Typische Rechenzeiten für Tutorials
TOP-Energy erreicht mit dem Gurobi-Solver, für den die Lizenz inklusive ist, optimale Rechenzeiten.
Die Simulationszeiten der letzten Simulation (Start, Ende, Dauer) werden im Simulationsformular angezeigt.
Simulationszeit verkürzen
Zunächst ist zu beachten, dass die benötigte Rechenzeit eine hochgradig individuelle Größe ist. Sie hängt sowohl von der Projektkomplexität als auch von den verfügbaren Rechenkapazitäten ab.
Wenn die Simulation eines Energiesystems ungewöhnlich viel Zeit in Anspruch nimmt, ist zu prüfen, ob Fehler in der Modellbildung für die deutlich verlängerte Simulationszeit verantwortlich sind. Mögliche Fehlerquellen werden im Folgenden erläutert.
Asynchrone Zeitreihen
Die üblicherweise zur Simulation verwendeten stündlich aufgelösten Jahreszeitreihen (mit insgesamt 8760 Zeitschritten) stellen für die Software kein Problem dar. Auch halb- oder viertelstündlich aufgelöste Zeitreihen sind für Projekte mit überschaubarer Komplexität kein Hindernis.
Wenn aber die verschiedenen Zeitreihen eines Projektes jeweils unterschiedliche Zeitpunkte enthalten, die nicht synchronisiert sind, wird eine große Menge weiterer Datenpunkte interpoliert.
Beispiel
Die Zeitreihe 1 enthält Zeitpunkte im Stundenraster um 00:00 Uhr, 01:00 Uhr, 02:00 Uhr usw.
Die Zeitreihe 2 enthält Zeitpunkte im Stundenraster um 00:15 Uhr, 01:15 Uhr, 02:15 Uhr usw.
Das Programm interpoliert die fehlenden Werte, da nur übereinstimmende Zeitpunkte simuliert werden. Es resultiert eine Zeitreihe mit den Zeitpunkten 00:00 Uhr, 00:15 Uhr, 01:00 Uhr, 01:15 Uhr, 02:00 Uhr, 02:15 Uhr usw.
Einen Hinweis auf die Ergänzung nicht übereinstimmender Zeitreihen bietet die Simulatormeldung 8277:
Die Zeitpunkte der Eingabezeitreihen stimmen nicht genau überein. Insgesamt wurden … Datenpunkte ergänzt.
Die durch Interpolation entstehende höhere Auflösung der Zeitreihen ist in den meisten Fällen nicht gewollt. Sie liefert keine detaillierteren Informationen über das Energiesystem, verlängert aber die notwendige Rechenzeit. Daher sollte der Ergänzung der Zeitreihen vorgebeugt werden, indem die Zeitreihen vor der Simulation mit dem ETA synchronisiert werden.
Sind die Zeitreihen zu groß für den Arbeitsspeicher, erscheint vor der Simulation die folgende Warnung in einem Pop-Up-Fenster:
Grenze des Arbeitsspeichers erreicht
Die Simulation benötigt mehr als 1 GB an Arbeitsspeicher. Bitte reduzieren Sie das Simulationsmodell oder die Größe der Eingabezeitreihen. Andernfalls kann es während der Simulation zu Fehlern oder zum Absturz der Software kommen. Möchten Sie die Simulation wirklich fortsetzen?
Wenn die hohe Zahl an Datenpunkten für das Projekt notwendig ist, kann die Simulation ungeachtet der Meldung fortgesetzt werden.
Zu großes Zeitfenster (Look-Ahead)
Für manche Modelle ist es nötig, einen passenden Look-Ahead vorzugeben, sodass mit vorausschauender Betriebsweise optimiert werden kann.
Bitte stellen Sie sicher, dass dort nicht versehentlich eine falsche Zahl eingetragen wurde. Das Zeitfenster muss angemessen sein. Ein ungünstig gewähltes Zeitfenster verlängert die Simulation.
Rechenzeitbedarf der Simulation/Optimierung
Eine Simulation durchläuft mehrere unabhängige Schritte, die detailliert in der Log-Liste des Simulatorfensters nachvollzogen werden können.
Einen großen Teil der benötigten Rechenzeit nimmt die Optimierung ein. Bei zeitlich gekoppelten Systemen ist dieser Anteil besonders groß.
Im rechten Teil des Simulatorfensters wird unter Übersicht → Verlaufsinformationen der Fortschritt der linearen Optimierung detailliert angezeigt. Nachdem der Fortschritt der linearen Optimierung 100 % erreicht hat, werden die variierenden Zahlen der Iterationen für das aktuelle Gleichungssystem angezeigt, bis die Simulation abgeschlossen ist.
In manchen Fällen kann auch die Iteration für lange Lösungszeiten ursächlich sein. An welcher Stelle sich der jeweilige Engpass befindet, hängt von dem individuellen Projekt ab.
Optimierung
Solver
Durch die Verwendung des Solvers Gurobi sind die besten Voraussetzungen für kurze Rechenzeiten gegeben, und es ist nicht nötig, extra eine Parallelisierung zu aktivieren, wie in früheren TOP-Energy-Versionen. Zusätzlich sind für die Rechenzeit die Einstellungen des Solvers relevant, insbesondere der Gap für den Solverabbruch und der Abbruchzeit, der maximalen Zeit zum Lösen, bei deren Überschreiten der Rechenprozess abgebrochen wird. Je niedriger die Gap für den Solverabbruch gewählt wird, desto länger kann die Optimierung dauern.
Gegebenenfalls ist eine Genauigkeit von 2 % für ein Projekt ausreichend. Es lässt sich unter Umständen Simulationszeit sparen, wenn dieser Wert gewählt wird.
Modellierung: Maximale Leistungen (Big-M-Werte) beschränken
Im TOP-Energy-Modell kann es vorteilhaft sein, die Schranken für das Optimierungsproblem (Big-M-Werte) herabzusetzen. Dazu werden die standardmäßig sehr hohen Werte für Maximale Leistungen (z. B. Maximale Liefer- und Einspeiseleistung im Stromversorger, maximale Leistungen in den Wärmeübertrager-Komponenten) auf die im Projekt vorkommenden Beträge reduziert.
In Gleichungssystemen für gemischt-ganzzahlige Optimierungsprobleme werden häufig sogenannte Big-M-Formulierungen verwendet. Vereinfacht betrachtet werden Ungleichungen dabei so formuliert, dass eine Binärvariable mit einem großen Schrankenwert verknüpft wird. Es ist aber ratsam, diese Schranken so niedrig wie möglich zu wählen, da starke Größenunterschiede in den Zielfunktionsbeiträgen der Optimierung immer numerisch ungünstig sind. Die Standardwerte in den Komponentenvorlagen sind sehr groß gewählt, damit eine physikalische Schranke nicht tatsächlich wirksam wird. Praktisch findet man diese Werte als Grenzwerte unter anderem in den folgenden Komponenten:
Die Maximalleistungen liegen standardmäßig bei mehreren Megawatt und können in den meisten Anwendungsfällen problemlos herabgesetzt werden.
Die sinnvolle Beschränkung der Big-M-Werte wirkt sich in vielen Fällen positiv auf die benötigte Rechenzeit aus. Daher sind diese Maßnahmen grundsätzlich zu empfehlen!
Die folgende Abbildung zeigt, wie Sie die Maximale übertragbare Leistung in den Technischen Eingabedaten festlegen können.
Ungünstig bestimmte Big-M-Werte signalisiert die Fehlermeldung 8358.
Newton Iterationsproblem
Nach der Lösung des Optimierungsproblems kann die Lösung eines nichtlinearen algebraischen Gleichungssystems mit dem Newton-Solver folgen. Das ist der Fall, wenn Sie mit den Stoffeigenschaften Temperaturabhängig oder Mit Zusammensetzung simulieren. Dann stoppt der Simulationsfortschrittsbalken bei einem bestimmten Wert (meist um 80 %), sobald die Optimierung beendet ist (Anzeige im Simulatorfenster: Übersicht → Verlaufsinformationen → Fortschritt der linearen Optimierung 100 %), und die Iterationen für das aktuelle Gleichungssystem werden wiederholt von 0 hochgezählt. Die folgenden Einstellungen können in diesem Fall hilfreich sein:
Wenn Komponenten mit Verbrennung (z. B. Heißwasserboiler, BHKW, Gasturbine) im Projekt vorhanden sind und Sie mit dem Brennstoffmodell Mit Zusammensetzung simulieren, ist es numerisch günstig, die Luftzahl (Verbrennungsluftverhältnis, in den Technischen Eingabedaten unter Verbrennungsrechnung) vorzugeben. Dagegen kann die Vorgabe von Konstantem Luftmassenstrom oder der Geschätzten Abgastemperatur mehr Iterationen verursachen.
Für die Simulation von Wärmekreisläufen mit der Stoffeigenschaft Temperaturabhängig geben Sie die Vorlauftemperatur (in den Technischen Eingabedaten unter Wärmeträger (Wasser) vor. Diese Vorlauftemperaturen sollten immer korrekt nach den geltenden Konventionen gewählt werden: Alle Vorlauftemperaturen müssen höher sein als alle Rücklauftemperaturen.
