STUTTGART (pi) - Die Gasversorgung Süddeutschland (GVS) GmbH, Stuttgart, hat zum Jahresbeginn ein neuartiges Prozeßrechnersystem zur Steuerung ihres 1400 Kilometer langen Fernleitungsnetzes in Betrieb genommen. Das System wurde gemeinsam von der GVS und der Hamburger Scientific Control Systems (SCS) GmbH in der Zeit von 1977 bis 1980 entwickelt und realisiert.

Entwicklung und Einsatz des neuen Prozeßrechnersystems zur Gasnetzführung wurden notwendig, nachdem sich der Erdgasverbrauch in Baden-Württemberg seit 1968 mehr als verzehnfacht hatte. 250 Städte und Gemeinden mit über 850 000 Haushalten und Tausenden von Industrie- und Gewerbebetrieben beziehen heute rund 40 Milliarden Kilowattstunden Erdgas pro Jahr. Bis Mitte der achtziger Jahre erwartet man eine Gasabgabe von jährlich rund 55 Milliarden Kilowattstunden.

Mit dem Doppelrechnersystem Siemens 300-R 30 werden in der zentralen GVS-Leitwarte in Stuttgart alle Vorgänge im gesamten Gasnetz auf Farbsichtgeräten überwacht und automatisch gesteuert. Hartmut Mallee, technischer Geschäftsführer der GVS, ist nach eigenem Bekunden mit der bisher beobachteten Ausfallsicherheit der Anlage zufrieden.

Erst Studie - dann Konzept

Ein direkt mit dem Prozeßgeschehen verbundenes Prognose- und Simulationssystem, das von SCS entwickelt und als Pilot-Installation mit Mitteln des BMFT gefördert wurde, erstellt darüber hinaus Bedarfsprognosen und alternative Steuerprogramme. Das Steuerungs- und Überwachungssystem für das GVS-Gasnetz ist nach SCS-Darstellung die modernste Anlage dieser Art.

Im Frühjahr 1977 erteilte die GVS der SCS den Auftrag, in einer Studie die Spezifikationen für ein neues System zu definieren, das den gewachsenen Anforderungen an die Gasnetzführung Rechnung tragen und an die künftigen Entwicklungen leicht anpaßbar sein sollte. Auf der Basis dieser Studie wurde ein Konzept für Hardware, Software und Wartengestaltung eines prozeßrechnergestützten Überwachungs- und Steuerungssystems erarbeitet.

In der anschließenden Projektphase erstellte SCS die detaillierte Beschreibung der notwendigen Systemfunktionen und führte die Hardwareausschreibung und die Angebotsbewertung durch. Als Hardware wurden zwei Siemens-Prozeßrechner des Typs 300-R 30 sowie Farbsichtgeräte mit dem Siemens-System "Vidias" ausgewählt. Siemens übernahm außerdem den Bau der Warte.

Mitte 1978 begann SCS mit der Realisierung des Gesamtsystems. Die Software wurde überwiegend in Fortran, ein kleiner Rest in Assembler geschrieben. Die wesentlichen Komponenten waren im Frühjahr 1980 termingerecht fertiggestellt, so daß die Mitarbeiter der GVS von den SCS-Experten in das neue System eingewiesen werden konnten. Nach Fertigstellung der baulichen Arbeiten in der zentralen GVS-Leitwarte in Stuttgart erfolgte Ende 1980 die Endabnahme des Gesamtsystems.

Zentrale Leitwarte

Eine Fernwirkanlage überträgt die wesentlichen Informationen aus dem Ferngasnetz in die Leitwarte der GVS in Stuttgart. Hier werden die Daten von einem Prozeßrechnersystem verarbeitet. In dieser zentralen Leitwarte sind zwei Arbeitsplätze für das Schichtpersonal mit folgenden Aufgabenschwerpunkten eingerichtet:

- Überwachung des aktuellen Prozeßzustands und Steuerung des Ferngasnetzes,

- vorausschauende Gasnetzüberwachung und Planung zukünftiger Steuermaßnahmen und Kommunikation im Zusammenhang mit der Netzführung.

Zur Erfüllung der Aufgaben ist jeder Arbeitsplatz mit grafischen Farbsichtgeräten ausgestattet, über die mit Hilfe eines Dialogs auf einer Tastatur Bilder aufgeschaltet und Parameter für die Verarbeitung eingegeben werden. Das gewählte System - so der SCS-Kommentar - bietet im Vergleich zu konventionellen, mit Schreibgeräten ausgerüsteten Warten den Vorteil, eine Vielzahl bereits vom Rechner aufbereiteter Informationen in verdichteter und übersichtlicher Form auf Bildschirmen anzeigen zu können.

Die Steuerung wird durch eine Funktionstastatur ausgelöst, nachdem das zu steuernde Element im Bild ausgewählt wurde. Auf einem Bildschirm werden die einlaufenden Meldungen im Klartext dargestellt und über Funktionstaste quittiert.

Zur Dokumentation eines Netzzustandes kann der Bildschirminhalt durch Knopfdruck über eine Video-Hardcopy in Schwarzweiß auf Papier festgehalten werden. Eine Mosaiktafel im Hintergrund zeigt ein schematisches Netzbild mit den aktuellen Fernwirkstörungen.

Neben der Warte wurde ein Alarmraum eingerichtet, in dem bei außergewöhnlichen Störfällen der Alarmstab tagt. Zur Alarmfall-Behandlung ist dort ein weiteres Farbsichtgerät installiert, auf dem von einem Arbeitsplatz im Alarmraum aus sämtliche Bilder aufgeschaltet werden können. Darüber hinaus dient dieser Arbeitsplatz beispielsweise der Durchführung ausführlicher Planungsrechnungen, die den Betrieb in der Warte nicht beeinträchtigen sollen.

Die Funktionen der neuen GVS-Leitwarte basieren auf einem Prozeßrechnersystem, bei dem aus Gründen der Ausfallsicherheit alle , wichtigen Komponenten gedoppelt sind und im Störfall automatisch umgeschaltet werden. Beide Rechner des Doppelrechnersystems haben im störungsfreien Betrieb getrennte Aufgaben durchzuführen.

Das "Führungssystem" sorgt für die Erfassung und Verarbeitung der Prozeß-Informationen sowie für die redundante Archivierung aller Daten. Es stellt die Meldungen, Anlagenzustände, Meßgrößen und Vergangenheitsdaten aus dem Prozeß auf Farbsichtgeräten zur Verfügung und verarbeitet Steueranweisungen, die dann über die Fernwirkanlage in den Außenstellen wirksam werden.

Zusätzlich werden auf Druckern die Meldungen aus dem Prozeß, Gerätestörungen, Eingriffe des Personals und Bilanzen protokolliert. Sämtliche Daten werden zur Sicherung auf Duplex-Dateien im System gespeichert. Zur Langzeitdatenhaltung und zur Auswertung durch die kommerzielle EDV-Anlage werden alle Meßwerte auf Magnetband gespeichert.

Das "Planungssystem" hat die Aufgabe, ausgehend vom aktuellen Prozeßzustand das Gasnetzverhalten für die nahe Zukunft vorauszuberechnen. Dazu ist eine direkte Kopplung mit dem Prozeß notwendig, die über den Führungsrechner hergestellt wird. Das Planungssystem besteht aus einer kurzfristigen Prognose des Abnehmerverhaltens und einer Netzsimulation, welche die Prognoseergebnisse auswertet.

Das Resultat der Rechnung wird geprüft und wie beim Führungssystem ausgegeben. Dabei sind auch gemischte Bilder vorhanden, in denen gleichzeitig gemessene Vergangenheitsdaten und berechnete Zukunftsdaten dargestellt werden. Die Hardwarekonfiguration ist so ausgelegt, daß das Führungssystem selbst bei gleichzeitigem Ausfall eines Rechners und einer Platte voll funktionsfähig bleibt.

Bei Ausfall eines Rechners muß für die Dauer der Störung auf das Planungssystem verzichtet werden. Fällt der Führungsrechner aus, so wird automatisch auf den Planungsrechner umgeschaltet und dort das Führungssystem aktiviert. Bei diesem Vorgang gehen keine Daten verloren.

Darstellungsmöglichkeiten

Das in Zusammenarbeit zwischen den GVS-Fachleuten und dem SCS-Team entwickelte System bietet mehrere Darstellungsmöglichkeiten auf den Farbsichtgeräten in der Leitwarte. Die dargestellte Information wird automatisch beim Einlaufen neuer Werte aktualisiert.

Die Netzdarstellungen enthalten schematische Übersichten über den aktuellen Netzzustand und die funktionalen Zusammenhänge. Die Bilder zeigen Meßwerte, Meldungen und Anlagenzustände, die laufend auf den aktuellen Stand gebracht werden. Diese Information ist in verschiedenen Ebenen anwählbar, wobei jede Ebene einen unterschiedlichen Detaillierungsgrad liefert.

Ein anderer Bildtyp sind die Kurvendarstellungen von Meßwerten. Hier wird zum Beispiel der Verlauf einer Abnahme wiedergegeben, aus dem man die Auswirkung von Regeleingriffen oder Trends im Gasnetzverhalten ablesen kann. Von jedem Meßwert (Menge, Druck etc.) können Kurven im Sechs-Minuten-Raster mit acht Stunden Vergangenheit ausgeschaltet werden oder im Stunden-Raster mit bis zu einer Woche Vergangenheit.

Weitere Bildtypen erlauben die Darstellung beispielsweise auch von Meßwerten und Vertragsinhalten in Tabellenform. Diese Darstellungsart erlaubt die Änderung der Werte unter Berücksichtigung der Auswirkung auf nachgeschaltete Berechnungen. Sämtliche Bezeichnungen, Verarbeitungsparameter etc. - so SCS - können ohne Unterbrechung des Betriebs in das System eingegeben oder verändert werden. Dies gelte auch für die Erweiterung um neue Meßstellen, Regler, Stationen und Leitungsabschnitte.

Prognose- und Simulationssystem

Prosit ist ein von der SCS entwickeltes Planungssystem zur vorausschauenden Gasnetzsimulation mit den Komponenten

- Prognose zur Vorhersage des Verhaltens aller Abnehmer,

- Simulation zur Berechnung der Entwicklung von Drücken und Durchflüssen im Netz.

Das Prosit-System ist online mit dem Prozeß verbunden. Es erhöht nach Angaben der Hamburger die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Netzführung durch das frühzeitige Erkennen künftiger kritischer Situationen und die Vorausberechnung des Gasnetzverhaltens als Folge geplanter Steuermaßnahmen.

Diese Ergebnisse ermöglichen dem Personal in der Warte (Berufsbezeichnung "Dispatcher") die

- Kontrolle geplanter Steuermaßnahmen auf Effektivität und die

- Auswahl eines optimalen Steuerprogramms für den laufenden und den Folge-Tag aus einer Reihe von Alternativ-Programmen.

Das Prognoseverfahren liefert für die nächsten 48 Stunden eine Vorhersage des Gasverbrauchs für jeden Abnehmer der GVS. Die Stationen werden ihrer Abgabecharakteristik entsprechend einer der Klassen "Stadtwerke" oder "Große Industriebetriebe" zugeordnet. Ihre Anzahl beträgt etwa 100.

Vorausschauende Netzsimulation

Das entwickelte Rechenmodell berücksichtigt explizit die Temperatureinflüsse sowie den täglichen und wöchentlichen Verbrauchsrhythmus der Abnehmer. Zusätzlich dazu verarbeiten zwei Adaptionsmethoden unterschiedlicher Anpassungsgeschwindigkeit die saisonalen Einflüsse und langfristigen Trends sowie das kurzfristige Abnahmeverhalten. Die hierzu notwendige laufende Korrektur durch Meßdaten führt über einen "Kalman"-Filter zu einem ständigen "Lernprozeß" des Prognoseverfahren, erläutert SCS.

Die Ergebnisse der Prognose werden wie Meßwerte dargestellt und auf Grenzwertüberschreitung überwacht. Hauptanwendungsgebiet im Prosit-System ist ihre Weiterverwendung für die vorausschauende Netzsimulation. Bei dieser Netzsimulation wird ein Modell des Gastransports im Rechner nachgebildet und durchgerechnet.

Die instationäre Simulation auf Basis des Programmpakets "Ganesi", das an der Technischen Universität München entwickelt wurde, liefert nach Darstellung von SCS unter Berücksichtigung der Netzatmung alle Drücke, Durchflüsse und Geschwindigkeiten bei Vorgabe der Einspeisedrücke und Abgabemengen. Dazu wird der aktuelle Netzzustand durch Lösung der Bewegungsgleichungen des Gases im Rohrnetz hochgerechnet.

Durch örtliche und zeitliche Diskretisierung wird das zugrundeliegende nicht-lineare Differential-Gleichungs-System in ein System algebraischer Gleichungen verwandelt. Dessen Lösungen werden mit Hilfe schneller Algorithmen für die Inversion großer, aber schwach besetzter Matrizen berechntet.

Das Simulationssystem ist online an den Prozeß gekoppelt, so daß der aktuelle Prozeßzustand und die Steuereingriffe dem System automatisch mitgeteilt werden. Die Ergebnisse der Simulation werden hauptsächlich für folgende Auswertungen weiterverarbeitet:

- Erkennen von Meßfehlern und Grenzwertüberschreitungen,

- Zusätzliche Informationen zur Meßtechnik,

- Darstellung des zukünftigen Netzverhaltens,

- Überprüfung und Optimierung von geplanten Steuermaßnahmen,

- Entscheidungshilfe bei Verbraucherabschaltung, Spotmengen-Bezug, Verdichtereinsatz etc.

Geplante Steuermaßnahmen werden nach Angaben von SCS in einfacher und für den Dispatcher vertrauter Form über den Steuerfahrplan auf einem Sichtgerät in das System eingegeben. Durch Änderungen am Steuerfahrplan können, alternative Steuermaßnahmen durchgerechnet und ausgewertet werden.

Die Entwicklung dieses neuartigen Simulationssystems - so die Hamburger - wurde wegen seines Pilot-Charakters mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung und Technologie gefördert. Bei der Konzeption der GVS-Netzsteuerung, hebt SCS hervor, kam es entscheidend darauf an, dem Wartenpersonal optimale Bedingungen für seine Tätigkeit zu schaffen und damit die Effektivität und Sicherheit der Versorgung der Verbraucher weiter zu erhöhen. Das von SCS entwickelte und realisierte System ist - so die Schlußfeststellung der Hamburger - aufgrund seiner Flexibilität in der Lage, zukünftige Erweiterungen des Leitungsnetzes und entsprechende Installationen problemlos zu integrieren.