Modul „Multiperiod Optimal Power Flow (MOPF)” in NEPLAN erweitert die herkömmliche OPF-Analyse durch die Einbeziehung zeitgekoppelter Einschränkungen über mehrere Zeitintervalle hinweg. Damit können Anwender den Netzbetrieb über einen definierten Planungshorizont – von Minuten bis zu Tagen – simulieren und optimieren und dabei das dynamische Systemverhalten berücksichtigen. MOPF unterstützt die Modellierung von Energiespeichersystemen, einschließlich Batterielade-/Entladezyklen, Ladezustandsgrenzen und Einspeise-/Entnahmeeffizienzen. Es integriert auch Einschränkungen bei der Leistungsaufnahme, was eine realistische Planung konventioneller Einheiten mit begrenzter Flexibilität ermöglicht. Diese Funktionen sind für die Integration erneuerbarer Energien und den Systemausgleich unter variablen Bedingungen unerlässlich.
Alle OPF-Module lassen sich nahtlos in die grafische Benutzeroberfläche integrieren, sodass Anwender die Optimierungsergebnisse direkt im Netzdiagramm visualisieren können. Spannungsverletzungen, überlastete Elemente und bindende Einschränkungen werden deutlich hervorgehoben, was eine fundierte und effiziente Entscheidungsfindung unterstützt.
Ziele
• Minimierung von Verlusten
• Minimierung von Kosten der Wirk-/Blindleistung
• Minimierung der Kosten von Shunts und Transformatorstufen
• Minimierung der Wirkleistungskosten (statische Var-Systeme)
• Minimierung des Stromimports
• Minimierung von Grenzflüssen
• Minimierung von Transformatorflüssen
Steuerungsvariablen
• Aktive/reaktive Leistungen des Generators
• Transformator- und Shunt-Stufen
• Statische Var-Systeme
• HVDCs
Einschränkungen
• Grenzwerte der aktiven/reaktiven Leistung des Generators
• Grenzwerte der Zweigflüsse
• Grenzwerte der Knotenspannungsamplitude
• Grenzwerte der Grenzflüsse
• Kapazitätsgrenzen von Speichergeräten (MOPF)
• Generatorrampen (MOPF)
N-1-Notfallbeschränkungen (nur AC)
• Übertragungsleitungen
• Transformatoren
• Generatoren
• Shunts
• Lasten
• Statische Var-Systeme
Ergebnisse
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Ergebnisse einer Berechnung anzuzeigen und zu analysieren, ähnlich wie bei Lastflussberechnungen:
• Verletzte Elemente/Knoten werden hervorgehoben.
• Tabellenergebnisse können sortiert und gefiltert werden.
• Viele Visualisierungsoptionen verfügbar (Linienstärke, Heatmaps, Diagramme usw.)
• Rohdaten können in verschiedenen Formaten exportiert werden.