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IKT-Konzept zur Realisierung ubiquitärer Kraftwerke

Energienetze der Zukunft

Tagung im Rahmen der 22. Wissenschaftlichen

Konferenz an der Hochschule Mittweida

bkz - Bildungs- und Kommunikationszentrum im Wasserkraftwerk Mittweida

24. Oktober 2012

M. Sc. Marek Kretzschmar · Westsächsische Hochschule Zwickau

Fakultät Wirtschaftswissenschaften · Arbeitskreis Integrierte Informationssysteme

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e Agenda

Einleitung

Was ist ein „Ubiquitäres Kraftwerk“?

Exkurs: Ubiquitous Computing

Ubiquitäres Kraftwerk

Modulares IKT-Konzept

OSGi –Standard für modulare Softwareentwicklung

Aspekt Sicherheit

Framework für die Visualisierung

Anwendungsfall Datenvisualisierung

Anwendungsfall Visualisierung für Elektromobilität

Mobile Visualisierung

Zusammenfassung und Ausblick

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e Einleitung

Ziele:

Bedarfsgesteuerte Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Energie in lokalen Versorgungsnetzen (Strom, Gas, Wärme)

Modulare, plattformunabhängige Softwarearchitektur

Serviceorientierte Steuerungslogik und Algorithmen

Bereitstellung von Visualisierungen für unterschiedlichste Akteure

Automatische, Szenarien basierte Generierung der Oberflächen

Steigerung der Akzeptanz von Smart Building Technologien bei relevanten Zielgruppen und Anwendern

Aber:

Benötigen ubiquitäre Kraftwerke, Smart Grids und intelligente Gebäude überhaupt Visualisierungen?

Wäre ein transparente Steuerung nicht besser?

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e Ubiquitous Computing

„Im 21. Jahrhundert wird die technologische Revolution

das Alltägliche, Kleine und Unsichtbare sein.“ *1+ Mark Weiser (1952-1999)

Vision des Ubiquitous Computing (1991): Spezielle Hard- und Softwareelemente (…) sind so allgegenwärtig, dass niemand deren Präsenz wahrnehmen wird. Erfüllen ihre Aufgaben im Hintergrund. [1]

4

Mark Weiser: Ubiquitous Computing (1991!), aus [1]

Quellen: [1] Mark Weiser „The Computer for the 21st Century“,

In: Scientific American Sept. 1991

…2012 …2033 ? ? ? 1991

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e Ubiquitäres Kraftwerk

• Einbindung der Domänen Strom, Wärme, Gas

• dezentraler Ansatz; Virtualisierung der Ressourcen

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Grundgedanke: Verlagerung der Intelligenz der Geräte in das verteilte Softwaresystem

• Schaffung einer einheitlichen, verteilten Dienste (Distributed Services)

• Dynamische Anbindung neuer Ressourcen (Erzeuger, Speicher, Verbraucher) durch automatische Konfiguration (Plug&Play)

Quellen: [1] Lehnhoff, S.: Dezentrales vernetztes Energie-

management, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2010.

Virtuelles Kraftwerk

Managementsystem

Erzeugergestellschaft

Übertragungsnetzbetreiber

Sportmarkt

Regelenergie

Überschussmengen

Dezentrales Energiemanagement System

Prognose Einsatzplanung Optimierung

Kommunikationsnetz

REA 1 REA 2 REA 3

REA 4

...

ISDN

LAN/WAN GSM

Web/XML

Virtuelles Kraftwerk, aus [1]

UKW

Verbraucher

Energie

Daten

Erzeuger

Speicher

Virtu

alis

ieru

ng

Smart Control

Smart Control

Smart Control GP

Geschäftsprozesse

Informationen

exte

rn

IF

in

tern

.

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e Integration von Energiespeichern

Problem:

• Laut BNetzA im Jahr 2010 Ausfallarbeit von 127 GWh (2009: 74GWh)

Einbindung unterschiedlicher Speichermedien und –technologien wie bspw.

• Haushaltenergiespeicher

• Lageenergiespeicher

• Pumpspeicherwerke

• Power-To-Gas

• …

Kopplung von Speichern (auch Querverbund) erfordert standardisierte IKT-Lösungen

• Durch modulare OSGi –Architektur, Virtualisierung und serviceorientierte Konzepte erreichbar

6

Quellen:

[1] Power-to-Gas: Verfahrensschema und Einbindung in das

Energiesystem. URL: http://www.zsw-bw.de/themen/brennstoffe-

wasserstoff/power-to-gas.html

[2] Hempel, T., Veit, B., Bodach, M,: Haushaltenergiespeicher. In:

IWKM Scientific Reports, Vol. 6, 2011, pp.38-41.

Power-to-Gas Prinzipskizze aus [1]

Baugruppenträger mit Haushaltenergiespeicher [2]

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e Modulares Konzept

Modularisierung: OSGi (I)

Dynamisches Modulsystem für die Programmiersprache Java

Spezifiziert von der OSGi Alliance (www.osgi.org)

Baukastensystem für Software (Bausteine==Komponenten/Bundles)

Ursprünglicher Einsatzzweck: Gebäudesystemtechnik (Residential Internet Gateways)

Eclipse Equinox: Referenz der Eclipse Foundation (www.eclipse.org/equinox)

Service-Plattform, Standard-Dienste (Core Specification):

HTTP-Service (Webserver)

Event Admin Service

… und viele weitere

Fernmanagement von Komponenten (Bundles) und Diensten (Services) im Standard bereits vorgesehen

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Hardwareplattform

OSGi Framework

Service-Schicht

Lifecycle-Management-Schicht

Secu

rity

Module-Schicht

Execution Environment (JRE)

Betriebssystem

Framework Services

Quellen: [1] Wüterich, G., Hartmann, N., Kolb, B., Lübken, M.:

Die OSGi Service Plattform – Eine Einführung mit Eclipse Equinox,

dpunkt.verlag GmbH, Heidelberg, 2011

Logische Schichten im OSGi Framework, nach [1]

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e Modulares Konzept

Modularisierung: OSGi (II)

Definierter Lifecycle der Komponenten ermöglicht Hinzufügen, Austauschen und Entfernen einzelner Komponenten (Bundles) zur Laufzeit ( Live-Update einzelner Programmteile möglich!)

Verwaltet Abhängigkeiten zwischen Bundles mit Hilfe von spezifischen Metadaten (Anreicherung der .jar Dateien)

Komplexe verteilte Systeme mit Distributed OSGi realisierbar („From Smart Building to Smart Grid“)

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OSGi

OSGi

OSGi OSGi

OSGi

OSGi

INSTALLED

RESOLVED

UNINSTALLED

STARTING

ACTIVE

STOPPING

install refresh/update

resolve refresh/update

uninstall

start

stop stop

OSGi Bundle Lifecycle, nach [1]

Quellen: [1] Wüterich, G., Hartmann, N., Kolb, B., Lübken, M.:

Die OSGi Service Plattform – Eine Einführung mit Eclipse Equinox,

dpunkt.verlag GmbH, Heidelberg, 2011

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e Aspekt Sicherheit

Sicherheit durch Kombination aus infrastrukturellen (1) und anwendungsfokussierten Technologien (2)

1. VPN, VLAN

2. Zertifikate, SSL/TLS

Anwendungsbezogene Sicherheit, beispielsweise durch

• Nutzung des OSGi Security Layer

• Einhaltung grundlegender Sicherheitsrichtlinien bei der Entwicklung

Beispiel:

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LAN 1

WAN LAN 1

LAN n

LAN 2

…

VLAN n

n 1 2 3

VLAN 1

VPN + VLAN Switch

WAN

(VPN)

VLAN

VPN-Verbindung

public class AlmostSecure {

public AlmostSecure() {

this.init();

}

protected void init() {

SecurityManager.check();

}

}

public class AlmostSecureOverridden {

public AlmostSecureOverridden () {

super();

}

protected void init() {

// Sicherheitsprüfung wird umgangen!

}

}

Quellen: [1] http://de.slideshare.net/kaihackbarth/security-in-osgi-

applications-robust-osgi-platforms-secure-bundles, Folie 21.

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e Aspekt Visualisierung

Requirements Engineering

Nutzerorientierung

Sicherheit

Wiederverwendbarkeit

Erweiterbarkeit, Wartbarkeit

Plattformunabhängigkeit

Einsatz der Programmiersprache Java

Evaluation Architekturvarianten:

Klassisches Desktop-Programm vs. browserbasierte Anwendung

Kommunikation (speziell im Umfeld mobiler Anwendungen)

Zielgruppen

• u.a. Energieversorger (Monitoring, Leitstand), Verwaltung und Mieter im kommunalen Wohnungsbau (Smart Building), ext. Dienstleister, Elektromobilität

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Plattform-unabhängigkeit

Windows

Linux

Android iOS

…

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e OSGi und Vaadin }>

Framework für UI-Entwicklung: Vaadin (www.vaadin.com)

Oberflächen werden in Java programmiert

Client-Server-Architektur (Server: Java, Client: HTML+JS)

Nutzt intern Google Web Toolkit (GWT) Java Quellcode (Compiler) HTML und JavaScript (Webseiten)

Umfangreiche UI-Komponentenbibliothek, benutzerdefiniert erweiterbar

Erweiterbar mit Add-Ons (bspw. Invient Charts, https://vaadin.com/directory#addon/invient-charts)

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UIComponents Bundle

OSGi Communication Bundle

(indirekt über OSGi Service Bundle) OSGi

HTTP Service

OSGi Application Bundle

Web Browser

Client-Side Engine

Java Web

Server

Vaadin

UI Components

Java

Applikation

EJB

WebService

DB

Vaadin

OSGi

Quelle: https://vaadin.com/directory#addon/invient-charts

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e OSGi basierte Visualisierung

OSGi als Container (Ausführungsumgebung) für Softwarekomponenten

Einheitliche Datenbasis für Dienste, Zugriff auf Daten nur über Services möglich

Dienste kapseln Logik bzw. Algorithmen

Komponenten für lokale Desktop-Applikationen (Java Swing API)

Webserver-Dienst ermöglicht Zugriff auf Implementierungen der Web-Anwendungen

HTTP-basierte Kommunikationsschnittstellen für mobile Anwendungen

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Hardware-Ebene / Feldbus (z.B. KNXnet/IP, ModBus, RS-485, …)

Host-Rechner

OSGi Plattform

WebServer (OSGi HTTP Service)

UI-Bundles (Vaadin Servlets und Add-Ons)

Service-Bundles

Automatisierungs- und Persistenz-Komponenten

Communication-Bundles

WebSocket WebServices

Mobile Geräte (z.B. Smartphone, Tablet)

Browser Native App

HTTP

Java Swing UI

Desktop-PC o.ä.

Browser Lokale Anwendung

UI Level

Service Level

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e Webbasierte Datenvisualisierung

Prototypische Implementierung einer Anwendung zur Datenvisualisierung

Dynamische Definition von Datenquellen (z.B. PV

Freie Zuordnung von Datenquellen zu 1..n Diagrammen

Unabhängig von der TGA, universell einsetzbar durch Virtualisierung

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DAVISU – Datenvisualisierung für das ubiquitäre Kraftwerk

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e Visualisierung für Elektromobilität

Realisierung einer Solar-Elektro-Tankstelle am August-Horch-Museum Zwickau

Anzeige von Daten der PV-Anlage, Energiespeicher, Energieversorger (Einspeisung / Entnahme) sowie Zustand und Verbrauch der Ladestationen

Betrachtung historischer Verläufe für o.g. Daten

Authentifizierungs- und Abrechnungsdienst

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RS485

XML / WS

MODBUS/TCP

10kWh

190 Wp pro Modul / gesamt 4,75 kWpeak

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e Kommunikationsaspekte mobiler Apps

Polemik der Paradigmen:

Push vs. Polling – Wie gelangen die Daten zum mobilen Gerät (visa versa)? (Transparent für Anwender, jedoch von hoher Bedeutung bei der Konzeption)

Probleme im mobilen Umfeld:

Nur eingeschränkte Ressourcen verfügbar (insbes. Akku)

Volatile Netzverbindungen

Spezifische Anforderungen und Möglichkeiten der verschiedenen Plattformen

Aktuelle Trends:

Cross Plattform Mobile Development für Apple iOS, Google Android, Windows Phone; generische Entwicklung

WebSockets nach IETF (RFC 6455)1 als Kommunikationstechnologie

Nutzung von HTML5 in browserbasierten Anwendungen

Datenformate: XML, JSON

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Quellen:

[1] https://tools.ietf.org/html/rfc6455 (28.08.2012)

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Internet via

GSM/HSCSD/GPRS

/EDGE/UMTS/LTE/

…

Beispiel mobile Visualisierung

Beispiel - Mobile Anwendung für Elektromobilität (Android App)

Prinzip

• Zugriff auf WebService der OSGi basierten IKT der Solar-Elektro-Tankstelle

Bereits implementierte Funktionen

• Zustandsanzeige der einzelnen Ladestationen (frei, belegt, ladend)

• Anzeige aktueller Ertragswerte der PV-Anlage, Netzeinspeisung- und Entnahme sowie Speicherstatus

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Emobility OSGi Container

Virtualization Bundles

UI Data Service

Mobile Server Bundle

HTTP

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e Zusammenfassung und Ausblick

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(Quelle: http://flickr.com/photos/tfrancis/539308690/)

Brauchen wir für ubiquitäre Kraftwerke also eine IKT-Architektur mit modularer Visualisierung ?

JA – denn sie ist mehr als nur ein Spielzeug für Digital Natives1

Informelle Übersicht ist gerade bei solch komplexen Systemen notwendig

Trotz hochgradiger Automatisierung werden Anwender nicht auf manuelle Eingriffe verzichten wollen

Für wissenschaftliche Untersuchungen (bzw. zeitnahe Auswertungen mit Hilfe von Diagrammen) anwendbar

OSGi ist eine ideale Basis für komplexe und dennoch wart- und erweiterbare Softwaresysteme

1 Marc Prenzky: On the Horizon. MCB University Press, Vol. 9

No.5, October 2001.

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e Zusammenfassung und Ausblick

Geplante Vorhaben:

Echtzeitnahe Visualisierung von Daten (z.B. sekundengenaue Stromverbrauchsanzeige, um gezielt einzelne Extremverbraucher zu identifizieren)

Touch- und Gesten-Steuerung auch im Desktop-Bereich (Windows 8?)

Erweiterung der mobilen Anwendung um Funktionen wie Reservierung von Ladepunkten oder Anzeige von Verlaufsdiagrammen

Einsatz der Softwarelösung in weiteren energiefokussierten Forschungsprojekten (auch Ambient Assisted Living)

Ausbau der Emobility-Infrastruktur an der WHZ und im Raum Zwickau unter Anwendung der OSGi-Architektur

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt:

Marek Kretzschmar

Westsächsische Hochschule Zwickau

Fakultät Wirtschaftswissenschaften

marek.kretzschmar@fh-zwickau.de

+49 (0375) 536 - 3266 http://aiis.fh-zwickau.de

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