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Frühzeitiges Erkennen von Anomalien im Stromnetz mit PSIdetect

Anomalien im Stromnetz
Alles gut im Netz? Mit PSIdetect lassen sich Anomalien im Stromnetz zu einem sehr frühen Zeitpunkt erkennen, so dass die Leitwarte proaktiv eingreifen und Netzstörungen vermeiden kann. (Bild: Timo Großjohann)

KI-basierte Software spürt Anomalien im Stromnetz auf, wenn die Probleme noch unter dem Radar liegen

Die Zeiten, als „Spannung“ im Stromnetz eine rein physikalische Bedeutung hatte, sind vorbei. Spätestens seit Lektüre des Thrillers „Blackout“ von Marc Elsberg wissen wir, wie „anspannend“ die Arbeit der Netzbetreiber heute ist. Die Gefahr, dass aus der Fiktion Realität wird, scheint größer denn je. Dabei bedarf es gar nicht einmal eines Hackerangriffs, um den Thrill- und Stresspegel in den Leitwarten steigen zu lassen. Für die Stromnetze ist es schon Herausforderung genug, dass immer mehr volatile dezentrale Erzeuger angeschlossen werden und durch Elektromobile und Wärmepumpen auch auf der Abnehmerseite Konstanz und Berechenbarkeit vergangener Tage schwinden. Das Beherrschen veränderliche Last- und Betriebsszenarien erfordert eine Überwachung der Betriebsmittel in Echtzeit. Nur so ist es möglich, schnell und gezielt auf aktuelle Störungen zu reagieren, und Gefahren, die sich schleichend anbahnen, proaktiv entgegenzutreten.

Systematische Netzüberwachung

Genau das unterstützt PSIdetect von der PSI Software AG, eine neue Software speziell für Netzbetreiber. Die vom PSI-Geschäftsbereich Elektrische Energie in Zusammenarbeit mit E.ON entwickelte Lösung ermöglicht das frühzeitige Erkennen von Anomalien im Stromnetz. Dabei kommt Qualicision-basierte Künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz. Mit PSIdetect wird erstmals eine systematische Netzüberwachung möglich. Aktuell ist es für die Detektion von Anomalien bei Einspeisern und in Transformatoren sowohl separat als auch im Systemkontext im Einsatz.

Anomalien im StromnetzSchauen wir genauer hin: Die elektrotechnischen Messdaten, mit denen PSIdetect arbeitet, werden aus dem Leitsystem bezogen. „Um PSIdetect anzulernen, werden Trainingsdaten wie historische und synthetisch erzeugte Daten sowie während des Betriebs aktuelle Prozess- und Wetterdaten benötigt“, erläutert Stefan Dalhues (Bild), Researcher Grid Operations bei der PSI Software AG. „Mit diesen Daten wird permanent ein Soll-Zustand ermittelt und mit dem Ist-Zustand verglichen.“

Ampel bietet schnellen Überblick

Die Software errechnet dabei automatisch einen Anomalie-Score, der den Zustand eines Betriebsmittels oder Systems anzeigt. Gerät beispielsweise etwas in Schwingung oder erhitzt sich, wo es nicht schwingen oder sich erhitzen sollte? Auf Basis eines permanenten Abgleichs mit historischen Daten und definierter Schwellwerte erkennt PSIdetect schon minimale Veränderungen und Abweichungen und zeigt diese an. Eine Ampel macht die Lage auf den ersten Blick einschätzbar, indem sie drei Zustände anzeigt. 1 (= grün) symbolisiert einen perfekt funktionierenden Betrieb bzw. Zustand. 0 (= Gelb) bedeutet eine schwache Anomalie bzw. sich potenziell anbahnende technische Probleme. -1 (= Rot) steht für eine starke Anomalie bzw. eine vorliegende Störung. PSIdetect erzeugt automatisiert Meldungen und sendet diese an den Systemführer in der Netzleitwarte.

Anomalien im Stromnetz

Anomalien im Stromnetz schnell erkennen: Dashboard-Übersicht von PSIdetect mit Ampelfunktion. (Bilder: PSI)

Nachdem eine Anomalie erkannt und dem Personal in der Leitwarte gemeldet wurde, startet die konkrete Analyse. Wurde der aus der Reihe tanzende Sensorwert korrekt gemessen oder ist der Sensor defekt und hat quasi einen Fehlalarm ausgelöst? Wurde ggf. bei einer Umbaumaßnahme ein Wert falsch parametriert? Wurde ein Betriebsmittel manipuliert? Oder liegt ein exotischer Netzzustand vor, weil eine außergewöhnliche Außensituation eingetreten ist, etwa eine Sonnenfinsternis. „Im Prinzip kann man sich an einem Entscheidungsbaum entlanghangeln, um die Ursache für die Abweichung systematisch einzugrenzen“, erläutert Dalhues. Hilfreich sei ferner ein Abgleich mit dem Betriebsprotokoll des Leitsystems.

Eintrittswahrscheinlichkeit von Zuständen und Mustererkennung

Was leistet die KI bei der Detektion von Anomalien? „Wir berücksichtigen zwei Aspekte in unserer KI“, so Dalhues. „Zum einen führt die Software eine physikalische Bewertung des aktuellen Betriebszustandes durch, etwa bei einem Trafo. Dafür ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Oberspannungsseite des Transformators hinterlegt. Also: Welche Messwerte sind typischerweise zu erwarten? So lässt sich ermitteln, wie wahrscheinlich ein Betriebszustand ist. Wenn ein Ausreißer gemessen wird, kann man seine Eintrittswahrscheinlichkeit bewerten. Dies kann für mehrere Dimensionen parallel geschehen: Spannung, Wirkleistung, Blindleistung usw. Die Parameter kann man ins Verhältnis zueinander setzen und so eine umfassende Bewertung durchführen. Andererseits ist die Software in der Lage, Muster zu erkennen, sprich zeitliche Verläufe zu vergleichen und dadurch auf schleichende Veränderungen hinzuweisen.“

Doch PSIdetect bietet noch mehr: Jede Anomaliesuche erhält automatisch einen Zeitstempel, um Verläufe transparent zu machen. Auf einer Netzkarte wird die ermittelte Anomalie geographisch verortet, sodass Netzführer sofort im Bilde sind, wo ggf. Netztechniker hinfahren und ein technisches Problem beheben müssen. Wenn das System angeschlagen hat, kann sich das Leitwartenpersonal diverse Details anschauen, etwa eine Auflistung aller Betriebsmittel, die für die Anomalieerkennung überwacht werden. Aktuelle Anomalie-Scores werden ebenso angezeigt wie statistische Daten, um Zustände besser einordnen zu können.

Individuelle Parametrierung

Die PSI-Software kann nach individuellen Sensitivitätseigenschaften parametriert werden. Das heißt, Benachrichtigungen können schon bei geringeren Schwellwerten erzeugt werden, nicht erst bei -1. Das System insgesamt kann ein- und ausgeschaltet werden, etwa bei einer Großstörung im Netz, um zu vermeiden, dass unnötig Fehlermeldungen generiert werden. Das Training der KI erfolgt im Regelfall zyklisch, kann aber auch manuell angestoßen werden, wenn etwa eine große PV-Anlage neu im Netz ist und dadurch starke Effekte für die Netzführung zu erwarten sind.

PSIdetect bietet eine spezifische Benutzeroberfläche und ist vollständig in die Java-basierte PSI-Plattform integriert. Darüber erhalten Administratoren im Back Office, Service-Mitarbeiter und Systemadministratoren Netzzustands- und Anomalie-Informationen und können Parametrierungen vornehmen.

Baustein für Erfüllung des IT-Sicherheitsgesetzes

„Mit PSIdetect werden relevante Abweichungen im Stromnetz, d. h. Anomalien, die auf mögliche Angriffe, technische Defekte oder sonstige Einflüsse zurückzuführen sind, sicher erkannt“, resümiert Stefan Dalhues. „Dies ermöglicht frühestmöglich einen schützenden Eingriff und steigert so die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Stromversorgung.“ Damit ist die Software auch ein wichtiger Baustein für die Erfüllung des IT-Sicherheitsgesetzes, das Netzbetreibern ab Mai 2023 den Einsatz einer Anomaliedetektion für die Leitsystemebene vorschreibt. Zielgruppe sind alle Netzbetreiber mit vorhandenen geeigneten Messdaten. Dabei kann es sich um Stadtwerke, Verteilnetz- oder Übertragungsnetzbetreiber handeln. Auch in Areal- bzw. Industrienetzen kann PSIdetect eingesetzt werden.

Über PSI Software AG
Als unabhängiger Softwarehersteller ist die PSI Software AG seit 1969 Experte für Prozesssteuerungs- und Informationssysteme. Weltweit stehen PSI-Softwareprodukte für eine sichere und effiziente Energieversorgung sowie für optimierte Produktions- und Logistikprozesse.
Der Geschäftsbereich PSI Energie EE bietet Systeme für die Überwachung und Steuerung aller Energienetze, die Optimierung des Asset Service (Entstör-, Instandhaltungs- und Krisenmanagement) sowie Systeme zur Erreichung eines Höchstmaßes an Automatisierung im liberalisierten Energiemarkt.
www.psi.de
www.psienergy.de

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