Die Grid-Signature-Ereignisbibliothek ermöglicht eine detaillierte Analyse des Stromnetzes

Die Grid Signature Event Library fördert das Verständnis von Versorgungsunternehmen und Forschern für das Netzverhalten, indem sie Zugriff auf Datensätze von Wellenformen aus dem Netzbetrieb bietet. (Bild:Adam Malin/ORNL, US-Energieministerium)

Technische Kurzinformationen: Können Sie mir erzählen, wie dieses Projekt begann?

Aaron Wilson: Ich war nicht der Urheber der Grid Event Signature Library. Als ich 2019 dem Labor beitrat, war es noch recht neu, aber richtig in Schwung kam es erst etwa 2021. Ich habe die Leitung im Frühjahr 2022 übernommen.

Wir haben vom DOE Mittel erhalten, um eine Bibliothek mit Ereignissignaturen aus dem Stromnetz zu erstellen. Es wäre eine Anlaufstelle für Benutzer, die sich ansehen könnten, wie sich einige dieser Wellenformen auf dem System verhalten, damit sie wissen, worauf sie auf ihren eigenen Systemen achten müssen. Da wir in den letzten Jahren mehr Daten von verschiedenen Partnern erhalten und dies immer weiter gefördert haben, hat es wirklich an Fahrt gewonnen.

Technische Kurzinformationen: Lassen Sie mich versuchen, mir ein besseres Bild des Systems zu machen. Verfügen Sie über eine standardisierte Möglichkeit, die Wellenformen zu klassifizieren und die zugehörigen Ereignisse zu kennzeichnen?

Wilson: Eine unserer Herausforderungen vor ein paar Jahren bestand darin, allen verschiedenen Datentypen, die wir von Anbietern erhielten, ein einheitliches Kennzeichnungsschema zuzuweisen. Uns ist aufgefallen, dass jeder etwas, das passiert ist, auf seine eigene Art und Weise mit einem Etikett versehen kann. Sie wurde uns normalerweise in Form einer Textbeschreibung dessen übermittelt, was der Bediener oder Ingenieur bei der Aufzeichnung des Ereignisses notiert hatte. Nachdem wir also alles durchgesehen hatten, was wir damals hatten, beschlossen wir, ein hierarchisches System zusammenzustellen, das alles umfasst, was wir haben, sowohl aus diesem Datensatz als auch aus dem, was wir an allgemeinem Fachwissen über das Energiesystem haben. Anschließend haben wir eine Taxonomie entwickelt, die für unseren gesamten Datensatz ziemlich einheitlich ist. Wenn wir also neue Daten erhalten, verfügen wir über genügend Breite in dieser Taxonomie, um ihr einen geeigneten Platz zuweisen zu können.

Technische Kurzinformationen: Können Sie mir eine Vorstellung von der Taxonomie geben?

Wilson: Es besteht aus drei Schichten, wir nennen sie Gruppen, Klassen und Unterklassen. Gruppen sind Kategorien auf sehr hoher Ebene, beispielsweise welche Phasen im Stromnetz betroffen sind – normalerweise gibt es drei Phasen. Es gibt eine Gruppe namens Bedingungen, in der Sie Dinge wie Naturkatastrophen und wetterbedingte Ereignisse finden. Unter den Kategorien in Klassen und Unterklassen beginnen Sie mit der detaillierten Analyse der spezifischeren Kategorien, die wir diesen verschiedenen Ereignissen zuweisen würden.

Technische Kurzinformationen: Könnten Sie mir ein Beispiel dafür geben, welche Arten von Kategorien Sie haben könnten?

Wilson: Beispielsweise könnten wir eine Kategorie namens „Bedingungen“ als Gruppe haben, und dann könnten wir „Wetter“ als Klasse haben, und dann könnte die Unterklasse „Gewitter“ sein. Oder wir könnten eine Gruppe haben, die einfach „Ereignisse“ heißt, und darunter eine Klasse mit der Bezeichnung „Stromqualität“, und darunter könnten wir einen „Stromstoß“ oder einen „Übergang“ haben.

Technische Kurzinformationen: Wie verknüpfen Sie Stromstöße oder -transienten mit Ereignissen?

Wilson: Ein Transient ist ein Ereignis in der Art, wie wir es definieren. Die Art und Weise, wie wir ein Ereignis definieren, ist, dass etwas auftritt, das eine Anomalie darstellt – ein abnormales Verhalten, das Sie nicht erwartet haben.

Denken Sie also an Spannung und Strom, wie sie sich im Netz verhalten. Da wir ein Wechselstromsystem haben, verhält es sich sinusförmig und das System ist so konzipiert, dass diese Phänomene, diese elektromagnetischen Felder, so sauber wie möglich verlaufen, was bedeutet, dass es kein Rauschen oder anomale Ereignisse gibt. Ein Beispiel für eine Anomalie könnte sein, wenn etwas passiert, das entweder zum Auslösen eines Leistungsschalters oder zum Abschalten eines Leitungsabschnitts führt. Solche Dinge nennen wir hier Ereignisse. Bei einem Übergang könnte es sich beispielsweise um das Ein- oder Ausschalten einer Kondensatorbank handeln, was zu einem kurzen Stromstoß führt, der in das System eindringt. Wenn Ihr System nicht für diese Stromstärke ausgelegt ist, kann es zu Schäden an Ihrer Ausrüstung kommen.

Technische Kurzinformationen: Was kann ein Benutzer mit diesen Informationen tun?

Wilson: Der Benutzer kann auf der Website ein Konto erstellen und dann auf das zugreifen, was wir unser Dashboard nennen. Von dort aus können Sie verschiedene Suchkriterien verwenden, um Ereignisse in unserer Bibliothek zu finden. Im Dashboard können Sie Informationen zu den Daten sehen, z. B. Datum und Uhrzeit. die Textbeschreibung, die uns zur Verfügung gestellt wurde; die Stichprobenrate, mit der es gemeldet wurde; der Typ des Sensors, der zur Aufzeichnung verwendet wurde. Und es gibt einen Button zum Herunterladen. Außerdem gibt es neben jedem Ereignis in den Aufzeichnungen eine Funktion, die es Ihnen ermöglicht, vor dem Herunterladen eine Darstellung davon auf der Website anzuzeigen.

Technische Kurzinformationen: Wenn ich also ein Versorgungsunternehmen bin, zeichne ich dann ein Ereignis auf, das in meinem Netz geschieht, und vergleiche es dann mit Ihrer Datenbank?

Wilson: Das ist definitiv eine Möglichkeit. Eine Sache, über die wir in unserer Gruppe aus drei Laboren gesprochen haben, ist die Entwicklung eines Tools, das wir in die Bibliothek integrieren werden und das es jemandem ermöglichen würde, eine sogenannte umgekehrte Bildsuche durchzuführen. Sie würden ein Datenelement vom Versorgungsunternehmen erhalten, wissen nicht, was es verursacht hat, und möchten in der Datenbank etwas finden, das möglichst genau übereinstimmt. Das könnte Ihnen helfen, eine Vorstellung davon zu bekommen, was möglicherweise passiert sein könnte. Das ist ein laufendes Projekt.

Der andere Zweck, für den es verwendet werden könnte, ist einfach eine allgemeine Ausbildung, um zu lernen, wie einige dieser Ereignisse aussehen, einfach um das Auge eines Ingenieurs zu schulen, der nicht weiß, wie einige dieser Dinge funktionieren. Sie könnten hineingehen und beispielsweise nach dem Namen der Art des Ereignisses suchen, z. B. Lichtbogenbildung – ich möchte sehen, wie Lichtbogenbildung aussieht, um sie mit dem zu vergleichen, was ich habe.

Angenommen, ich bin ein Operator und sehe etwas Seltsames, das in meinen Daten passiert ist, und ich versuche herauszufinden, was es ist oder was es darstellt, weil dadurch etwas Schlimmes passiert ist. Ich kann sagen:„Ich glaube, es ist ein Lichtbogen.“ Dann kann ich hineingehen und nach „Bogenbildung“ suchen und vergleichen, wie meine Wellenform mit den Lichtbogendaten in der Datenbank aussieht, und sagen:„Sind diese ähnlich? Oh, das scheint ziemlich verwandt zu sein, das könnte es sein.“ Oder es könnte helfen, das auszuschließen.

Technische Kurzinformationen: Wenn ich der Netzbetreiber bin, wie verwende ich diese Informationen, wenn ich weiß, um welche Art von Ereignis es sich handelt?

Wilson: Nun, es kommt darauf an, um welche Art von Veranstaltung es sich handelt. Wenn Sie glauben, etwas zu erkennen, was wir einen beginnenden Ausfall nennen würden, wenn Sie ein Muster gesehen haben, das auf eine zukünftige Lichtbogenbildung hinweisen könnte, können Sie es mit etwas in der Datenbank abgleichen und es stoppen, bevor es tatsächlich zu einem Durchbruch eines Isolators oder einer Beschädigung der Ausrüstung kommt. Das wäre sehr wertvoll – Lichtbögen sind eine schwer zu erkennende Anomalie.

Technische Kurzinformationen: Aber ich muss es noch irgendwie lokalisieren.

Wilson: Natürlich, aber das ist nur eine Datenbank, es ist nicht unbedingt ein System, das Ihnen sagt, wo etwas passieren könnte, denn jede Strecke ist anders.

Technische Kurzinformationen: Würde die Wellenform beim Sammeln der Wellenformen für Ihre Datenbank nicht unterschiedlich aussehen, beispielsweise abhängig von der Entfernung zwischen dem Sensor und dem Ereignis?

Wilson: Absolut. Bei der Organisation einer solchen Datenbank spielen viele Faktoren eine Rolle. Wenn Sie eine vollständige Beobachtbarkeit Ihres Systems wünschen, müssten Sie alle X Fuß Sensoren installieren. Das ist wirtschaftlich einfach nicht machbar. Sie müssen also ein fundiertes Urteil fällen, wenn Sie so etwas verwenden.

Im Beispiel des Lichtbogens würden die Messungen wahrscheinlich sehr nahe am Ort des jeweiligen Ereignisses liegen, allein aufgrund der physikalischen Art und Weise, wie sich die Frequenzen von Lichtbogenereignissen entlang des Leiters ausbreiten. Man könnte also vernünftigerweise sagen, dass es in der Nähe passiert ist – ich kann Ihnen keine Angaben dazu machen, wie viele Fuß oder Meilen entfernt sind, diese Information ist nicht unbedingt hier in der Bibliothek enthalten. Das ist tatsächlich ein ziemlich großes Forschungsproblem.

Technische Kurzinformationen: Möchten Sie etwas hinzufügen?

Wilson: Daran arbeiten wir schon seit einigen Jahren. Es besteht ein starkes Interesse daran, diese Datenbank für den Einsatz in der akademischen Welt und in der Forschung auszubauen und nicht nur als Werkzeug für Versorgungsunternehmen. Derzeit wird viel an KI weiterentwickelt, insbesondere für das Stromnetz. DOE fordert viele verschiedene KI- und datenbasierte Anwendungen im Netz. Dies soll auch dazu beitragen, einige dieser Bemühungen zu unterstützen.

Technische Kurzinformationen: Arbeiten Sie an einer Verbesserung der Datenbankmenge oder -qualität?

Wilson: Ja, und ja. Das sind fortlaufende Bemühungen. Wir sind immer und überall auf der Suche nach Daten.

Technische Kurzinformationen: Von wem hoffen Sie, dass er weitere Daten bereitstellt?

Wilson: Nun, wir wollen immer Daten von Versorgungsunternehmen, weil diese normalerweise über Dinge verfügen, die repräsentativer für die reale Welt sind. Wir könnten so viele Daten simulieren, wie wir wollen, und sie dort einfügen, aber letztendlich decken sie nicht alle Eckfälle ab, die Sie in der realen Welt sehen könnten. Und so stammt alles, was wir hier im Moment haben, von echten Sensoren, die Daten vor Ort aufgezeichnet haben, und ist nicht von einem Programm simuliert. Ich möchte nicht sagen, dass simulierte Daten keinen Wert haben, aber wir können nicht alle anomalen Verhaltensweisen in der Simulation erfassen, ohne die Physik aller Schaltkreise im Land und auf der Welt wirklich zu kennen.