3D Decision Support System: Wie Algorithmen die perfekte ... · 17.05.2018. Forum Netzbau und...

17.05.2018Forum Netzbau und Netzbetrieb, Dresden

Joram Schito, ETH ZürichJoshu Jullier, Swissgrid

17.5.2018 1

3D Decision Support System: Wie Algorithmen die perfekte Leitung erstellen

3D-GIS Projekt: Prof. Dr. M. Raubal, J. Schito | Prof. Dr. A. Grêt-Regamey, Dr. U. Wissen Hayek | Dr. J. Mühlethaler, J. Jullier

Schweizer Strommarkt im Überblick

1 380 kV: 1,780 km und 220 kV: 4,920 km2 Rund 650 Verteilnetzbetreiber in Switzerland

Produktionin TWh (2016)

Übertragung1

in kmVerteilungin km

Verbrauch TWh (2016)

Axpo 28Swissgrid(«Cost-Plus»-Regulierung)

6700 250000

BKW FMB 22000

Privathaushalte,LandwirtschaftGartenbau 20

Verkehr 5

Dienstleistungs-sektor 15

Industrie-Sektor, verarbeitendes Gewerbe

Andere 16

Alpiq 11

EKZ 14700

Andere2 185000

CKW 7300Romande Energie 10000Groupe E 11000

Alle Angaben gerundet,Quellen: Webseiten und Geschäftsberichte CWK, EKZ, BWK, Alpiq, Axpo, Romande Energie, Groupe E, Schweizerische Elektritzitätsstatistik 2016

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Swissgrid – Die wichtigsten Aufgaben auf einen Blick

Swissgrid…

… betreibt das Übertragungsnetz… ist für das höchste der sieben Netzebenen zuständig… wartet die Schaltanlagen und Leitungen… plant und entwickelt das gesamte Übertragungsnetzes … stellt die Netzstabilität sowie die Übertragung der

Leistung von der Produktion zum Verbrauch sicher … arbeitet eng mit europäischen Übertragungsnetz-

betreibern zusammen

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Engpässe im Übertragungsnetz

Gründe für den Netzausbau

Internationaler VerbundBei steigendem Energieaustausch mit dem Ausland kann es zu einer Überlastung des Netzes kommen.

Versorgung nachgelagerter NetzeNeue Anschlussbegehren können zu Engpässen führen.

Neue Grosskraftwerkez. B. Bau eines neuen Pumpspeicherkraftwerkes

Das Netz muss modernisiert und ausgebaut werden

Chamoson – ChippisChippis – BickigenPradella – La PuntChippis – LavorgoBeznau – MettlenBassecourt – MühlebergMagadinoGénissiat – ForetailleMettlen – Ulrichen

bestehend380 kV Ausbau220 kV AusbauSchaltanlagenSchaltanlagen mit Transformatoren

Verzögerungenin Netzbau-

projektenWarum?

Fehlende Akzeptanz ist eine der Hauptursachen für Verzögerungen

Freileitungen werden mehrheitlich als störendwahrgenommen

Personen, die in der Nähe einer Freileitung wohnen, haben viel weniger negative Gefühle zu Freileitungen als Personen weiter weg von Leitungen

Grafik: Hedtke et al. (2018), submitted to Cigré Session 2018.

Hauptprobleme von Höchstspannungsleitungen

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Gesundheitsrisiken

Einschnitt in Natur / Landschaft

Ästhetik / Sichtbarkeit

Allgemeine Wahrnehmung als Gefahr / Risiko

Einfluss auf Tiere

Risiko von Beschädigungen

Risiko durch Luftverkehr

Keine Probleme

Keine Angabe

HSL in SichtHSL vorhandenkeine HSL vorhanden

«Und was ist aus Ihrer Sicht das Hauptproblem?»

Gesundheitsrisiken werden deutlich als grösstes Problem wahrgenommen

Ablehnung gegen Höchst-spannungsleitungen basiert hauptsächlich auf diffusen Ängsten

Richtziele des Projekts

Die Lösung finden, welche die höchste Akzeptanz zwischen allen Entscheidungsträgern hat

Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) erlaubt es, die Interessen aller Entscheidungsträger zu berücksichtigen

Die Akzeptanz einer Leitung durch 3D-Visualisierung steigern

Projektgruppe 3D-GIS

Förderung und fachliche Unterstützung Fachliche Unterstützung

Ansatz

Sichtbarkeit der Masten

Politischer Widerstand betroffener Bürger

Einsprüche Verzögerungen

Geschützte Gebiete

Sicherheitsabstände / Gesetze

Monetäre Kosten

Objekte strahlen einen Raumwiderstand gemäss ihrer Schutzwürdigkeit aus

Das Entscheidungsmodell berücksichtigt folgende drei Dimensionen

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Technische Umsetzbarkeit Umwelt- und Landschaftsschutz

Raumplanung

Kaskadische Vorgehensweise

Abgeschlossene Masterarbeit 20173D DSS 2020

Laufende Masterarbeit 2018

3D DSS 2018

Wie das optimale Planungsgebiet berechnet wird

Geodaten Planungsgebiet

Widerstand & GewichtKriterium Widerstand GewichtA 5 1B 4 2C 4 3

𝑖𝑖 = factor𝑛𝑛 = number of factors𝑡𝑡𝑥𝑥 = total resistance at point x 𝑔𝑔𝑖𝑖 = weight of factor 𝑖𝑖𝑤𝑤𝑖𝑖𝑥𝑥 = resistance of factor 𝑖𝑖 at point 𝑥𝑥

𝑡𝑡𝑥𝑥 = �𝑖𝑖=1

𝑛𝑛

𝑔𝑔𝑖𝑖 ⋅ 𝑤𝑤𝑖𝑖𝑥𝑥

MCDA-Formel32

Optimierung

Was ist der Least Cost Path?

Option 1: blauer Pfad• kürzer = weniger Diesel• Risiko, von Piraten gekidnappt zu

werden• hohe Zölle am Suezkanal

Option 2: brauner Pfad• länger = mehr Diesel• geringes Risiko, von Piraten gekidnappt

zu werden• geringe Zölle an der Strasse von Gibraltar

Option 1: Durch Suezkanal Option 2: Um Afrika herumKosten der Distanz 0.2 0.8

Kosten / Risiko für Kidnapping 0.6 0.1

Kosten für Zölle 0.7 0.3

Totale Kosten 1.5 1.2

Totale normalisierte Kosten

• Option 2 ist zwar länger, aber die totalen Kosten sind geringer als die von Option 1.

• Wie bewerten unterschiedliche Stakeholder die Kosten?• Wie zuverlässig sind die modellierten Resultate?

Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA)

Live Demo

Durchgeführte Studien und Resultate

Studie 1: Nutzerstudie, um Anwendbarkeit des 3D DSS zu evaluieren

Experten evaluierten:

6 MCDA-Modelle

3 Gewichtungsmodelle

3 Szenarien

3D DSS wurde auf Funktionalität und Nutzerzufriedenheit bewertet

3 Workshops mit Swissgrid, APG und diversen Bundesämtern durchgeführt

Grosses Potential zur Unterstützung der Leitungsplanung in einer frühen Phase

Hilfreiche Denk- und Diskussionsgrundlage

Gute, nützliche Funktionsweise

Entscheidungsmodelle komplexer gestalten

Auf ganzheitliche Betrachtung fokussieren

Resultate der Anwender-Workshops

Studie 2: Algorithmus zur Mastpositionierung in Masterarbeit erstellt und evaluiert

Schrittweise Berechnung der idealen Mastposition von Mast zu Mast

Piveteau (2017)

Der Ansatz bestimmt exakte Mastpositionen

Experten beurteilten die Positionierung der Masten als positiv, da gerade Linien bevorzugt wurden weniger Masten benötigt wurden geringere Kosten entstehen die Topografie berücksichtigt wurde

Ideal zur Validierung der berechneten Korridore in einer späten Planungsphase

Studie 3: Effekt des Entscheidungsmodells durch Sensitivitätsanalyse bestimmt

Berechnete Resultate der Sensitivitätsanalyse: 4 Millionen Runs

Optimales Planungsgebiet Optimaler Korridor Optimales Trassee

Indikative Baukosten Totaler Raumwiderstand Länge der durchquerten Schutzgebiete Technischer Umsetzbarkeitsindex Anzahl der Masten

Einfluss der Daten

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…bedeutende Landschaften …Siedlung/ Tourismusgebiete …Biodiversität

Hoher Schutz…

Einfluss des Begrenzungsmodells

scharfkantig kontinuierlich

Einfluss der MCDA-Methode und des Begrenzungsmodells

Modell 1, scharfkantig Modell 2, scharfkantig Modell 3, scharfkantig

𝑡𝑡1 𝑔𝑔,𝑤𝑤 = �𝑖𝑖=1

𝑛𝑛

⋅ ℎ𝑎𝑎,𝑖𝑖 𝑔𝑔,𝑤𝑤 𝑢𝑢𝑏𝑏,𝑖𝑖,𝑥𝑥 𝑤𝑤 𝑡𝑡2 𝑔𝑔,𝑤𝑤 =∑𝑖𝑖=1𝑛𝑛 ℎ𝑎𝑎,𝑖𝑖 𝑔𝑔,𝑤𝑤 ⋅ 𝑢𝑢𝑏𝑏,𝑖𝑖,𝑥𝑥 𝑤𝑤

ln 𝑐𝑐𝑥𝑥 + 1∀𝑐𝑐𝑥𝑥 ≥ 1 𝑡𝑡3 𝑔𝑔,𝑤𝑤 = max

𝑖𝑖∈ 1,…,𝑛𝑛ℎ𝑎𝑎,𝑖𝑖 𝑔𝑔,𝑤𝑤 ⋅ 𝑢𝑢𝑏𝑏,𝑖𝑖,𝑥𝑥 𝑤𝑤

Modell 1, kontinuierlich Modell 2, kontinuierlich Modell 3, kontinuierlich

𝑡𝑡1 𝑔𝑔,𝑤𝑤 = �𝑖𝑖=1

𝑛𝑛

⋅ ℎ𝑎𝑎,𝑖𝑖 𝑔𝑔,𝑤𝑤 𝑢𝑢𝑏𝑏,𝑖𝑖,𝑥𝑥 𝑤𝑤 𝑡𝑡2 𝑔𝑔,𝑤𝑤 =∑𝑖𝑖=1𝑛𝑛 ℎ𝑎𝑎,𝑖𝑖 𝑔𝑔,𝑤𝑤 ⋅ 𝑢𝑢𝑏𝑏,𝑖𝑖,𝑥𝑥 𝑤𝑤

ln 𝑐𝑐𝑥𝑥 + 1∀𝑐𝑐𝑥𝑥 ≥ 1 𝑡𝑡3 𝑔𝑔,𝑤𝑤 = max

𝑖𝑖∈ 1,…,𝑛𝑛ℎ𝑎𝑎,𝑖𝑖 𝑔𝑔,𝑤𝑤 ⋅ 𝑢𝑢𝑏𝑏,𝑖𝑖,𝑥𝑥 𝑤𝑤

Modell 1, kontinuierlich Modell 2, kontinuierlich Modell 3, kontinuierlich

unrealistische Korridorvorschläge durch Nichtberücksichtigung von

sich überlappenden Schutzgebieten

kein relevanter Unterschied zum Modell 1, trotz

Berücksichtigung von Überlappungen

berücksichtigt zusätzliche Schutzdistanzen

höherer Schutz von bedeutenden Landschaften

und Siedlungsgebieten

einfache Berechnung

wird den Erwartungen der Experten am gerechtesten

diese Zone ist für eine Leitung

geeignet

diese Zone ist für eine Leitung ungeeignet

diese Zone ist neutral (moderater

Widerstand)

Einfluss von Widerständen und Gewichtungen

Widerstände Gewichtungen

je höher das Gewicht, desto höher ist der Einfluss des Widerstandes

je höher das Gewicht, desto höher ist der Einfluss des Faktors innerhalb einer Kategorie

Faktor Widerstand Gewichtungen Widerstand korrigiert

Naturgefahren 2 1 2.000

Oberflächengewässer

1 3 1.500

S1-Grundwasserzone

0 1 0.000

S2-Grundwasserzone

-1 2 -1.250

ungeeignetes Relief

-2 3 -2.500

Einfluss der Gewichtung: 3 empirisch festgelegte Modelle wurden getestet

Frage: Wie sollen positive und negative Widerstände in ihrer Wirkung verstärkt werden?

∀ 𝑥𝑥 < 0 → ℎ 𝑔𝑔 =1𝑔𝑔

∀ 𝑥𝑥 ≥ 0 → ℎ 𝑔𝑔 = 7 𝑔𝑔A

∀ 𝑥𝑥 < 0 → ℎ 𝑔𝑔 =1𝑔𝑔

∀ 𝑥𝑥 ≥ 0 → ℎ 𝑔𝑔 = 10 𝑔𝑔B

ℎ 𝑔𝑔,𝑤𝑤 = 𝑤𝑤 +𝑠𝑠𝑔𝑔𝑛𝑛(𝑤𝑤) ⋅ (𝑔𝑔 − 1)

Signifikanter Einfluss auf die Variabilität des

Resultatsnicht signifikant

nicht signifikant

Einfluss der Nutzenfunktion: Wie sollen die Begriffe «geeignet», «weitgehend geeignet», «neutral», etc. mathematisch umgesetzt werden?

Untersuchung zweier Modellregionen: Ausschlaggebende Parameter

Modellregion 1 Modellregion 2

Untersuchung zweier Modellregionen: Ausschlaggebende Parameter

Modellregion 2Modellregion 1

Angewandte statistische Methode findet die dominanten Parameter des Modells.

Wir wissen, welcher Parameter wie viel zum Resultat beiträgt.

Ansatz zur Entzerrung des Modells vorgeschlagen, aber noch nicht getestet.

Volle Kenntnis über das Modell kann als wichtiges Argument für eine bestimmte Trasseeführung eingesetzt werden.

Wie eine statistische Datenanalyse die Argumentation unterstützen kann

Nächste Schritte

Visualisierung von Point Clouds

Visualisierung ohne (links) oder mit (rechts) Point Clouds

Mögliche Erweiterung: TLM 3D-Daten einbinden

Visualisierung mit LiDAR-Daten Beispiel: Swisstopo-Visualisierung mit TLM 3D-Daten

https://www.geo.admin.ch/de/home.detail.news.html/geo-internet/news2017/news20171025.html.html

Neues Projekt: «Erweiterung des 3D DSS: Integration von Erdkabeln»

Projektgruppe 3D DSS – EK

Förderung und fachliche Unterstützung Fachliche Unterstützung

Augmented und Virtual Reality

Lösung für mobile Geräte soll Zusatzinformationen anzeigen.

Nutzer können Alternativen vor Ort bewerten und kommentieren.

Verbesserte Kommunikation.

Vereinfachte Entscheidungsfindung.

Wie sicher sind Voraussagen eines Korridors, wenn man die modellierten Trassees analysiert?

Inwiefern eignet sich eine andere Abfragemethode für eine realistische Modellierung? (laufende Masterarbeit)

Lässt sich die Akzeptanz erhöhen, wenn man zur Visualisierung Virtual, Mixed oder Augmented Reality einsetzt?

Ideen für weitere Publikationen

Einsatz in realen Netzausbauprojekten

Verwendung zur übergeordneten Planung

Wirkt entscheidungsunterstützend

Verwendung als Kommunikationsmittel an Informationsveranstaltungen

Visualisierung des finalen Trassees aus der Perspektive betroffener Bürger

Wie wir eine höhere Akzeptanz erreichen wollen

Höhere Glaubwürdigkeit aufgrund realistischer Visualisierung

Offenheit gegenüber unterschiedlichen Technologien und Lösungen

Interessen aller Stakeholder werden durch MCDA berücksichtigt

Höhere Transparenz im Entscheidungsprozess

https://netzausbau.ethz.ch/ch/

https://www.youtube.com/watch?v=PDWy_unkKy8

http://www.esc.ethz.ch/news/archive/2017/05/3d-gis-for-planning-electric-power-systems.html

Diskussion

Haben Sie Fragen zum 3D DSS oder zur Methodik?

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

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