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IAI 08-19 Masterarbeit zum Thema: Modellierung und Evaluation eines sektorenverknüpfenden Erneuerbaren Energie Hubs

Bereich

Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten)

Tätigkeitsbeschreibung

Die DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist eine gemeinnützige Forschungseinrichtung des Deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW) am KIT. Die DVGW-Forschungsstelle betreibt praxisnahe Forschung in enger Zusammenarbeit mit den Teilinstituten des Engler-Bunte-Instituts. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter beraten die Firmen des Gas- und Wasserfachs, entwickeln die Grundlagen praxisgerechter Verfahren und sind in vielfacher Weise in Normungsarbeit einbezogen. Diese hat sich im Hinblick auf den gemeinsamen Markt in den vergangenen Jahren immer mehr auf die europäische und weltweite Ebene verlagert. Die Gruppe Systeme und Netze bearbeitet gasnetzspezifische und systemanalytische Thematiken in einem interdisziplinären aber dennoch technisch orientierten Team. Arbeitsschwerpunkte sind Smart Gas Grid und Gasnetz-simulationen, Simulation der Energieversorgung von Gebäuden und Industrie, Odorierung und Systemanalysen.         

Die Forschungsgruppe IT-Methoden und -Komponenten für smarte Energiesysteme (IT4ES) am Institut für Automation und angewandte Informatik (IAI) des KIT erforscht anwendungsorientierte Informations­systemlösungen für die zunehmende Digitalisierung von Energiesysteminfrastrukturen unter dem Stichwort „Smart Grids“. In Kooperation mit der DVGW-Forschungsstelle am EBI werden Lösungsansätze erarbeitet, welche Formen von sektorenübergreifenden dezentralen Anlagenverbünden (Distributed Energy Resources, DER) kombiniert mit einer voll digitalisierten Betriebsführung sinnvolle Beiträge zur notwendigen Dezentralisierung und Flexibilisierung der deutschen Energienetze bereitstellen können.

In der zweiten Phase der Energiewende wird eine Verzahnung zwischen den vormals weitestgehend getrennten Verteilinfrastrukturen für Strom, Wärme, Mobilität und chemische Energieträger zunehmend wichtiger, um insbesondere nach dem Wegfall großer Kraftwerke im elektrischen Netz bei gleichzeitiger Zunahme volatiler Erzeugungsleistung und fluktuierender Last dem elektrischen Netz Unterstützung beim lokalen Ausgleich zwischen Energiebereitstellung und Energienachfrage bieten zu können. Hierzu eignen sich sektorengekoppelte Energieanlagenverbünde, die erneuerbare Erzeuger, Energiespeicher- und Kon­versionslösungen sowie flexible Verbraucher in einem dezentralen Anlagenverbund kombinieren. Im Rahmen der Masterarbeit soll ein solcher, mehrere Technologien umfassender Anlagenverbund modelliert werden. Lösungsansätze für eine digitalisierte Betriebsführung des Anlagenverbundes, welche dem elektrischen Netz netzdienliche Flexibilität für die Betriebsführung bereitstellt, sollen konzipiert werden. Die sich aus der Simulation ergebenden Betriebsweisen sollen durch Einbeziehung ökonomischer Größen zur Evaluierung möglicher Geschäftsmodelle und Betreibermodelle des Moduls genutzt werden. Die Analyse erfolgt für verschiedene Netz-nutzungsfälle und Regelgrößen. Eine ökologische Bewertung soll die technische und wirtschaftliche Betrachtung flankieren. Zur Umsetzung des Simulationsmodells ist die Nutzung eines Co-Simulationsframeworks angedacht, sodass teilweise auf bereits vorhandene Komponentenmodelle (z. B. Elektrolyseur, Methanisierungsreakor) und Schnittstellen zur Betriebsführung zurückgegriffen werden kann. Weitere Modelle sowie Module zur Steuerung/Betriebsführung sollen selbst konzipiert und ent­wickelt werden. Der modellierte Anlagenverbund soll es dem Energiesystem ermöglichen, auf der einen Seite die lastnahe Deckung durch erneuerbare Energie zu erhöhen und gleichzeitig System­dienstleistungen für die vorgelagerten Netzebenen zu erbringen. Der Ansatz hebt sich von möglichen Benchmarks durch die konsequente Verwendung von Gastechnologien und einem geringstmöglichen Eingriff in bestehende Infrastrukturen und Endver-brauchertechnologien ab. Begleitet werden die praktischen Arbeiten durch eine breite Literaturrecherche bzgl. qualitativer Fragestellungen um eH2 und den Power-to-Gas-Prozess und dem Abgleich mit relevanten Benchmarks (Redox-Flow, Power-to-Heat-to-Power, etc.).

Der Student erhält einen Arbeitsplatz am KIT IAI und wird von IAI und DVGW-EBI betreut.   

Persönliche Qualifikation

Die Ausschreibung richtet sich an Master-Studierende der Informatik oder des Maschinenbaus. Grundkenntnisse zur Konzeption mathematischer Modellbeschreibungen von technischen Anlagen bzw. Komponenten sowie Steuerlogik, und deren Umsetzung unter Nutzung von Python, MATLAB oder Modelica sollten vorhanden sein. Ein grundlegendes Verständnis der oben erwähnten technischen Anlagen und energietechnischer Zusammenhänge sind wünschenswert.

 

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IAI 07-19 Bachelor Thesis: Validation of the spatial trajectories calculated from the images of a plenoptic camera

Bereich

Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten)

Tätigkeitsbeschreibung

The invention of plenoptic (light field) cameras allows to measure the 3D information with a single camera. Since this technology has been developed in the recent years, the data processing techniques still remains to be optimized. In our current project, a plenoptic high-speed camera is used to measure 3D particle trajectories in combustion processes. The goal of the project is the theoretical and experimental analysis of the 3D particle locations and the 3D 3C particle velocimetry with the help of the image from the plenoptic camera. 

The lateral motions of the particles will be recorded in the same way as with normal cameras and the depth information will be delivered in the unit of virtual depth. In order to switch the coordinates into metric coordinates a metric calibration is necessary. The camera software already contains algorithms for the metric calibration.

The first goal of the bachelor thesis is the metric calibration using the existing algorithms. The main goal is the validation of the metric calibration based on specific experiments in the laboratory.

Specific tasks are:

  • Literature review focusing on the application of plenoptic cameras for 3D measurement.
  • Metric calibration of the camera using existing camera software
  • Planning and implementation of laboratory experiments for the validation of the metric calibration
  • Validation based on the experimental results with MATLAB
  • First investigations of 3D tracking algorithms based on experimental data
Persönliche Qualifikation

We are looking for a highly self-motivated student in the field of mechanical engineering or related. Knowledge and experiences in MATLAB is a requirement.

 

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IAI 05-19 Bachelor or Master Thesis: Development of an analysis strategy - Location sensitivity of power grid frequency estimation

Bereich

Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten)

Tätigkeitsbeschreibung

The Institute of Automation and Applied Informatics (IAI) develops new methods and tools for the characterization of power gird behavior, modelling and simulation. Special attention is drawn to the grid frequency due to its importance to grid dynamics. For long sections of data we could just “count zero crossings” and average. However, within one period, the frequency cannot be measured directly, but needs to be estimated. The estimation result and quality is influenced by the signal properties (distortion). Because different locations in the grid show different distortion characteristics, the frequency measurement also has a location sensitivity.

The first objective of this thesis is a theoretical and experimental analysis of the dependency of Instantaneous Frequency methods and the related Phasor estimation methods with regard to the signal properties in time and frequency domain. The results should then be used to develop and set up an analysis of measurement location sensitivity using real-world data, which are available at our institute.

Specific tasks are:

  • Literature review focusing on Instantaneous Frequency and the related phasor estimation techniques
  • Analysis of the dependency btw. frequency estimation and the signal properties + practical experiments with synthetic signals using MATLAB
  • Development and implementation of an analysis on measurement location dependency of frequency estimation using real-world data.
Persönliche Qualifikation

We are looking for a highly self-motivated student in the field of energy engineering, electrical engineering, computer science or related. Knowledge and prior exposition to signals & system theory as well as MATLAB are a requirement.

 

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IAI 06-19 Bachelor or Master Thesis: Development of a precision timing module

Bereich

Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten)

Tätigkeitsbeschreibung

The Institute of Automation and Applied Informatics (IAI) develops new methods and tools for the characterization of power gird behavior, modelling and simulation.           

For the calibration of our self-developed instruments we regularly use a high precision reference instrument (Zimmer LMG670). Typically reference measurements require the device under test (DUT) and the reference instrument to be synchronized.

The LMGs provide a proprietary interface that allows two LMGs to fully share one time-base. This interface involves multiple binary signals as well as an asynchronous serial connection. The serial interface transports the time stamp information. While it is easy to synchronize the clock of the data acquisition with an arbitrary external source, there is no direct solution available for synchronizing also the timestamp with an external source like GPS or NTP. However, such a synchronization is critical for many applications and therefore a desirable feature to have.

The tasks of this thesis are:

  • Careful analysis of the used time stamp exchange protocol of the LMG,
  • An analysis of the requirements for a timing module regarding hardware and software
  • Development of a concept for a timing module that can interface the LMG with an external time source
  • Implementation (proof of concept) & test
  • The scope of the work is adjustable depending on the desired degree and the personal qualification / experience.
Persönliche Qualifikation

We are looking for a highly self-motivated student in the field of electrical engineering, computer science or related. This work requires the willingness to tamper with electronics and strong problem solving skills. Knowledge and prior exposition to serial communication concepts, electronics, micro-controllers or FPGAs and clock synchronization strategies will help but are not mandatory.

 

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IAI 02-19 Master- or Bachelor Thesis: FPGA based precision clock hold over designs and GPS disciplined clock for power grid measurement systems

Bereich

Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten)

Tätigkeitsbeschreibung

The Institute of Automation and Applied Informatics (IAI) develops new methods and tools for the characterization of power gird behavior, modelling and simulation.

We have developed a recording system that uses the GPS-PPS (Pulse per second) signal to synchronize distributed measurements to the micro second level. With this tight synchronization we can overlay samples from different locations directly, so that the system acts a distributed oscilloscope – with all the fascinating signal evaluation possibilities.

For the next generation we are moving towards our own FPGA-based design to increase sampling rate and preprocessing capabilities. Therefore, we need to investigate methods to realize a precise GPS-based time stamping for an acquisition system based on a Xilinx Zynq XC7 SystemOnChip. Special attention is needed for situations where GPS reception is lost and the local clock needs to hold-over the timing information (and for the resynchronization).

The students’ tasks are to familiarize her/himself with the basics of FPGA technology, study the existing solution for GPS-PPS-synchronization acquisition systems, develop synchronization concept(s) for an FPGA based acquisition system, implement the most suitable solution on an available test platform, and demonstrate the principle of operation.

The scope of the work can be slightly adjusted to fit the personal qualification and the desired academic degree.

Persönliche Qualifikation

We are looking for a self-motivated student in the field of electrical engineering, computer science or related. Knowledge and prior exposition to FPGAs is not a necessity but preferred. The applicant needs to have hands-on experience either in electronics or programming and strong ‘problem solving’ skills.

 

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IAI 03-19 Bachelor Thesis: Cross platform GUI for a high performance power grid data acquisition system

Bereich

Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten)

Tätigkeitsbeschreibung

The Institute of Automation and Applied Informatics (IAI) develops new methods and tools for the characterization of power gird behavior, modelling and simulation.

To the end of data acquisition, we have developed a device for recording signals in the electrical power grid that works like an oscilloscope but also features true raw data storage and wide area synchronization. For the next iteration step aim at shirking size and reducing cost while maintaining performance and including new evaluation features. Therefore we will move to a System-On-Chip solution combining an FPGA for real-time tasks and a MCU running a Linux OS for the user interface and network connection.

The student’s task is to develop a touch-enabled GUI for the acquisition system using a cross platform library of his/her choice. First step will be the careful analysis of the predecessor from technical and user-experience perspective especially taking into account the specifics of synchronized power and power quality measurements.

Specific tasks are:

Study of existing GUIs for comparable devices. Literature review on comparable existing solutions.

Analysis of the requirements for the GUI taking the given constraints into account.

Development of interface between the calculation modules and the GUI, the GUI itself and new Visualization features. Structuring the list of possible features and assigning priorities.

Implementation (in part or fully), test, and evaluation.

Persönliche Qualifikation

We are looking for a highly self-motivated student in the field of computer science, electrical engineering, or related. Some programming experience is required. Previous exposition to GUI development is preferred but not mandatory. Knowledge of the fundamentals of electrical engineering will help but is optional. Languages: English or German.

 

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IAI 01-19 Master Thesis: A Generic Microservice-based Framework for Scheduling of Distributed Energy Resources Using Population-based Metaheuristics

Bereich

Abschlussarbeiten (Bachelor- und Masterarbeiten)

Tätigkeitsbeschreibung

In this thesis, a new concept to schedule DERs based on forecasting and the results of related simulators will be developed. The framework introduced in [1] will be adapted to carry out the  equired tasks based on two cutting-edge technologies, namely containers and microservices. The EA GLEAM (General Learning Evolutionary Algorithm and Method) [2] will be used to obtain the desired results.

Persönliche Qualifikation

Student of computer science, electrical engineering or related disciplines

 

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