Für die Energiesystemforschung sind Software-Modelle ein Kernelement zur Analyse von Szenarien. Das Forschungsprojekt UNSEEN hatte das Ziel eine bisher unerreichte Anzahl an modellbasierten Energieszenarien zu berechnen, um Unsicherheiten – vor allem unter Nutzung linear optimierender Energiesystem-Modelle - besser bewerten zu können. Hierfür wurden umfangreiche Parametervariationen auf Energieszenarien angewendet und das wesentliche methodische Hindernis in diesem Zusammenhang adressiert: die rechnerische Beherrschbarkeit der zu lösenden mathematischen Optimierungsprobleme. Im Vorläuferprojekt BEAM-ME wurde mit der Entwicklung und Anwendung des Open-Source-Lösers PIPS-IPM++ die Grundlage für den Einsatz von High-Performance-Computing (HPC) zur Lösung dieser Modelle gelegt. In UNSEEN war dieser Löser die zentrale Komponente eines Workflows, welcher zur Generierung, Lösung und multi-kriteriellen Bewertung von Energieszenarien auf dem Hochleistungscomputer JUWELS am Forschungszentrum Jülich implementiert wurde. Zur effizienten Generierung und Kommunikation von Modellinstanzen für Methoden der mathematischen Optimierung auf HPC wurde eine weitere Workflow-Komponente von der GAMS Software GmbH entwickelt: der Szenariogenerator. Bei der Weiterentwicklung von Lösungsalgorithmen für linear optimierende Energie-Systemmodelle standen gemischt-ganzzahlige Optimierungsprobleme im Fokus, welche für die Modellierung konkreter Infrastrukturen und Maßnahmen zur Umsetzung der Energiewende gelöst werden müssen. Die in diesem Zusammenhang stehenden Arbeiten zur Entwicklung von Algorithmen wurden von der Technischen Universität Berlin verantwortet. Bei Design und Implementierung dieser Methoden wurde sie vom Zuse Instituts Berlin unterstützt.
Deep learning for spatio-temporal supply anddemand forecasting in natural gas transmission networks
(2021)
Germany is the largest market for natural gas in the European Union, with an annual consumption of approx. 95 billion cubic meters. Germany's high-pressure gas pipeline network is roughly 40,000 km long, which enables highly fluctuating quantities of gas to be transported safely over long distances. Considering that similar amounts of gas are also transshipped through Germany to other EU states, it is clear that Germany's gas transport system is essential to the European energy supply. Since the average velocity of gas in a pipeline is only 25km/h, an adequate high-precision, high-frequency forecasting of supply and demand is crucial for efficient control and operation of such a transmission network. We propose a deep learning model based on spatio-temporal convolutional neural networks (DLST) to tackle the problem of gas flow forecasting in a complex high-pressure transmission network. Experiments show that our model effectively captures comprehensive spatio-temporal correlations through modeling gas networks and consistently outperforms state-of-the-art benchmarks on real-world data sets by at least 21%.
The results demonstrate that the proposed model can deal with complex nonlinear gas network flow forecasting with high accuracy and effectiveness.
With the emergence of ”Big Data” the analysis of large data sets of high-dimensional energy time series in network structures have become feasible. However, building large-scale data-driven and computationally efficient models to accurately capture the underlying spatial and temporal dynamics and forecast the multivariate time series data remains a great challenge. Additional constraints make the problem more challenging to solve with conventional methods. For example, to ensure the security of supply, energy networks require the demand and supply to be balanced.
This paper introduces a novel large-scale Hierarchical Network Regression model with Relaxed Balance constraint (HNR-RB) to investigate the network dynamics and predict multistep-ahead flows in the natural gas transmission network, where the total in- and out-flows of the network have to be balanced over a period of time. We concurrently address three main challenges: high dimensionality of networks with more than 100 nodes, unknown network dynamics, and constraint of balanced supply and demand in the network. The effectiveness of the proposed model is demonstrated through a real-world case study of forecasting demand and supply in a large-scale natural gas transmission network. The results demonstrate that HNR-RB outperforms alternative models for short- and mid-term horizons.