Alternative zum Unterzähler

Gerätespezifische Verbrauchserkennung mit nur einem Messpunkt – das soll durch das NILM-Projekt ermöglicht werden, welches jetzt in die letzte Phase geht.

Die Messung gerätespezifischer Verbrauchsdaten innerhalb eines Geräteparks ist für Industrie und Gewerbe ein höchst lohnendes Unterfangen. Doch bislang standen den erzielbaren Mehrwerten, etwa in den Bereichen Energieeffizienz und Anlagensicherheit, hohe Kosten gegenüber, da in der Regel Unterzähler installiert werden müssen.

Das NILM-Projekt

Der NILM-Smart Meter erfasst hochauflösend die Verbrauchsdaten des gesamten Geländeparks. Foto: GreenPocket GmbH

Das Fraunhofer IMS hat es sich zum Ziel gesetzt, eine kostengünstigere Alternative zur Unterzählerinstallation zu entwickeln. Dafür hat es im Oktober 2015 das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte NILM-Forschungsprojekt ins Leben gerufen. „NILM“ steht für „Nonintrusive Load Monitoring“ und ist eine Technologie, die nur durch das Zusammenspiel intelligenter Hard- und Softwarekomponenten möglich wird. Die NILM-Technologie basiert auf der Annahme, dass jede Anlage oder jedes Gerät ein individuelles Signal, eine Art „Fingerabdruck“, im Verteilnetz hinterlässt. Diese Signale werden als aggregierter Gesamtstromverbrauch von der Messtechnik erfasst. Mit komplexen Algorithmen zur Mustererkennung (sogenannten NILM-Algorithmen) und maschinellen Lernverfahren werden die individuellen Signale im Gesamtstromverbrauch aufgeschlüsselt, also disaggregiert. Die eigentliche Erkennung der Geräte erfolgt dann ereignisorientiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Submetering- Systemen sind die Installations-, Wartungs- und Hardwarekosten bei diesem Ansatz erheblich geringer – bei gleichzeitig deutlich detaillierterer Verbrauchsanalyse.

Für die Umsetzung arbeitete das Fraunhofer IMS mit dem auf Smart Metering-Software spezialisierten Unternehmen Green- Pocket sowie der innogy SE, EasyMeter und Discovergy im NILM-Projekt zusammen.

Die zentralen Komponenten des NILM-Systems sind ein vom Fraunhofer IMS entwickelter Algorithmus und ein vom Messsystemhersteller EasyMeter entwickelter Zähler. Der NILM-Zähler nimmt die Verbrauchsdaten eines ganzen Geräteparks mit einer sehr hohen Auflösung auf. Diese Daten werden über ein vom Messstellenbetreiber Discovergy geliefertes Gateway zur Verarbeitung an den Algorithmus weitergeleitet. Mittels Datendisaggregation können dann die Lastgänge von Einzelgeräten herausgefiltert werden. Durch die Visualisierungsund Energiemanagementsoftware von GreenPocket werden diese enormen Datenmengen anschließend lesbar und für Mehrwert- Anwendungen verfügbar gemacht.

Nutzen für Anwender und Energiewirtschaft

„Durch die NILM-Technologie können Energieversorger für ihre Kunden aus Industrie und Gewerbe neue Services generieren, die diesen einen entscheidenden Effizienzvorsprung verschaffen können“, erklärt Green- Pocket-Geschäftsführer Dr. Thomas Goette. „Weil die NILM-Systeme weniger kostspielig sind als der komplette Umbau eines Geräteparks, rentiert sich der Einsatz der Technologie von Anfang an.“ Die Energieeffizienz einzelner Anlagen ist dabei nur ein Aspekt. Ines Hanske, Produktmanagerin und NILM-Verantwortliche von GreenPocket, kann weitere Mehrwerte für die Endnutzer benennen: „Durch die gerätespezifische Verbrauchserkennung lässt sich beispielsweise nachvollziehen, ob nach Betriebsende alle Geräte abgeschaltet wurden. Automatische Alarme sorgen dafür, dass unplanmäßig eingeschaltete Geräte rechtzeitig deaktiviert werden können. Dadurch lassen sich unnötige Kosten vermeiden.“ Durch die NILM-Technologie wird man auch überprüfen können, ob sich der Verbrauch der Geräte innerhalb ihrer normalen Parameter befindet. Wenn ein Gerät von seinem typischen Verbrauchsmuster abweicht, kann das ein Anzeichen für eine Fehlfunktion sein. Mit der GreenPocket-Software können solche Unregelmäßigkeiten rechtzeitig aufgezeigt und die Verantwortlichen benachrichtigt werden, damit zeitnah Gegenmaßnahmen ergriffen und Ausfälle im Produktionsablauf vermieden werden können. Daneben kann die gerätespezifische Verbrauchserkennung für die Prozessoptimierung in Betrieben genutzt werden, denn durch sie wird nicht nur die Effizienz von Einzelgeräten visualisierbar, sondern auch die von Abläufen oder Anwendungen mit mehreren beteiligten Geräten. „Dadurch werden wir zukünftig aufzeigen können, bei welchen Prozessen der höchste Kostenaufwand entsteht. Das ermöglicht dem Anwender prozessbezogene Vergleiche und Analysen und bei Bedarf auch die verursachungsgerechte Umlegung von Kosten“, erläutert Goette.

Die Entwicklung des NILM-Systems

Die individuellen Verbrauchsdaten lassen sich mit minimalem Aufwand visualisieren und analysieren. Foto: GreenPocket GmbH

Die Entwicklung des NILM-Algorithmus und des NILM-Zählers erfolgte im Rahmen einer Messkampagne, bei der besonders große und hochauflösende Messdatenmengen benötigt wurden. Diese lieferte eine Messhardware mit einer extrem hohen Abtastrate von 100 kHz. Daraus resultierten 100.000 Messwerte pro Sekunde, wodurch besonders feinschrittige Lastkurven in Echtzeit aufgenommen werden konnten. Diese genauen Messungen waren eine Grundvoraussetzung, um für den NILM-Algorithmus eine zufriedenstellende Erkennungsgüte gewährleisten zu können.

Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Entwickung von unüberwachtem maschinellem Lernen gelegt: Der Algorithmus sollte sich bei unzureichender Erkennungsgüte selbst optimieren können, um in jedem Einsatzkontext befriedigende Ergebnisse zu liefern. Die Auswertung der Messkampagne lieferte gute Resultate: „In Geräteparks ohne variable Lasten erreichte das NILM-System eine sehr hohe Erkennungsrate von über 80 Prozent“, erklärte Ines Hanske zufrieden. „Insbesondere die ereignisbasierte Erkennung, also die Zuordnung von Geräten, die während der laufenden Messung einoder ausgeschaltet werden, funktioniert zuverlässig.“ Bisher noch ausbaufähig ist die zuverlässige Erkennung von baugleichen Geräten und von Geräten mit variablen Lasten: Industriebohrer oder Kühleinheiten beispielsweise produzieren aufgrund ihrer schwankenden Auslastung sehr unberechenbare Verbrauchsmuster, weswegen sie nur schwer aus der gemeinsamen Lastkurve herausgefiltert werden können.

Der Projektabschluss

Die Entwicklung des NILM-Algorithmus konnte mit der Durchführung der Messkampagne erfolgreich abgeschlossen werden. Auch das von EasyMeter entwickelte NILMSmart Meter ist bereit für den Pilotbetrieb. Die Auflösung des Zählers beläuft sich auf 8.000 Messwerte pro Sekunde – das ist der ideale Wert, um eine hohe Messgenauigkeit bei überschaubaren Datenmengen zu gewährleisten.

Über die Verfügbarkeit des Gesamtsystems für Letztverbraucher können sich Interessenten direkt bei den Projektpartnern informieren.

Kontakt: GreenPocket GmbH, Dr. Wolf Stertkamp, 51063 Köln, Tel. +49 (0) 221 355095-31, wolf.stertkamp@greenpocket.de

Mehr zu diesem Thema

Publikationen des 50,2 Verlages


Der Branchenleitfaden für Stadtwerke und Netzbetreiber
Die "gelben Seiten" der IT-Sicherheit



Der Branchenleitfaden für Stadtwerke und Netzbetreiber
Die "gelben Seiten" des Smart Metering-Marktes

Der Rollout-Leitfaden für die Praxis
Unterstützung bei der Einführung der Smart-Meter-Technologie.