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Lastgang eines Haushaltes über eine Stunde [Farinaccio, 1999]
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In diesem Kapitel werden zunächst die Grundlagen, die für die Simulation von Lastgängen nötig sind, dargestellt. Nach einer allgemeinen Erklärung des Lastgangs werden die Eigenschaften der Prognose des Energieverbrauchs vorgestellt und auf ihre Eignung zur Nachbildung eines Lastverlaufs privater Haushalte hinsichtlich der Bewertung von Analysemethoden hin untersucht. Im Weiteren werden verschieden Möglichkeiten der Lastgangüberwachung vorgestellt. Auf die Problematik der Zeitdiskretisierung von Kennlinien und die damit einhergehende Glättung wird am Ende eingegangen.
Der elektrische Lastgang stellt den Verlauf des elektrischen Energieverbrauchs über die Zeit dar. Dabei wird die gemessene elektrische Arbeit in einer vorgegebenen Abtastperiode als Last über die Zeit aufgetragen. Diese aufgetragenen Werte zeigen die über die Abtastzeit gemittelte Leistung. Somit handelt es sich bei einer Lastganglinie nicht um eine zeitkontinuierliche Funktion, sondern um eine Folge von zeitdiskreten Leistungswerten. Durch die Mittelung der Leistung ergibt sich eine von der Dauer der Abtastperiode abhängige Glättung, auf deren Problematik in Kapitel 2.4 näher eingegangen wird. In dieser Arbeit wird die Abtastzeit als variable Vorgabe für die Simulation beschrieben. Der Lastgang kann den Verbrauch eines einzelnen Elektrogerätes oder die Leistungsaufnahme mehrerer Endgeräte darstellen. Im privaten Haushalt setzt er sich aus verschiedenen Verbrauchern mit den unterschiedlichsten Energieaufnahmeverhalten zusammen. Dabei addieren sich die einzelnen Leistungen der Geräte zum Gesamtenergieverbrauch des Haushaltes. In Abbildung 2.1 ist zu erkennen, wie sich die Gesamtleistung aus den einzelnen Leistungsaufnahmen der Elektrogeräte zusammensetzt.
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Ein großes Feld der Lastgangsimulation befasst sich mit der Prognose des elektrischen Energieverbrauchs im kurz- bzw. langfristigen Zeitbereich. Zur Vorhersage werden gemessene Lastgänge mit statistischen Methoden und Wahrscheinlichkeitsberechnungen auf den geforderten Zeitbereich übertragen [Piller, 1980]. Dabei geht es nicht um die Genauigkeit dieser Lastgänge, sondern viel mehr darum, dass man hinreichende Informationen darüber erhält, wie sich der Energiebedarf in der zu untersuchenden Zeit verhält. Diese Informationen werden hauptsächlich dazu benötigt, den Energieerzeugern eine Hilfestellung zu geben, die benötigte Energie an einem zukünftigen Zeitpunkt auch bereitstellen zu können. Auch werden an Hand dieser Prognosen unter Einbeziehung der verschiedenen Einsparpotentiale der zukünftige Energiebedarf und damit die Energiepolitik bestimmt. Diese Prognosen werden meist auf größere Verbraucher-Strukturen wie z. B. Wohngebiete, Hochspannungsnetzbereiche o. ä. angewendet. Damit wird die Leistung in einem Diagramm mit einer geringen Auflösung dargestellt.
Bei den Prognosen für die Betriebsplanung haben sich die Zeitintervalle der diskreten Leistungswerte in einer Größenordnung von 15min bis 1h durchgesetzt [Röllinger, 1980]. Durch diese große Abtastperiodendauer wird die aufgenommene Leistung in der Abbildung stark geglättet und die, für eine Analyse möglicherweise wichtigen Einzelheiten, können nicht nachvollzogen werden.
Durch die geringe Auflösung der Leistungswerte und die relativ großen Zeitintervalle genügen die Simulationsmodelle in der Genauigkeit nicht den Ansprüchen einer Lastgangsimulation privater Haushalte, wenn diese auch zur Bewertung von Methoden der Lastüberwachung und Geräteerkennung benutzt werden soll. Dabei ist es notwendig die Zeitintervalle der zeitdiskreten Leistungswerte variabel wählen zu können und evtl. bis auf eine Intervalllänge von 5 Sekunden oder noch kleiner einzustellen [Hoberg, 2001].
Bei der Lastüberwachung wird der Gesamtenergieverbrauch auf die einzelnen Endgeräte hin untersucht. Dabei sind die Ein- und Ausschaltzeit, die Ein- und Ausschaltdauer, die Leistungsaufnahme und damit der Energieverbrauch der Geräte von besonderem Interesse. Zur Aufnahme dieser Werte wird hauptsächlich zwischen zwei Systemen unterschieden. Zum einen in das Intrusive Appliance Load Monitoring (IALM) System und zum anderen in das Nonintrusive Appliance Load Monitoring (NALM) System [Hoberg, 2001].
Bei IALM Systemen werden an allen zu untersuchenden Endgeräten Sensoren angebracht, so dass alle Einzelbedarfswerte erfasst werden können. Diese Werte der einzelnen Geräte werden an eine Zentrale weitergeben. Die Weitergabe der Sensordaten kann mit einer Funkübertragung oder mit neu zu verlegenden bzw. mit schon vorhandenen Leitungen erfolgen. Dazu ist in jedem Fall ein nicht unerheblicher Aufwand zur Messwerterfassung erforderlich. Wegen der weit in die Privatsphäre der Haushaltsbewohner eingreifenden Montage wird dieses System "eindringende Lastüberwachung von Elektrogeräten" genannt.
Bei dem NALM System, der "nicht eindringenden Lastüberwachung von Elektrogeräten", werden unterschiedliche Messwerte mit Sensoren an der Schnittstelle des Haushaltes zum Stromnetz gemessen und mit geeigneten Methoden analysiert. Mit dieser Analyse ist es möglich, den Gesamtenergieverbrauch in die Lastverläufe der einzelnen Geräte zu unterteilen. Dabei wird z. B. der Lastgang auf Leistungssprünge und andere charakteristische Eigenschaften der einzelnen elektrischen Geräte untersucht und diesen zugeordnet. Der Lastgang eines privaten Haushaltes wird - wie bereits beschrieben - bei einem NALM System mit einem Messgerät an der Stromübergabestelle des Energieversorgungsunternehmens aufgenommen. Um diese Messwerte möglichst kostengünstig aufzunehmen, muss der Sensor mit wenig Arbeitsaufwand installiert werden können. Der Preis muss sich in einer für den Endverbraucher vertretbaren Region bewegen. Im privaten Haushalt bietet sich der Zählerplatz häufig als einzige sinnvolle Stelle im Haushalt an. Hier kann ein neuer leistungsfähiger oder fernauslesbarer Drehstromzähler mit Impulsausgang neu installiert werden oder eine Messtechnik auf den bereits vorhandenen Energiezähler aufgesetzt werden. Der Zähler misst die elektrische Arbeit in kWh. Um daraus die aufgenommene Leistung zu berechnen, benötigt man die Zeit, in der die Arbeit dem Netz entnommen wurde. Die neueren Elektrizitätszähler besitzen bereits einen Impulsgeber, der eine bestimmte Anzahl von Impulsen pro kWh ausgibt. Diese Impulse werden in einem genau definierten Abtastintervall gezählt und mit der Abtastzeit multipliziert. Daraus ergibt sich eine Folge von quantisierten Leistungswerten zu diskreten Zeitpunkten. Dieses Verfahren verursacht eine für die Analyse gewünschte Glättung des Lastgangs. Da die zu entwickelnde Simulation auch zur Kontrolle eines NALM Systems verwendet werden soll, werden im Folgenden die Probleme der Zeitdiskretisierung untersucht. Die Quantisierung der Leistungswerte wird bei der Simulation erst in einem abschließenden Schritt über den gesamten Lastgang berücksichtigt.
2.4 Die Zeitdiskretisierung von Kennlinien und ihre ProblematikDie Aufnahme von Leistungswerten zu diskreten Zeitpunkten erfolgt - wie bereits erwähnt - durch eine Mittelwertbildung der Leistung über eine festgelegte Abtastperiode. Der Verlauf der zeitdiskreten Folge ist abhängig vom Abtastzeitpunkt. Die Abbildung 2.2 zeigt am Beispiel der e-Funktion,
(Abb. 2.2 / 1. Diagramm), wie sich die Form dieser Folge von zeitdiskreten Leistungswerten durch unterschiedliche Startzeiten in einer Abtastperiode verändert. Es ist zu erkennen, dass die Kennlinie der zeitkontinuierlichen Funktion am besten wiedergegeben wird, wenn ihre Startzeit zu Beginn der Abtastperiode liegt (Abb. 2.2 / 2. Diagramm). Der maximale Leistungswert der e-Funktion verringert sich stark, wenn ihre Startzeit in der Mitte der Abtastperiode liegt (Abb. 2.2 / 3. Diagramm). Der erste und der zweite Wert der Folge sind dann in ihrem Leistungswert fast gleich. Durch Lage der Startzeit am Ende der Abtastzeit wird die Funktion noch relativ genau wiedergegeben (Abb. 2.2 / 4. Diagramm). Es ist aber zu erkennen, dass der letzte Leistungswert vor dem Startleistungssprung in der Folge nicht mehr bei Null liegt, sondern durch die Einbeziehung der e-Funktion über die ersten 0,1t in die Mittelwertbildung bei ca. 90 Watt liegt |
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Ein weiterer problematischer Gesichtspunkt bei der Zeitdiskretisierung ist die Glättung der Funktion in Abhängigkeit der Abtastperiodendauer. In Abbildung 2.3 sind drei Beispiele einer zeitdiskreten Folge der e-Funktion aus Abbildung 2.2 / 1. Diagramm mit verschiedenen Abtastzeiten dargestellt. Dabei ist die Startzeit der Funktion immer ideal gewählt, d. h. gleich der Startzeit der Abtastperiode. Es ist zu erkennen, dass die Glättung sich verstärkt, je kürzer die Dauer der Leistungsaufnahme im Verhältnis zur Abtastzeit ausfällt. Ist wie in dem 1. Beispiel die Abtastzeit TAbt= t (Abb. 2.3 / 1. Diagramm), so kann die Ausgangsfunktion noch erkannt werden. Dies ist bei einer Abtastzeit von TAbt= 2,5 t kaum noch möglich (Abb. 2.3 / 2. Diagramm). Sobald die Abtastperiode größer 2,5 t ist kann aus der zeitdiskreten Folge nicht mehr auf die e-Funktion geschlossen werden. Bei TAbt= 5 t ist nur noch ein konstanter Leistungswert von ca. 200 Watt zu sehen. |
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