Die Entwicklungsarbeiten des Datensystems wurden aus Mitteln des Wissenschaftsministerium Nordrhein-Westfalen, alle anderen Arbeiten überwiegend durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert.

Der zu Beginn der Tätigkeiten für diese Dissertation vorgefundene Prototyp konnte die Richtigkeit der bis zu diesem Zeitpunkt erfolgten Entwicklungen zeigen; allerdings waren folgende Punkte noch nicht berücksichtigt:

Hauptziel der Arbeiten zu dieser Dissertation war die Weiterentwicklung des Prototyps zu einem Simulator, der das Training von Betriebsführern elektrischer Netze erlaubt. Es wurden also die folgenden Teilgebiete neu bearbeitet:

Weiteres Hauptziel dieser Dissertation ist die Integration

zu einem flexibel konfigurierbaren Gesamtsystem.

Zum letzten Punkt gehören das dreistufige Bildsystem, das Expertensystem für Schaltfolgen und Verriegelungen sowie die Meßwertarchivierung und -darstellung. Für diese Komponenten wird eine kurze Beschreibung in den Abschnitten 3.4.2 bis 3.4.4 gegeben.

3.3.2. Struktur des Gesamtsystems

Durch die Anwendung der im vorigen Abschnitt geschilderten Modultechnik wurde ein für die jeweilige Trainingsaufgabe in Soft- und Hardwarekomponeten flexibel konfigurierbarer Simulator geschaffen, wie in Bild 3.4 gezeigt ist.

Die Basis des Simulators stellen die Datenbank- und die Simulationskomponente dar. Sie laufen auf zwei Workstations ab. Der Bildschirm des dynamischen Modells wird als Traineroberfläche genutzt. An diese Basiskomponenten können - je nach Anforderung durch die Trainingsaufgabe - mehrere Schalt- bzw. Kraftwerksarbeitsplätze angeschlossen werden. Das Gesamtsystem ist auch auf nur einer Workstation ablauffähig. Allerdings sind durch die nicht mehr vorhandene Parallelisierung Performance-Einbußen hinzunehmen. In dieser Einfachkonfiguration wurden Planungsuntersuchungen mit dem Simulator durchgeführt [MOG-95].

Bild 3.4.: Grundstruktur des Simulators

Für die Netz- bzw. Kraftwerksoberfläche können folgende Submodule kombiniert werden:

Zur Nachbildung einer Bedienoberfläche für die Netzsteuerung können die Komponenten 1) bis 4) verwendet werden. Soll eine Kraftwerksleitstelle dargestellt werden, finden die Komponenten 3) bis 5) Verwendung. Gemeinsame Eigenschaft dieser Softwarebausteine ist die Tatsache, daß sie gleichzeitig parallel auf verschiedenen Workstations des Simulators ablauffähig sind. Somit kann jede für das Training relevante Wartenfunktion individuell für die Trainingsaufgaben auf dem Simulator nachgebildet werden. Von der Systemkonzeption her ist die Zahl der Netz- bzw. Kraftwerksoberflächen nicht begrenzt, wohl aber durch die Rechenleistung der derzeit am Fachgebiet verfügbaren Workstations.

Über die Nutzung der verschiedenen Konfigurationsmöglichkeiten wird in Kapitel 8 berichtet.

3.4.1. Netzdatensprache GDL

Die Netzdatensprache GDL (für Grid Data Language) verwendet für die Datenstrukturierung kein Tabellensystem, sondern eine Syntax. Dadurch wird es möglich, den Datenbestand und die Topologie eines Energieversorungsnetzes formatfrei unter Beachtung weniger syntaktischer und semantischer Regeln effizient zu beschreiben. Die Basis der GDL ist eine formalisierte Schaltsprache, die im Betrieb dazu verwendet wird, Personal vor Ort einen genau definierten Schaltbefehl zu erteilen. Hierbei werden zur Kennzeichnung des Zielobjekts hierarchische Ebenen verwendet. Oberste Ebene ist die Unterstation mit einer oder mehreren Schaltanlagen und gegebenenfalls Transformatoren. Darunter folgt die Schaltanlage, die sich aus mehreren Abgangsfeldern und einer oder mehrerer Sammelschienen zusammensetzt. Jedes Feld enthält mehrere Schaltgeräte, Meßwandler und Schutzeinrichtungen. Zur Identifizierung wird also ein vierstufiger Deskriptor verwendet. Um die einzelnen Deskriptorstufen voneinander unterscheiden zu können, wird eine bestimmte Folge von Sonderzeichen verwendet, wie in Tabelle 3.1 angegeben ist. Durch die Einführung von Kunstnamen für die einzelnen Deskriptorstufen wird die Möglichkeit eröffnet, beliebige von der Schaltsprache nicht erfaßte Objekte nach dem gleichen Schema zu behandeln.

Ebene	Bezeichnung	Kunstname	Sonderzeichen
1	Unterstation	Lokal	'''
2	Schaltanlage	Numeral	''
3	Feld/Sammelschiene	Partial	'
4	Schaltgerät	Spezies	[ ]

'''SUED''220'NORD_W[LS]

Die Abkürzungen werden innerhalb eines EVU definiert, um in Bildern, Protokoll-Darstellungen und Datenauflistungen Platz einzusparen; da sie vom Betriebsführer täglich verwendet werden, ist die Identifizierung der Lokation bzw. der Geräte durch ihre Abkürzung problemlos möglich [RUM-84]. Will man den Schaltgerätebestand eines Feldes angeben, ergibt sich folgende Auflistung:

'''SUED''220'NORD_W[ST1]		;;Sammelschienentrenner 1;;


'''SUED''220'NORD_W[ST2]		;;Sammelschienentrenner 2;;


'''SUED''220'NORD_W[FET1]		;;Felderdungstrenner 1;;


'''SUED''220'NORD_W[LS]			;;Leistungsschalter;;


'''SUED''220'NORD_W[FET2]		;;Felderdungstrenner 2;;


'''SUED''220'NORD_W[AT]			;;Abzweigtrenner;;


'''SUED''220'NORD_W[AET]		;;Abzweigerdungstrenner;;

In diesem Beispiel ist die Möglichkeit der Kommentierung ( „;;" am Anfang und Ende eines Kommentars) benutzt worden. Durch eine gekettete Schreibweise läßt sich die Übersichtlichkeit der Auflistung erhöhen und der Schreibaufwand erheblich reduzieren, indem nur die Teile des Deskriptors aufgeführt werden, die sich von Gerät zu Gerät ändern. Somit ergeben sich Geräteauflistungen innerhalb eines Feldes. Jedes Gerät wird mit einem Komma vom vorhergehenden Gerät getrennt.

'''SUED

''220

'NORD_W [ST1,ST2,FET1,LS,FET2,AT,AET]

'NORD_S [ST1,ST2,FET1,LS,FET2,AT,AET] ;;zweites Feld;;

In diesem Beispiel ist ein zweites Abgangsfeld hinzugefügt worden. Man erkennt, wie einfach man auf diese Weise den Gerätebestand eines Netzes mit einem Text- Editor auflisten kann. Mit identisch aufgebauten Deskriptoren lassen sich auch beliebige weitere Netzobjekte wie z.B. Transformatoren oder Leitungen, aber auch Meldungen und Meßwerte beschreiben und behandeln.

Um die Topologie, d.h. die Verbindungen der Geräte untereinander, im Text ausdrücken zu können, werden Zusatzdefinitionen getroffen. Dazu werden die Objektarten eines Netzes, im folgenden Spezies genannt, nach dem im Bild 3.5 gezeigt Schema klassifiziert. Zunächst unterscheidet man absolute und relative Spezies; letztere werden eingesetzt, um fakultativ weitere Eigenschaften einer absoluten Spezies (z.B. „Schaltgerät ist fernsteuerbar") zu beschreiben. Die absoluten Spezies werden weiter in topologisch relevante und topologisch nicht relevante Spezies differenziert. Die topologisch relevanten Spezies werden in topologische Klasse 1 (Reihenschaltung) sowie topologische Klasse 2 (Verzweigung) weiter unterteilt. Die Spezies der Klasse 2 enthalten als Kennzeichnung im Namen einen Schrägstrich; Erdungsschalter zählen ebenfalls zu den Spezies der Klasse 2.

Bild 3.5.: Speziesklassen der GDL

Mit Hilfe dieser Klassifizierung und einer vereinbarten Syntax wird durch die Reihenfolge der Spezies im Partial der topologische Aufbau des Feldes ausgedrückt. Außerdem werden für Verbindungen, die über die Partialgrenze hinausgehen, mehrere Sonderspezies mit Verweisen definiert, wie aus Tabelle3.2 ersichtlich ist:

Art	Name	Verwendungsbeispiele	Deskriptor-Stufen
anlagenübergreifend	PEC/Q	Leitungs-/ Trafoanschluß	4
anlagenintern	JUNx/V	Sammelschiene	2
anlagenintern	xxx/J	Sammelschienentrenner	1

Damit kann nun die Beschreibung der oben begonnenen Anlage erweitert werden:

'''SUED

''220

'SS1		[JUN1/V('NORD_S-ST1'NORD_W-ST1)]

'SS2		[JUN2/V('NORD_S-ST2'NORD_W-ST2)]

'NORD_S [ST1/J1,ST2/J2,FET1/,LS,FET2/,AT,AET/,

		PEC/Q('''LEILI''220'NORSUE_S-PEC1)]

'NORD_W [ST1/J1,ST2/J2,FET1/,LS,FET2/,AT,AET/,

		PEC/Q('''LEILI''220'NORSUE_W-PEC1)]

Im Beispiel erkennt man die Beschreibung der Sammelschienen in den Partialen SS1 und SS2 mit Hilfe der Standardspezies JUNn/V. Weiterhin sind die Anschlüsse der Leitungen PEC/Q('''LEILI...) aufgenommen worden.

Durch Einführung der Standardspezies TTT (Verzweigungspunkt) und EEE (Ende der Verzweigung) ist es möglich, nach Art von Klammeroperationen Verzweigungen höherer Ordnungen in einem Partial zu beschreiben. Weiterhin kann durch die Spezies SEPAR (Separation) eine nicht überbrückbare Trennung innerhalb eines Partials beschrieben werden, wie sie beispielsweise für die Beschreibung mehrerer Sammelschienenabschnitte in einem Sammelschienenpartial erforderlich ist.

Ein ASCII-Text, der alle Geräte mit allen topologischen Verbindungen eines Netzes enthält, wird als Netzbeschreibung bezeichnet. Auf diese Art und Weise ließ sich der Gerätebestand inkl. Topologie eines Netzes mit ca. 275 Unterstationen, 80 Kraftwerksblöcken und einer Gesamtlast von 12,8 GW mit einem Arbeitsaufwand von ca. 6 Mannwochen erfassen (vgl. 8.3).

Um nun für die verarbeitenden Programme diese Namen interpretierbar machen zu können, wird parallel zur Netzbeschreibung ein Diktionar angelegt, in dem durch Eintrag des Namens an eine bestimmte Position die in Bild 3.5 gezeigte Klassifizierung der Spezies vorgenommen wird. Dabei werden die topologisch relevanten Spezies weiter detailliert in Leistungsschalter, Lastschalter, Lasttrenner, Trenner, Erdtrenner, Sammelschienentrenner u.s.w. Auch spezielle Geräte wie Schaltwagen und kombinierte Trenner mit Erdtrenner können definiert werden.

Ziel der Beschreibung des Netzes ist es, eine für die Prozeßführung bzw. -simulation geeignete Datenbank zu erhalten. Dazu ist aber nicht nur die Existenz eines Schaltgeräts von Bedeutung, sondern auch der aktuelle Zustand (bei Schaltgeräten z. B. „ein" oder „aus"). Zu diesem Zweck werden für jede Spezies Attribute definiert. Viele Objekte im Netz können mehr als zwei Zustände annehmen. Dabei treten Gruppen von Zuständen auf, die einander ausschließen und in der Datenbank zusammenfassend codiert werden können. Ein Objekt kann jedoch mehrere solcher Zustandsgruppen beinhalten, in denen zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils ein Zustand existiert. In GDL wird dieses Faktum dadurch ausgedrückt, daß jeder Spezies ein Satz von potentiellen Attributen zugeordnet werden kann, der in Attributgruppen gegliedert ist. Der erste Zustand einer Attributgruppe wird als Grundzustand der Attributgruppe definiert. Alle potentiellen Attributsätze werden in der Attributliste definiert.

Manche Objekte weisen kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich veränderliche Zustände auf. Hierzu wurden in GDL Zahlattribute eingeführt, bei denen eine INTEGER-Codierung in einem 16 bit-Wort oder eine REAL-Codierung in zwei 16 bit-Worten möglich ist.

Unter Berücksichtigung dieser Tatsachen ergibt sich eine Schreibweise für die Attributliste, wie sie das folgende Beispiel zeigt:

101= (ZWI/AUS/EIN/STO)(QIT/-);

200=('NR);

304=(''MVA);

In der ersten Zeile sind die potentiellen Zustände eines Trenners codiert. Die erste Attributgruppe beschreibt den Schaltzustand des Geräts, in der zweiten Gruppe wird angegeben, ob der Betriebsführer diesen Zustand zur Kenntnis genommen hat ( QIT wie quittiert) oder nicht. In der zweiten Zeile findet man die Angabe einer INTEGER-Zahl (beispielsweise die Stufennummer eines Transformators), erkennbar an einem Apostroph vor dem Attributnamen. Der dritte Eintrag ist eine REAL-codierte Zahl (z.B. eines Meßwertes), erkennbar an den zwei Apostrophen vor dem Einheitennamen. Der Bereich, der in der Datenbank zur Ablage eines oder mehrerer Attributes zu einer Spezies dient, wird als Wertrahmen bezeichnet.

Die Korrespondenz zwischen Spezies und zugehörigen potentiellen Attributen wird über die Rahmen- und Belegungsnummer hergestellt, die zu Beginn einer jeden Attributdefinition und in jedem Spezieseintrag im Diktionar zu hinterlegen ist.

Die Beschreibung der Kraftwerksparameter erfolgt ebenfalls unter Verwendung von GDL, um die Daten mit Hilfe vorhandener Programme in die Datenbank einbringen und wieder auslesen zu können [LIT-90].

Die Quellbeschreibungen werden in einem Assemblierungsprozeß, der die Syntax der Quellform aufrecht erhält, in Kartuschen übersetzt (z.B. eine Kartusche pro Unterstation bzw. Kraftwerk) und für einen schnellen Zugriff mit Verzeigerungen auf jedes Partial versehen, die im Adreßflur hinterlegt wird. Anschließend werden die Kartuschen mit einem Datenbankmanager [TRA-89] in die Datenbank eingebracht. Außerdem werden Diktionar und Attributliste in eine Maschinenform assembliert [BÜS-88] und den Programmen zur Verfügung gestellt.

Um den Zugriff auf den Datenbankinhalt weiter beschleunigen zu können, ist die Datenbank hierarchisch gegliedert. Kartuschengruppen werden zu Regionen, Regionen zu Bankarten zusammengefaßt. Es sind insgesamt 255 Bankarten mit je maximal 15 Regionen erlaubt. So werden beispielsweise alle Kartuschen der Netzbeschreibung in der Region 1 der Bankart 1 hinterlegt, die Kraftwerksbeschreibungen in die Regionen 4 bzw. 5 derselben Bankart. Weitere Bankarten werden für die Einlagerung von Kartuschen benutzt, die nicht aus einem GDL-Text assembliert wurden, sondern applikationsspezifische Datenstrukturen aufweisen, wie z.B. automatisch erstellte Bilddaten und die Daten zur Versorgung des dynamischen Modells.

Durch generische und automatische Funktionen wird innerhalb von wenigen Minuten aus den Quelldaten eine prozeßfähige Datenbank aufgebaut, aus der in weiteren Initialisierungsschritten des Trainingssimulators die Prozeßoberflächen zusammengestellt werden und auf der schließlich die Betriebsfunktionen ablaufen.

3.4.2. Dreistufiges Bildsystem

Dem Schaltingenieur soll ein Bildsystem an die Hand gegeben werden, das zwei sich zunächst widersprechende Anforderungen erfüllt:

Der Widerspruch kann gelöst werden, indem zunächst ein Netzübersichtbild verwendet wird, das die Struktur des Netzes in Form von Leitungen und Unterstationen zeigt (siehe Bild 3.6 Teil a). In der Unterstation entstehen alle Meldungen und Ereignisse, auf die der Betriebsführer zu reagieren hat. Demzufolge können Markierungen in den vier Ecken des Unterstationssymbols (Rechteck) mit einer Sammelmeldung aus der Unterstation belegt werden. Das Übersichtsbild entsteht semi-automatisch, indem nur das Unterstationsrechteck auf dem Bildschirm interaktiv plaziert werden muß. Alle anderen Elemente (Kraftwerks- und Lastsymbole, Freileitungen und Kabel) werden automatisch in das Bild eingefügt. Auf diese Weise ist es möglich, die erste Forderung (Darstellung des gesamten Netzes) zu erfüllen.

Für Handlungen seitens des Betriebsführers ist die Darstellung der Schaltanlage in vollem Detail erforderlich. Die automatisch erzeugten Anlagenbilder werden auf Anforderung durch den Bediener dargestellt. Als Beispiel sei auf Bild 3.6 Teil c) verwiesen. In der unteren rechten Ecke ist das Schaltfenster dargestellt, mit dessen Hilfe der Bediener Schalt- und Steuerbefehle formulieren kann. Es erscheint nach Anwahl eines Schaltgeräts durch Mausklick.

Weitere Entwicklungen auf diesem Gebiet betreffen die Knotenpunktsdarstellung, die eine Verbindungsebene zwischen Übersichtsbild und Anlagenbild darstellt. Auf Mausklick hin wird statt des Unterstationsrechtecks eine Darstellung in höherer Detaillierungsstufe (vgl. Bild 3.6 Teil b) in das Übersichtsbild eingebettet. Der für die Knotenpunktsdarstellung benötigte zusätzliche Platz wird mittels einer elliptischen Expansion gewonnen.

Bild 3.6.: Hierarchie-Ebenen des dreistufigen Bildsystems

Expertensysteme versuchen, die menschliche Vorgehensweise bei der Lösung von Problemen nachzuahmen. Charakteristisch ist die Trennung von Wissen (in der Wissensbasis) und der Verarbeitung des Wissens (in der Inferenzmaschine) [KRO-92].

Die Erfahrungen im Einsatz der ersten Version des Verriegelungsprogramms [ABD-89] mündeten in einer Entwicklung eines Expertensystems [JU-96a], das auf Basis der Netzbeschreibung die folgenden Funktionen realisiert:

Sowohl topologische wie betriebliche Verriegelungen sind teilweise wieder aufhebbar, d.h. der Betriebsführer nimmt eine Warnung des Verriegelungsprogramms entgegen, kann aber den Schaltbefehl trotzdem an das Schaltgerät absetzen. Weitere betriebliche Bedingungen, die nicht aus der Netzbeschreibung ableitbar sind, können als Sonderregeln in die Wissensbasis eingebracht werden.

3.4.4. Meßwertarchiv und Meßwertdarstellung

Als Ersatz für in Warten installierte Meßwertschreiber wurde ein Meßwertarchiv mit zugehörigem Meßwertfenster entwickelt. Dieses System ermöglicht es sowohl dem Trainer als auch den Trainees, Meßwerte auszuwählen und ihren Verlauf über der Zeit anzuzeigen:

Das Meßwertfenster wird während der Trainingssitzung vom Trainee zur Anzeige des Frequenzverlaufs oder von Austauschleistungen benutzt. Außerdem kann es vom Trainer für die Beurteilung einer Trainingssitzung in einer Abschlußbesprechung verwendet werden, indem spezifische Werte (Frequenz, Spannungsband, wiederversorgte Last) über dem gesamten Zeitbereich einer Sitzung dargestellt werden.

In der Prototypversion (siehe Bild 3.3) gab es nur zwei Oberflächen: die Oberfläche „Netz" mit einer Schaltanlagenbild-Darstellung sowie die Traineroberfläche, über die gleichzeitig die Kraftwerksführung zu erledigen war. Damit war a priori festgelegt, welche Daten auf welcher Oberfläche zu erscheinen hatten.

In der neuen Struktur (vgl. Bild 3.4) sind mehrere Netz- und Kraftwerksoberflächen zu erkennen, die jeweils eine Netzleitstelle bzw. Kraftwerksleitstelle nachbilden. Damit ergibt sich die Aufgabe, die Bezirke, die von einer Leitstelle aus beobachtet und gesteuert werden, zu definieren und bestimmten Oberflächen zuzuordnen.

3.5.2. Lösungskonzept

Im Prinzip sind zwei Vorgehensweisen denkbar:

Für den hier behandelten Anwendungsfall weist der zweite Weg entscheidende Vorteile auf:

3.5.3. Realisierung

Für die verschiedenen Oberflächen wird die Vereinfachung getroffen, daß jeweils eine ganze Schaltanlage zugeordnet oder nicht zugeordnet werden kann. Es wird dabei in Kauf genommen, daß der Betriebsführer im Training an den Netzgrenzen unter Umständen mehr Information erhält als in der Realität. Damit kann die Beschreibung der Bezirke auf die ersten beiden Deskriptorteile verkürzt werden. Für die Zuordnung einzelner Kraftwerksblöcke zu einer Leitstelle genügt ebenfalls ein zweistufiger Deskriptor. Bild 3.7 zeigt die kommentierte Definition eines Netzbezirks, welcher der Leitstelle mit dem Namen NORD zugeordnet wird. Dabei werden die GDL-Sonderzeichen „?" (beliebig) und „\" (mit Ausnahme von) verwendet.

Diese Definitionen werden für mehrere Netzleitstellen in einer Datei zusammengefaßt und an zentraler Stelle gespeichert. Auf gleiche Weise werden in einer weiteren Datei die Kraftwerksblöcke beschrieben, die den jeweiligen Kraftwerksleitstellen zugeordnet werden.

TEILNETZ: "NORD"
'''?    ''400   ;; Alle Schaltanlagen 400 kV
'''?    ''230   ;; alle Schaltanlagen 230 kV

\'''CSA ''?     ;; mit Ausnahme dieser Schaltanlangen
\'''DIE ''?     ;; auf 400 bzw. 230 kV, die aber nicht
\'''GNO ''?     ;; von NORD betrieben werden  
\'''HIP ''?

'''KIY  ''50    ;; aber zusätzlich diese Anlagen, in
'''WOD  ''50    ;; denen von NORD betriebene Kompen-
'''DIC  ''50    ;; sationsmittel (50 kV) bzw. 
'''UNS  ''50    ;; Kraftwerksanschlüsse (21 kV / 10kV)
'''EAN  ''21    ;; liegen
'''GDT  ''21
'''HCL3 ''?
'''RBP  ''21
'''EAUN ''21

Sowohl in einer Netz- wie in einer Kraftwerksleitstelle wird ein Ereignisprotokoll eingesetzt. Daher interpretiert die Protokolldarstellung (siehe 4.1) beide Leitstellendefinitionsdateien.

In der Realität sind aber auch kombinierte Arbeitsplätze zu finden, von denen aus sowohl das Netz als auch die Kraftwerke überwacht und gesteuert werden. Die gemeinsame Protokolldarstellung aller Ereignisse wird erreicht, wenn beiden Definitionslisten der gleiche Leitstellenname gegeben wird. Dann vereinigt das System beide Listen zu einer gemeinsamen Definition.

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