Visualisierungskomponente fur ein Hochspannungs-Gleichstrom- … · 2015. 4. 8. · UML ist eine...

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Fakultät für Informatik

Bachelorarbeit

Visualisierungskomponente für einHochspannungs-Gleichstrom-

Übertragungs-NetzÜberwachungssystem

Autor:

Denny Dittmann

30. September 2014

Betreuer:

Prof. Dr. Frank Ortmeier

Institut für verteilte Systeme

Marco Filax

Institut für verteilte Systeme

Alexander Pelzer

Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb-und automatisierung IFF

Dittmann, Denny:Visualisierungskomponente für ein Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-NetzÜberwachungssystemBachelorarbeit, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 2014.

Inhaltsverzeichnis iii

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis v

Tabellenverzeichnis vii

Abkürzungsverzeichnis ix

1 Einleitung 11.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Grundlagen 52.1 Begriffserklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Unified Modifier Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Visualisierung von Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3.1 Visualisierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Konzept 93.1 Anforderungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1.1 Systemkontext . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.1.2 Anwendungsfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1.2.1 Aktivität: Informationen über Betriebsmittel über-tragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1.2.2 Aktivität: Betriebsmittel steuern . . . . . . . . . . . 113.1.2.3 Aktivität: Systemzustand anzeigen . . . . . . . . . . 123.1.2.4 Aktivität: Analysieren des Stromnetzes . . . . . . . . 123.1.2.5 Aktivität : Problem eines Betriebsmittels beheben . . 133.1.2.6 Aktivität: Reperaturauftrag durchführen . . . . . . . 143.1.2.7 Aktivität: Netzdaten für die Netzplanung anfragen . 15

3.1.3 Funktionale Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.4 Nicht funktionale Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1.5 Domänenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2 Visualisierungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.1 Gesamtübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.1.1 Windkraftanlagen und Umrichterstationen . . . . . . 213.2.1.2 Leitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2.2 Detailsichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

iv Inhaltsverzeichnis

3.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4 Umsetzung 274.1 Techniken zur Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.2 Gesamtübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.3 Detailsichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5 Evaluierung 295.1 Testszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.1.1 Testen der funktionalen Anforderungen . . . . . . . . . . . . . 295.1.2 Testen der nicht funktionalen Anforderungen . . . . . . . . . . 31

5.2 Testergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6 Zusammenfassung und Ausblick 376.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Literaturverzeichnis 39

Abbildungsverzeichnis v

Abbildungsverzeichnis

1.1 Bruttostromerzeugung nach Energieträgern 2013 [Bun13] . . . . . . . 2

1.2 Rohölpreis Brent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3.1 Darstellung des Systemkontexts mit Hilfe eines Anwendungsfalldia-gramms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Darstellung der funktionalen Anforderungen in einem Anwendungs-falldiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.3 Aktivität: Informationen über Betriebsmittel Übertragen . . . . . . . 13

3.4 Aktivitätsdiagramm: Betriebsmittel steuern . . . . . . . . . . . . . . 14

3.5 Aktivität: Systemzustand anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.6 Aktivitätsdiagramm: Analysieren des Stromnetzes.png . . . . . . . . 16

3.7 Aktivität: Problem eines Betriebmittels beheben . . . . . . . . . . . . 23

3.8 Aktivität: Reperaturauftrag durchführen . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.9 Aktivität: Netzdaten für die Netzplanung anfragen . . . . . . . . . . 24

3.10 Darstellung des Domändenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.1 Testszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

vi Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis vii

Tabellenverzeichnis

3.1 Auflistung der Betriebsmittel sowie die Parameter . . . . . . . . . . . 20

viii Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis ix

Abkürzungsverzeichnis

EEG Erneuerbaren-Energien-Gesetz

HGÜ Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

UML Unified Modifier Language

x Abkürzungsverzeichnis

1

1. Einleitung

Der Energiebedarf in Deutschland besteht größtenteils aus fossilen Energieträgern(vgl. Abbildung 1.1). Zu diesen Energieträgern gehören unter anderem Erdöl, Erd-gas, Steinkohle und Braunkohle [Qua08]. Fossile Energieträger können sich nicht re-generieren. Dies hat zur Auswirkung, dass diese Energieträger in Zukunft nichtmehrvorhanden sind. So reicht zum Beispiel das Erdgas, bei gleich bleibenden Verbrauch,ca. 64 Jahre und konventionelles Erdöl 43 Jahre [JN04]. Des Weiteren steigen diePreise von fossilien Energieträgern, wie zum Beispiel das Rohöl, an Abbildung 1.2.Ein Grund für diese Preissteigerung liegt an dem weltweiten Fördermaximum vomErdöl, welches bereits 2015 erwartet wird. Aus diesen Gründen werden neue Energie-quellen für die Sicherstellung des Energiebedarfs, wie zum Beispiel in Deutschland,benötigt.Dabei nehmen die erneuerbaren Energiequellen eine zunehmende Rolle im Energie-markt ein [Mat14]. Gründe hierfür sind beispielsweise die Einführung des Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) und Erreichung von Klimaschutzzielen [Mat14][Rem06]. DieBundesregierung erklärte, dass Mitte des Jahrhunderts die Hälfte des Energiever-brauchs durch erneuerbare Energien gedeckt werden soll [BfU02]. Zur Zeit ist derAnteil an der Stromerzeugung bei 23,9 Prozent [Bun13]. Dabei spielt der Ausbauder Windkraftanlagen eine wichtige Rolle, da sie mit 40 % den größten Anteil amerneuerbaren Strom stellt [? ]. So werden unter anderem neue Offshore-Windparksgebaut wie zum Beispiel das Projekt DanTysk [NA114].

1.1 Problemstellung

Um die erzeugte Energie der Offshore-Windparks in das bestehende Netz einzu-binden werden neue Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)-Netze aufge-baut. Diese neu aufgebauten HGÜ-Netze müssen, für die Sicherstellung der Stabi-lität, der Qualität und der Sicherheit, kontinuierlich überwacht werden. Für dieseÜberwachung wird ein Überwachungssystem eingesetzt. Das Überwachungssystemmuss unter Anderem einen Gesamtüberblick über das Netz darstellen. Dieser Ge-samtüberblick soll dem Nutzer dabei helfen, den aktuellen Zustand des HGÜ-Netzeszu analysieren. Dafür müssen verschiedene, HGÜ-Netz spezifische, Parameter, wie

2 1. Einleitung

Abbildung 1.1: Bruttostromerzeugung nach Energieträgern 2013 [Bun13]

zum Beispiel die Auslastung eines Windrads, dargestellt werden. Dabei muss si-chergestellt werden, dass die Darstellung dieser Parameter intuitiv interpretierbarist.

1.2 Ziel

Das Ziel dieser Arbeit ist es ein Überwachungssystem zu konizipieren und zu ent-wickeln, welches es dem Benutzer ermöglicht, Probleme im HGÜ-Netz zu erkennenum darauf reagieren zu können. Dafür muss zum Einem der Funktionsumfang desÜberwachungssystems analysiert werden und zum Anderen müssen, für die Umset-zung des Überwachungssystems, verschiedene 2D als auch 3D Visualisierungsmetho-den beschrieben werden. Abschließend müssen verschiedene Visualisierungskonzeptemiteinander verglichen und anschließend bewertet werden.

1.3 Aufbau der Arbeit

In diesem Kapitel wurde das Problem definiert und darauf aufbauend das Ziel dieserArbeit erläutert.Kapitel 2 vermittelt die Grundlagen, welche für das Verständnis der Arbeit notwen-dig ist. Dabei werden neben den Grundlagen von Unified Modifier Language (UML)verschiedene Visualisierungsmethoden beschrieben.In Kapitel 3 wird zum Einen eine Anforderungsanalyse durchgeführt und zum Ande-ren verschiedene Visualisierungskonzepte miteinander verglichen und bewertet. Die

1.3. Aufbau der Arbeit 3

Abbildung 1.2: Rohölpreis Brent

Anforderungsanalyse dient dazu den Systemumfang zu beschreiben.Kapitel 4 beschreibt die Umsetzung eines Konzeptes, dabei werden die verschiede-nen Darstellungssichten dargestellt und erläutert.In Kapitel 5 werden die Anforderungen, welche in Kapitel 3 evaluiert. Dafür werdenverschiedene Testszenarien beschrieben und bewertet.Kapitel 6 wird abschließend die Ergebnisse dieser Arbeit zusammenfassen. Dabeiwird ein Überblick über das Konzept und ein Ausblick auf Erweiterungen und mög-lichen Veränderungen gegeben.

4 1. Einleitung

5

2. Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Grundlagen vermittelt, welche für das Verständnisdieser Arbeit notwendig sind. Die Grundlagen umfasst die Beschreibung einzelnerBegriffe, UML und die Visualisierung von Informationen.

2.1 Begriffserklärung

In diesen Abschnitt wird der Kontext, der in dieser Arbeit vewendeten Begriffe,beschrieben.

Betriebsmittel

Leitungen, Windkraftanlagen und Umrichterstationen werden in dieser Arbeit alsBetriebsmittel bezeichnet.

Überwachungssystem

Ein Überwachungssystem ist eine Software, welche das zu kontrollierende Systemvisualisiert. In dieser Arbeit wird HGÜ-Überwachungssystem als Überwachungssys-tem bezeichnet.

2.2 Unified Modifier Language

UML ist eine grafische Modellierungssprache [Fow99], welche eine einheitliche Nota-tion und Semantik sowie die Definition eines Metamodells beschreibt [BO05][Gro10].UML wird für die übersichtliche und präzise Darstellung von Ergebnissen einer Pla-nung verwendet [CR07]. Dafür stellt UML verschiedene Diagrammtypen zur Ver-fügung. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Anforderungsanalyse mit Hilfevon UML dargestellt. Für die Darstellung werden UseCase-Diagramme, Klassendia-gramm und Aktivitätsdiagramm verwendet.

6 2. Grundlagen

UseCase-Diagramm

Ein UseCase-Diagramm wird verwendet um beispielsweise den Funkionsumfang ei-ner Software darzustellen[CR07]. Dabei werden alle Aktivitäten, welche mit Hilfedes Systems absolviert werden, in einem Kästchen gezeichnet. Diese Aktivitätenwerden mit den Akteuren verbunden welche entweder in der Aktivität vorkommenbzw. welche die Ausführung der Aktivität ausführen.

Aktivitätsdiagramm

Aktivitätsdiagramme sind die wichtigsten Diagramme für die Modellierung von Ge-schäftsprozessen [HE00]Aktivitätsdiagramme stellen den genauen Ablauf einer Akti-vität dar. Dabei wird nicht nur das Hauptszenario sondern auch die Nebenszenariendargestellt. Weiterhin wird die Startbedingung sowie die Endbedingung dargestellt.Mit Hilfe dieser Diagramme lassen sich verschiedene Testfälle generieren [WL04].

Klassendiagramm

In einem Klassendiagramm können zum Beispiel die statischen Aspekte der Im-plementierungssicht eines Systems dargestellt werden [GB99]. Dabei werden unteranderem die Eigenschaften und Operationen einer Klasse dargestellt [Fow00].

2.3 Visualisierung von Informationen

Visualisierung ist die Darstellung von verschiedenen Daten, wie zum Beispiel Mess-daten von verschiedenen Betriebsmitteln in einem elektrisches Netz. Um Daten vi-sualisieren zu können ist es von Bedeutung zu wissen, was die Daten in der Realitätdarstellen und in welchem Kontext sie verstanden werden sollen [NYa14]. Man kanndavon ausgehen, dass in Zukunft die Visualisierung von Daten eine größer werdendeRolle haben werden [Shn96], da der Mensch durch das Sehen mehr Informationenerhält als durch alle anderen Sinne zusammen [War13]

2.3.1 Visualisierungsmethoden

Für die Visualisierung von verschiedenen Parametern existieren sowohl 2D als auch3D Visualisierungsmethoden. Die 2D Visualsierungsmethoden haben den Vorteil,dass sie schnell realisierbar sind.[TO02]. Solche Visualisierungsmethoden werden inder Mehrheit von Netzbetreibern verwendet. 3D Visualsierungsmethoden haben, ge-genüber den 2D Visualisierungsmethoden, den Vorteil, dass sie mehr Informationendarstellen können. Jedoch muss bei der Auswahl berücksichtigt werden, dass Netz-betreiber an 2D Visualisierungsmethoden gewohnt sind [YS03].

Graph

ein Graph besteht aus Knoten und Kanten. Kanten können verschiedene Knotenmiteinander verbinden. Die Visualisierung in einem Graph wird unter anderem fürFamilienstammbäume benutzt. Ein Vorteil von dieser Visualisierungsmethode be-steht darin, dass die Informationen übersichtlich dargestellt werden. Weiterhin wer-den

2.4. Zusammenfassung 7

Liniendiagramm

Ein Liniendiagramm stellt eine Zeitreihe von Daten dar. Der Vorteil liegt daran,dass Trends leichter erkannt werden [NYa14].

Säulendiagramm

Säulendiagramme werden dafür benutzt verschiedene Daten in einem Zeitraum dar-zustellen. Der Schwerpunkt liegt bei der Darstellung von den Werten der Messpunkte[NYa14].

Dotplot

Dotplots werden für die Darstellung von Zeitreihen genutzt Ähnlich wie bei denSäulendiagrammen liegt der Schwerpunkt bei der Darstellung von den Werten derMesspunkte [NYa14].

Kreisdiagramm

Kreisdiagramme werden benutzt um unter Anderem einen prozentualen Anteil an-zuzeigen, wie beispielsweise die Auslastung eines Betriebsmittels.

2.4 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden die Grundlagen vermittelt welche für das Verstehen derArbeit notwendig sind. Am Anfang wurden verschiedene Begriffe definiert. Anschlie-ßend wurde eine Einführung in UML gegeben mit wesentlichen Diagrammtypen dieim Konzept genutzt werden, wie zum Beispiel Aktivitätendiagramm und das Klas-sendiagramm. Abschließend wurden verschiedene Visualierungsmethoden beschrie-ben und der allgemeine Vorteil von 3D gegenüber 2D Visualisierungsmethoden dar-gestellt.

8 2. Grundlagen

9

3. Konzept

In diesem Kapitel werden zum einen der Funktionsumfang der Software sowie die Me-thoden um diesen Funkionsumfang zu gewährleisten beschrieben. Das Konzept wirdgegliedert in Anforderungsanalyse und Konzepterstellung. In der Anforderungsana-lyse wird untersucht welche Akteure mit der Software interagieren, welche Aufgabendie Software übernehmen soll und unter welchen Umständen diese Aufgaben zu er-ledigen sind. Weiterhin wird beschrieben, wie die Akteure und Entitäten, wie z.B.Betriebsmittel und Reperaturauftrag, zueinander in Beziehung stehen. In der Kon-zepterstellung werden Methoden und Werkzeuge, welche bei der Umsetzung benutztwerden, analysiert und bewertet.

3.1 Anforderungsanalyse

In der Anforderungsanalyse wird der Funktionsumfang der Software beschrieben.Um diesen Funktionsumfang beschreiben zu können wird zu erst der Systemkon-text untersucht. Der Systemkontext stellt zum einen die Akteure, welche späterdie Software nutzen und zum anderen die Fremdsysteme, mit welcher die Softwareinteragiert dar und wird in UML mit Hilfe eines Anwendungsfalldiagramms dar-gestellt. Nachdem das Systemkonzept erstellt wurde, werden die Anwendungsfälleunter anderem mit Hilfe des Systemkontexts ermittelt. Mit Hilfe der Anwendungs-fälle lassen sich dann funktionale Anforderungen ableiten.Auf Basis der funktionalenAnforderungen werden dann nicht funktionale Anforderungen ermittelt. Diese An-forderungen beschreiben unter welchen Umständen die funktionalen Anforderungenzu erfüllen sind.Abschließend wird ein Domänenmodell erstellt um die Beziehungender ermittelten Akteure und Entitäten darzustellen sowie deren Attribute.

3.1.1 Systemkontext

Der Systemkontext stellt die Akteure dar, welche mit der Software interagieren.Auf Basis des Systemkontextes wurden die Anwendungsfälle der einzelnen Akteuredefiniert. Im Folgenden wird der Systemkontext für die zu entwickelnde Softwarevorgestellt (s.Abbildung 3.1) .

10 3. Konzept

• Der Netzplaner sendet eine Anfrage an das Überwachungssystem welches dar-aufhin die erforderlichen Daten darstellt. Mit Hilfe dieser Daten analysiert erdas elektrische Netz um festzustellen ob es einen Bereich gibt welcher neugeplant werden muss.

• Das Leitwartenpersonal behebt Betriebsmittelprobleme , überwacht das HGÜ-Netz und steuert Betriebsmittel. Des Weiteren erstellt das Leitwartenpersonaleinen Reperaturauftrag.

• Der Wartungsarbeiter erhält Reperaturaufträge und sendet Reperaturberichte.

• Der Datenkonzentrator sammelt die Daten von den Messgeräten und leitetdiese an das Überwachungssystem.

Nachdem nun die einzelnen Akteure aufgelistet wurden, werden nun deren Anwen-dungsfälle beschrieben. Die Anwendungsfälle der einzelnen Akteuren wurden auseinem Interview mit Industriepartnern extrahiert.

3.1.2 Anwendungsfälle

Anwendungsfälle beschreiben die Aufgaben, welche die Akteure mit Hilfe des Über-wachungssystems bearbeiten sollen.Aus den Anwendungsfällen werden anschließendfunktionale Anforderungen extrahiert. Die Anwendungsfälle werden, wie in Abbil-dung 3.2 gezeigt, in einem Anwendungsfalldiagramm dargestellt. Mit Hilfe des Sys-temkontexts und einem Interview mit einem Industriepartner haben sich folgendeAnwendungsfälle ergeben. Der genaue Vorgang eines Anwendungsfalls wird nach derAuflistung beschrieben.

Damit das Leitwartenpersonal das Stromnetz analysieren kann (s. Abschnitt 3.1.2.4),muss das Überwachungssystem mindestens einmal die Informationen über die Be-triebsmittel aktualisieren (s. Abschnitt 3.1.2.1). Des Weiteren soll das Überwa-chungssystem in der Lage sein den Systemzustand darzustellen (s. Abschnitt 3.1.2.3).Sollte im Stromnetz ein Problem auftreten, dann entscheidet das Leitwartenperso-nal wie das Problem gelöst wird soll(s. Abschnitt 3.1.2.5. Dafür stehen dem Leit-wartenpersonal zwei unterschiedliche Methoden zur Verfügung, per Fernsteuerung(s.Abschnitt 3.1.2.2) oder sie erstellen einen Reperaturauftrag (s. Abschnitt 3.1.2.6).Das Überwachungssystem stellt dem Netzplaner Informationen zu den Betriebsmit-teln zur verfügung (s. Abschnitt 3.1.2.7).

3.1.2.1 Aktivität: Informationen über Betriebsmittel übertragen

Damit das Überwachungssystem verschiedene Daten von Betriebsmitteln anzeigenkann, muss es eine Anfrage zum Datenkonzentrator, wie in Abbildung 3.3 abge-bildet,senden. Dieser sendet dann die angefragten Informationen an die Visualisie-rungskomponente welche die erhalten Daten in einer Datenbank speichert.

3.1. Anforderungsanalyse 11

Abbildung 3.1: Darstellung des Systemkontexts mit Hilfe eines Anwendungsfalldia-gramms

3.1.2.2 Aktivität: Betriebsmittel steuern

In Betriebsmittel steuern wird, wie in Abbildung 3.4 veranschaulicht, die Darstel-lung der verfügbaren Funktionen sowie deren Ausführung beschrieben. Sofern dasLeitwartenpersonal ein Betriebmittel steuern möchte, stellt die Visualisierungskom-ponente alle auswählbaren Funktionen dar. Von diesen kann sich das Leitwartenper-sonal eine aussuchen welche daraufhin an den Datenkonzentrator gesendet und dortweiter verarbeitet. Sofern die Funktion ausgeführt wurde, schickt der Datenkonzen-trator eine Rückmeldung zum Überwachungssystem, welches dann diese Rückmel-dung visualisiert.

12 3. Konzept

Abbildung 3.2: Darstellung der funktionalen Anforderungen in einem Anwendungs-falldiagramm

3.1.2.3 Aktivität: Systemzustand anzeigen

Die Aktivität: Systemzustand anzeigen beschäftigt sich damit, welche Informationenüber das System visualisiert werden soll, sowie deren Aktualisierung. Wie in Abbil-dung 3.5 dargestellt, wird der Systemzustand wie folgt angezeigt. Als erstes werden,wie in der Aktivität: Informationen über Betriebsmittel übertragen erläutert, dieInformationen von Betriebsmitteln übertragen und dargestellt. Daraufhin entschei-det dann das Leitwartenpersonal ob sie weiterhin den Systemzustand anzuzeigen,wobei dann die Daten automatisch aktualisiert werden, oder den Systemzustandausblenden.

3.1.2.4 Aktivität: Analysieren des Stromnetzes

die Aktivität: Analysieren des Stromnetzes beschäftigt sich damit, wie das Strom-netz die Betriebsmittel auf Fehler überprüft und ggf. eine Fehlermeldung an dasLeitwartenpersonal schickt, welches wiederrum entscheidet wie man mit dieser Feh-lermeldung umgeht. Wie in Abbildung 3.6 dargestellt überprüft das Überwachungs-system iterativ alle Betriebsmittel nach Fehlern. Dafür führt er zuerst die Akti-vität: Informationen über Betriebsmittel übertragen aus und überprüft dann alleBetriebsmittelparameter nach Fehler. Sollte kein Fehler aufgetreten sein, so über-prüft er das nächste Betriebsmittel. Im Falle das ein Fehler aufgetreten ist, teiltdas Überwachungssystem dies dem Leitwartenpersonal mit, welches daraufhin eineMaßnahmenanalyse durchführt und parallel dazu überprüft das Überwachungssys-tem die restlichen Betriebsmittel. Während der Maßnahmenanalyse entscheidet sichdas Leitwartenpersonal ob die Behebung des Fehlers eine Interaktion benötigt odernicht. Sollte eine Interaktion benötigt werden wird entschieden ob dieser Fehler ein


Abbildung 3.3: Aktivität: Informationen über Betriebsmittel Übertragen

Problem ist oder nicht. Ein Problem liegt genau dann vor, wenn das Betriebsmittelausgeschaltet werden muss bzw. ausgeschaltet wurde. Sollte der Fehler ein Pro-blem sein, so wird die Aktivität: Problem eines Betriebsmittels beheben ausgeführt,welcher noch erläutert wird, ansonsten wird die Aktivität: Betriebsmittel steuernausgeführt. Nachdem eine von den beiden Aktivitäten ausgeführt wurde entscheidetdas Leitwartenpersonal ob weitere Interaktionen mit dem Betriebsmittel notwendigsind oder nicht.

3.1.2.5 Aktivität : Problem eines Betriebsmittels beheben

Um ein Problem zu beheben wird wie in Abbildung 3.7 dargestellt vorgegangen.Sofern das Leitwartenpersonal ein Problem feststellt wird die entsprechende Anlageper Fernsteuerung ausgeschaltet und in den Wartungsmodus versetzt. Anschließendwird überprüft ob man das Problem über der Software beheben kann, dann wird dieAktivität: Betriebsmittel steuern ausgeführt, oder ob ein Wartungsarbeiter diesesProblem lösen muss wofür dann die Aktivität: Reperaturauftraf durchführen ausge-führt wird. Nachdem die entsprechende Aktivität ausgeführt wurde überprüft dasLeitwartenpersonal ob das Problem behoben wurde oder nicht. Sollte dies nicht der

14 3. Konzept

Abbildung 3.4: Aktivitätsdiagramm: Betriebsmittel steuern

Fall sein wird nach weiteren Lösungsmöglichkeiten gesucht. Gibt es keine weitere Lö-sungsmöglichkeit so gibt es keine Möglichkeit dieses Problem zu beheben, wie dannfortgefahren wird ist nichtmehr teil dieser Software und wird deshalb auch nichtweiter beschrieben, Sollte es eine weitere Lösungsmöglichkeit geben so wird wiederentschieden welche der Lösungsmöglichkeiten verwendet wird. Wenn dann das Pro-blem behoben wurde, wechselt man den Betriebsmodus vom Wartungsmodus in denTestmodus. Dort wird dann getestet ob das Betriebsmittel wie gewohnt funktioniertoder nicht. Sollte der erste Fall eintreffen so wurde das Problem erfolgreich behobenanderenfalls wird die Aktivität: Problem eines Betriebsmittels beheben wiederholt.

3.1.2.6 Aktivität: Reperaturauftrag durchführen

Sollte ein Problem mit Hilfe eines Wartungsarbeiters behoben werden müssen, somuss ein Reperaturauftrag erstellt werden, welches ein Teil dieser Aktivität ist und inAbbildung 3.8 veranschaulicht wird. Als erstes ruft das Leitwartenpersonal das ent-sprechende Menü zur Erstellung eines Reperaturauftrages auf. Dort wählen sie dannein Wartungsarbeiter und automatisch wird der Fehlerbericht vom System hinzuge-fügt. Nachdem das Leitwartenpersonal den Reperaturauftrag bestätigt hat, sendetdas Überwachungssystem eine Reperaturauftragsmitteilung an dem Wartungsarbei-ter welcher daraufhin den Auftrag mit dem Smartphone aufruft und ihn bestätigt.Als nächstes führt der Wartungsarbeiter die Reperatur durch, auch dieser Vorgangwird nicht mit dem Überwachungssystem erledigt und daher wird nicht weiter darauf


Abbildung 3.5: Aktivität: Systemzustand anzeigen

eingegangen. Sofern dies abgeschlossen ist erstellt er einen Reperaturauftragsberichtund sendet ihn. Woraufhin das System das Leitwartenpersonal über den Eingangdieses Berichts informiert.

3.1.2.7 Aktivität: Netzdaten für die Netzplanung anfragen

Damit der Netzplaner die erforderlichen Daten für die Netzplanung erhält muss erwie in Abbildung 3.9 vorgehen. Zuerst ruft das Überwachungssystem auf wo alleBetriebsmittel angezeigt werden. Danach entscheidet der Netzplaner ob er weitereDaten benötigt oder nicht. Sollte der erste Fall eintreten, so wählt er die entspre-chenden Betriebsmittel aus woraufhin das Überwachungssystem alle Daten über dieentsprechenden Betriebsmittel visualisiert werden.

3.1.3 Funktionale Anforderungen

Um den Funktionsumfang des Überwachungssystem festzulegen wurden folgendefunktionalen Anforderungen aus den Anwendungsfällen sowie einem Interview miteinem Industriepartner extrahiert

Betriebsmittelinformationen empfangen und aktualisieren: Damit die Da-ten der einzelnen Betriebsmittel aktuell sind, muss das System Daten vom Datenkon-zentrator empfangen und daraufhin die Betriebsmittelinformationen aktualisieren.

16 3. Konzept

Abbildung 3.6: Aktivitätsdiagramm: Analysieren des Stromnetzes.png

Betriebsmittelprobleme detektieren und visualisieren: Das System solljedes Betriebsmittel auf Fehler überprüfen und die fehlerhaften Betriebsmittel dar-stellen.

Steuerung der Betriebsmittel: Die Betriebsmittel sollen mit Hilfe des Systemsgesteuert werden.

Mitteilung an den Wartungsarbeiter senden: Mitteilung an den Wartungs-arbeiter über den Erhalt eines Reperaturauftrags senden.

Mitteilung für das Leitwartenpersonal: Leitwartenpersonal benachrichtenwenn ein Reperaturauftrag abgeschlossen ist.

Bereitstellung der Netzdaten: Die Netzdaten für den Netzplaner zur Verfü-gung stellen.


Visualisierung der Betriebsmittel: Die Windkraftanlagen, die Umrichtersta-tionen und die Leitungen sollen in einer Visualisierung dargestellt werden. DieseVisualisierung soll die Auslastung der Betriebsmittel darstellen. Weiterhin soll die-se Visualisierung Probleme im Netz erkenntlich machen sowie wichtige Parametervisualisiert werden.

Informationen über die Betriebsmittel darstellen: Das Überwachungssys-tem soll zu jedem Betriebsmittel den Standort, die aktuellen Fehlermeldungen undden Namen anzeigen.

Darstellung der Messdaten: Darstellung der Messdaten über einen Zeitraum,wobei dieser Zeitraum veränderbar sein soll.

Nachdem nun die funktionalen Anforderungen aufgelistet wurden, werden nun dienicht funktionalen Anforderung beschrieben. Diese beschreiben die Leistungsmerk-male des Überwachungssystems.

3.1.4 Nicht funktionale Anforderungen

Nicht funktionale Anforderungen beschreiben unter welchen Umständen der Funk-tionsumfang angeboten wird. Folgende nicht funktionale Anforderungen können fürdas Überwachungssystem definiert werden.

Korrektheit der Visualisierung: Damit die Aufmerksamkeit des Leitwarten-personals nur auf die Betriebsmittel ist wo ein Problem aufgetreten bzw. wo einehohe Auslastung ist, muss sichergestellt sein, dass diese Betriebsmittel richtig dar-gestellt werden.

Benutzbarkeit: Um die Benutzbarkeit der Software zu gewährleisten soll es denBenutzern möglich sein, dass sie alle Informationen innerhalb von drei Klicks errei-chen können.

Kompatibilität: Aufgrund den Einsatzes unterschiedlicher Endgeräte wie z.B.Smartphone und Monitor muss die Software diesbezüglich kompatibel sein.

Performance: Damit kritische Fehler schnell wahrgenommen werden und dierichtigen Maßnahmen getroffen werden können, müssen diese in unter 3 Sekundenangezeigt werden.

Nachdem nun die nicht funktionalen Anforderungen beschrieben wurden, werdennun die Beziehungen zwischen Akteuren und Betriebsmittel dargestellt. Dies wirdmit Hilfe eines Klassendiagramms visualisert.

18 3. Konzept

3.1.5 Domänenmodell

Nachdem nun alle Akteure sowie funktionale Anforderungen beschrieben wurden,wird mit Hilfe des Domänenmodells, siehe Abbildung 3.10, deren Beziehungen zu-einander sowie deren Attribute in Form eines Klassendiagramms dargestellt. DieKlassen wurden aus den einzelnen Aktivitäten extrahiert.

User

Das Leitwartungspersonal, der Wartungsarbeiter und der Netzplaner werden als Userzusammengeführt und haben als Attribute eine ID zur eindeutigen Identifizierung,einen Namen, welcher aus einem Vor- und Nachnamen besteht und eine Kontaktmög-lichkeit. Des Weiteren verfügt der Wartungsarbeiter über ein zusätzliches Attribut,die Gruppe, welches seinen Aufgabenbereich definiert.

Reperaturauftrag

Die Klasse Reperaturauftrag besteht aus folgenden Attributen eine ID zur Identifi-zierung, einem Ersteller, einem Bearbeiter, einem Datum, wann der Auftrag erstelltwurde, einem Status, welcher in Form von entweder Offen, in Bearbeitung oder Ab-geschlossen dargestellt wird einem Betriebsmittel,?? wo das Problem aufgetreten ist,einem Bericht welcher vom Wartungsarbeiter erstellt wird und einer Fehlermeldung.

Betriebsmittel

Das Betriebsmittel enthält für das Leitwartenpersonal sowie für den Netzplaner fol-gende Attribute eine ID zur Identifizierung, einem Namen, einem Standort, einerFehlermeldung, einem Betriebsmodus, mit den Zuständen aktiv, Wartung, Test, aus-geschaltet und defekt , einem Messgerät und einer Messung.

Fehlermeldung

Die Fehlermeldung beschreibt die Fehler, welcher bei einem Betriebsmittel auftre-ten können. Sie besteht aus folgenden Attributen eine ID zur Identifizierung, einemDatum, wann der Fehler aufgetreten ist, einem Titel welcher den Namen der Fehler-meldung enthält, einer Beschreibungund einem Status, welcher in Form von entwederBehoben, in Bearbeitung oder Offen dargestellt wird.

Messgerät

An jedem Betriebsmittel ist ein Messgerät angeschlossen. Das Messgerät verfügtüber folgende Attribute eine ID zur Identifizierung, einem Name, einem Standortund einer Messung.

3.2. Visualisierungskonzept 19

Messung

Jede Messung enthält einen Messwert und enthält folgende Attribute eine ID zuridentifizierung, ein Datum, wann die Messung war, eine Bezeichnung, ein maxWert,welchen der Messwert nicht überschreiten darf. Sollte dieser Wert überschritten seinso hat das Betriebsmittel einen Fehler ein minWert, wie maxWert nur dass derMesswert diesen Wert nicht unterschreiten darf und ein nominalWert, welches angibtwie hoch der Messwert im Normalbetrieb sein soll.

Nachdem nun definiert wurde welche Akteure mit dem Überwachungssystem intera-gieren sowie die Funktionen die das System anbietet, werden im nächsten Abschnittverschiedene Visualisierungsmethoden, Anhand der Anforderungen an das System,verglichen und bewertet.

3.2 Visualisierungskonzept

Das Visualsierungskonzept beschreibt auf welcher Art und Weise die Informationender Betriebsmittel dargestellt werden. Für die Visualsierung gibt es verschiedene 2Dund 3D Visualsierungsmethoden (siehe ??). Zunächst folgt eine Auflistung aller Be-triebsmittel sowie deren Parameter welche dargestellt werden. Anschließend wird,anhand der funktionalen Anforderungen sowie eines Interviews mit einem Indus-triepartner, entschieden welche die geeignesten Visualisierungsmethoden sind. DieAuflistung der Betriebsmittel mit den Paramentern wird unterschieden in der Ge-samtübersicht und in der Detailsicht. In der Gesamtübersicht wird ein Überblicküber das elektrische Netz visualisiert. Dort werden u.a. die Windkraftanlagen dar-gestellt. In der Detailsicht kann das Wartungspersonal weitere Informationen überdie Betriebsmittel anzeigen lassen wie z.B. die Temperatur eines Generators einerWindkraftanlage oder den Hersteller einer Umrichterstation. (Für eine vollständigeAuflistung siehe Tabelle 3.1).

Nachdem nun die Betriebsmittel sowie die Parameter aufgelistet und der jeweiligenSicht zugeordnet wurden, werden nun für die einzelnen Sichten verschiedene Vi-sualisierungsmethoden miteinander verglichen und abschließend entschieden, welcheVisualisierungsmethoden genutzt werden.

3.2.1 Gesamtübersicht

Die Gesamtübersicht soll das elektrische Netz darstellen. Weiterhin sollen Problem-stellen für das Leitwartenpersonal schnell identifierzierbar sein sowie die Auslastungder einzelnen Betriebsmittel visualisiert werden. Aufgrund diesen Anforderungenwird ein Graph benutzt. Die Knoten stellen die Umrichterstationen sowie die Wind-kraftanlagen dar und die Leitungen werden als Kanten visualisiert. Damit sich dasLeitwartenpersonal auf die Stellen im Netz fokusiert wo die Auslastung hoch ist bzw.wo Probleme aufgetaucht sind, werden Betriebsmittel, welche fehlerfrei sind und ei-ne normale Auslastung haben, fast transparent dargestellt. Sollte ein Problem imNetz vorliegen, z.B. eine Windkraftanlage hat ein Defekt, so wird dieses Element rotumrahmt. Die Auslastung eines Betriebsmittels wird über die größe des Elementsdargestellt. Je höher die Auslastung desto größer ist das Element.

20 3. Konzept

Sichtweise Betriebsmittel ParameterGesamtüberblick Windkraftanlage Wirkleistung

SpannungStrom

Leitung StromStromfluss

Umrichterstation WirkleistungBlindleistungTemperatur

Detailsicht Windkraftanlage NameStandortAktuelle FehlermeldungenSteuerungHerstellerIstleitungSollleistung

Detailsicht Umrichterstation NameStandortHerstellerAktuelle FehlermeldungenTemperaturWirkleistungSpannungsniveauEingangAusgang

Detailsicht Generator TemperaturNameErreger ZustandSpannungStrom

Detailsicht Getriebe TemperaturName

Detailsicht Transformator SpannungNameLeistungTemperaturSchutz/Zustand

Detailsicht Sammelschiene SpannungName

Tabelle 3.1: Auflistung der Betriebsmittel sowie die Parameter

Eine Alternative zum Graphen wäre eine Auflistung aller Betriebsmittel mit Hilfevon unterschiedlichen Tabellen. Die Betriebsmittel die Probleme aufweisen bzw. wodie Auslastung hoch ist, werden farblich umrandet. Diese Alternative ist aber fürsolch ein Überwachungssystem nicht geeignet, da die Anzahl der Betriebsmittel hoch


ist. Dies hat zur Folge, dass sehr viele Tabellen aufgelistet werden müssten jedochder Platz für die Tabellen beschränkt, durch die Größe des Monitors, ist. Ein wei-terer Nachteil besteht in der Darstellung der Beziehungen zwischen den einzelnenBetriebsmitteln. So erkennt man in einem Graphen welche Betriebsmittel, durchLeitungen, miteinander verbunden sind und welche nicht.

3.2.1.1 Windkraftanlagen und Umrichterstationen

Die Windkraftanlagen und Umrichterstationen stellen die Knoten im Graphen dar.Aufgrund dass drei verschiedene Parameter dargestellt werden müssen, wird fürdiese Betriebsmittel ein drehbarer Quader benutzt. Die Vorderseite des Quadersstellt, anhand eines Balkendiagramms, den aktuellen Wert des derzeit angezeigtenParameters dar. Um die weiteren Parameter darstellen zu lassen, kann der Quader,mit Hilfe eines Klicks, gedreht werden. Im Graphen wird der Parameter dargestellt,welcher am wichtigsten ist. Dies wird Anhand der relativen Abweichung zu denjeweiligen Normalwerten berechnet.

Eine Alternative zu den Quadern wäre ein Kreis, welcher den wichtigsten Parameterdarstellt. Jedoch kann ein Kreis nur ein Parameter darstellen und ist damit nichtgeeignet für die Darstellung. Eine Abhilfe könnte die selbe Funktion wie beim Quaderschaffen, wo durch klicken ein neuer Parameter dargestellt wird, dies hat sich nachTests mit verschiedenen Personen nicht als sonderlich intuitiv erwiesen.

Eine weitere Alternative wären die Eventualfall-Analysen. Diese haben jedoch denNachteil, dass man keine genauen Werte angezeigt bekommt.

3.2.1.2 Leitung

Die Leitungen werden als Kanten im Graphen dargestellt. Um die Flussrichtung desStroms anzeigen zu lassen, wird ein Pfeil benutzt. Die Orientierung des Pfeils zeigtan, an welchen Knoten die Leistung ab- oder zufließt. Wenn der Pfeil rot ist, so istein Problem aufgetreten. Die Größe des Pfeils stellt die Auslastung der Leitung dar.

3.2.2 Detailsichten

Die Detailsichten haben das Ziel jeden Messparameter über einen, vom Leitwarten-personal selbst definierten, Zeitraum darzustellen. Hierfür wird ein Liniendiagrammgenutzt, welches Aufgrund der hohen Anzahl an Messpunkten ausgewählt wurde.Alternativen wären Säulendiagramme und Dotplots. Beide Diagrammtypen habenjedoch den Nachteil das Trends schwieriger zu sehen sind [NYa14]. Diese sind aberfür das Leitwartenpersonal und den Netzplaner wichtig. Weitere Daten wie Name,Standort und Fehlermeldung werden in Textform dargestellt.

3.3 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurde ein Überwachungssystem konzipiert. Dafür wurden mehre-re Interviews mit Industriepartnern durchgeführt um zum Einen den Funktionsum-fang der Software zu definieren und zum Anderen in welcher die Daten dargestelltwerden sollen. Die Software soll dem Leitwartenpersonal ermöglichen, das ganzeNetz in einer Abbildung zu betrachten. Dafür wurde ein Graph ausgewählt welcher

22 3. Konzept

die Windkraftanlagen und Umrichterstationen als Knoten, in Form eines drehbarenQuaders, darstellen und die Leitungen, welche als Kanten in Graphen repräsentiertwerden. Weiterhin soll das Überwachungssystem Probleme in Netz so visualisieren,so dass der Fokus des Leitwartenpersonals nur auf diese Betriebsmittel liegt. Dafürwerden zum einen die Betriebsmittel, welche keine Probleme aufweisen und wo dieAuslastung normal ist, fast transparent dargestellt und zum anderen werden dieBetriebsmittel, wo ein Problem festgestellt wurde, rot umrandet. Betriebsmittel dieeine hohe Auslastung haben, werden vergrößter dargesellt. Ob ein Problem vorliegtwird anhand des Messwertes des jeweiligen Parameters berechnet. Sollte der WertÜber dem maximalen bzw. unter dem minimalen Wert liegen so liegt ein Problemvor. Wie das Problem dann behoben wird, muss das Leitwartenpersonal mit Hilfeeiner Maßnahmenanalyse ermitteln. Das System bietet ihm die Möglichkeit, mit-tels eines Reperaturauftrages, einen Wartungsarbeiter damit zu beauftragen oderdas Betriebsmittel, mittels des Leitungsschalters, ab zu schalten und wieder an zuschalten. Die Daten erhält das Überwachungssystem kontinuierlich von einem Da-tenkonzentrator, welche die Daten von den Messgeräten erhält. Damit werden imGesamtüberblick die aktuellen Netzdaten angezeigt. Der Netzplaner kann mittels desÜberwachungssystem feststellen ob ein Bereich im Netz neu geplant werden muss.Dafür kann er die erfordlichen Daten vom Überwachungssystem visualisieren lassen.


Abbildung 3.7: Aktivität: Problem eines Betriebmittels beheben

24 3. Konzept

Abbildung 3.8: Aktivität: Reperaturauftrag durchführen

Abbildung 3.9: Aktivität: Netzdaten für die Netzplanung anfragen


Abbildung 3.10: Darstellung des Domändenmodells

26 3. Konzept

27

4. Umsetzung

Um das bereits konzipierte Überwachungssystem evaluieren zu können, muss diesesprotoypisch umgesetzt werden. Dementsprechend wird in diesem Kapitel die Umset-zung des Konzepts aus Kapitel 3 beschrieben. Dabei werden zuerst auf die Technikenzur Umsetzung eingegangen. Abschließend wird auf die Gesamtübersicht und einerDetailsicht eingegangen.

4.1 Techniken zur Umsetzung

Die Nutzung von Bibliotheken bringt dem Entwickler Vorteile. So verringert dieNutzung von Bibliotheken die Implementierungsdauer, da sich der zu implementie-rende Teil verringert. Für die Umsetzung des Überwachungssystems wurde sich fürdie Programmiersprache Java entschieden. Der Grund liegt darin, dass hierfür daserforderliche Wissen bereits vorhanden war. Für die Umsetzung der grafischen Ober-fläche wird JavaFX in Verbindung mit FXML genutzt. Dabei wird FXML für diefür das Layout und JavaFX für die Programmlogik verwerdent. Ein weiterer Grundfür die Verwendung von JavaFX liegt an der Unterstützung von CSS und HTMLsowie JavaScript können verwendet werden. So wird für die Visualisierung des Gra-phen die Bibliothek vis.js genutzt. Welche es ermöglich einen Netzwerkgraphen mitgeringer Performance zu generieren.Nachdem nun die verwendeten Techniken beschrieben wurden, wird nun die Ver-wendung der Software beschrieben. Dabei wird zu erst auf die Gesamtübersicht undanschließend auf die Detailsicht eingegangen.

4.2 Gesamtübersicht

In der Gesamtübersicht wird der aktuelle Systemzustand dargestellt (vgl. [bild fürSystem]). Dafür wird, wie im Konzept beschrieben, ein Graph benutzt. Dieser Graphhat als Hintergrundbild ein Lagekarte. Das Leitwartenpersonal hat nun die Mög-lichkeit die einzelnen Knoten auf der Lagekarte zu verschieben. Diese Verschiebungerfolgt durch ein Drag and Drop. Nachdem ein Knoten verschoben wurde, wird diese

28 4. Umsetzung

Position gespeichert und bei einem Neustart geladen. Wenn ein Problem im Systementdeckt wurde, so wird das entsprechende Betriebsmittel rot makiert und der dar-gestelle Parameter des Knoten ggf. verändert (vgl. [Bild : Fehler] . Die Drehung desQuaders erfolgt durch einen Linksklick auf diesen. Dies hat zur Auswirkung, dassein neuer Parameter dargestellt wird (vgl. [Bild: Drehung eines Knoten]). Für dieDarstellung der Auslastung wird die Größe der Knoten sowie der Pfeile der Kan-ten verändert. Dabei stellt ein großer Knoten eine hohe Auslastung dar (vgl. [Bild:Auslastung]).

4.3 Detailsichten

In der Detailsicht werden im rechten Fenster betriebsmittelspezifische Informationenund im linken Fenster der Navigationsbaum dargestellt (vgl. [detailsicht]). Mit Hilfedes Navigationsbaums kann der Nutzer die verschiedenen Betriebsmittel darstellenlassen. Dies wird mit Hilfe eines Linksklicks auf dem jeweiligen Betriebmittel rea-lisiert. Weiterhin kann der Nutzer den Zeitraum der dargestellten Messparameterverändern. Dazu selektiert er ein Diagramm mit der linken Maustauste und drehtanschließend das Mausrad.

4.4 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden die eingesetzen Techniken sowie die Funktionsweise derSoftware beschrieben. Weiterhin wurden die Interaktionaktionsmöglichkeiten, welchedem Nutzer in der jeweiligen Sicht zur Verfügung stehen, beschrieben.

29

5. Evaluierung

Damit das umgesetzte Überwachungssystem die Problemstellung erfüllt, muss dieseshinsichtlich aller Anforderungen getestet werden. Daher werden in diesem Kapiteldie funktionalen sowie die nicht funktionalen Anforderungen getestet. Dafür werdenzu erst die Testszenarien sowie deren Rahmenbedingungen für jede funktionale undnicht funktionale Anforderung beschrieben. Abschließend werden die Testergebnissezu den Testszenarien präsentiert. Deshalb unterteilt sich dieses Kapitel in Testsze-narien und Testergebnisse.

5.1 Testszenarien

In diesem Abschnitt werden die verschiedenen Testszenarien beschrieben. Da dasÜberwachungssystem hinsichtlich der funktionalen und nicht funktionalen Anforde-rungen getestet werden muss, unterteilt sich dieses Kapitel in Testen der funktionalenAnforderungen und Testen der nicht funktionalen Anforderungen.

5.1.1 Testen der funktionalen Anforderungen

In diesem Abschnitt werden die Testszenarien für die funktionalen Anforderungenbeschrieben. Dabei wird darauf eingegangen, wie die jeweilige funktionale Anforde-rungen getestet wird. Im nächsten Abschnitt werden dann die Testszenarien für dienicht funktionalen Anforderungen beschrieben. Das Testszenario für Bereitstellungder Netzdaten, Visualisierung der Betriebsmittel, Informationen über die Betriebs-mittel anzeigen und Darstellung der Messdaten wird beschrieben.

Testszenario 1: Betriebsmittelinformationen empfangen und aktualisieren

Damit die Informationen fehlerfrei dargestellt werden, muss sichergestellt werden,dass zum Einen die Übertragung der Informationen vom Datenkonzentrator fehler-frei ist und zum Anderen, dass diese Informationen fehlerfrei in der Datenhaltunggespeichert werden. Um dies zu Testen wird ein manueller Test verwendet. Für diesezwei Tests wird zuerst eine Windkraftanlagen und eine Umrichterstationen in derDatenhaltung erstellt.

30 5. Evaluierung

Betriebsmittelinformationen empfangen Nachdem die Betriebsmittel, in derDatenhaltung, erstellt wurden, werden verschiedene Informationen an das Überwa-chungssystem gesendet. Das Überwachungssystem stellt dann diese Informationenin einer Textbox auf dem Monitor dar. Anschließend werden die dargestellten Infor-mationen mit den gesendeten Informationen, manuell, verglichen.

Betriebsmittelinformationen in der Datenhaltung aktualisieren Nachdemnun überprüft wurde ob die Information fehlerfrei empfangen wurden, wird nun ge-testet ob diese Informationen fehlerfrei in der Datenhaltung gespeichert werden.Dafür werden die Informationen, welche vorher gesendet und in einer Textbox aufdem Monitor ausgegeben wurden, vom Überwachungssystem in der Datenhaltunggespeichert. Abschließend werden dann die gespeicherten Informationen in der Da-tenhaltung mit den gesendeten Informationen verglichen.

Testszenario 2: Betriebsmittelprobleme detektieren und visualisieren

Im Anschluss an dem Empfangen und Aktualisieren der Betriebsmittelinformationenmuss getestet werden ob das Überwachungssystem Probleme eines Betriebsmittelsdetektiert und diese entsprechend visualisiert. Um dies zu testen wird zum Einendie Detektion und zum anderen die Visualisierung überprüft. Für diese beiden Testswird zuerst eine Windkraftanlage, eine Umrichterstation und eine Leitung in derDatenhaltung erstellt.

Testen der Detektion von Betriebsmittelproblemen Anschließend werdenverschiedene Informationen an das Überwachungssystem gesendet. Wobei diese In-formationen, zum Teil, zu Problemen eines Betriebsmittels führen oder kein Problemvorliegt. Des Weiteren umfassen die Informationen jeglichen Parameter, welcher zueinem Problem beim entsprechenden Betriebsmittel führen kann. Um nun über-prüfen zu können ob das Überwachungssystem diese Probleme detektiert, gibt dasÜberwachungssystem für jede gesendete Information ein Feedback in einer Textbox.Dabei steht ein True dafür, dass ein Problem detektiert wurde und ein False, dasskein Fehler detektiert wurde. Diese werden dann mit den übertragenden Informa-tionen verglichen und ausgewertet.

Visualisierung von Betriebsmittelproblemen Nachdem nun das Testszenariofür die Detektion von Betriebsmittelproblemen erläutert wurde, muss nun getestetwerden ob das Überwachungssystem diese Betriebsmittelprobleme fehlerfrei visua-lisiert. Um ein Betriebsmittelproblem korrekt zu visualisieren, muss zum Einen dasentsprechende Element im Graph rot umrandert werden und, im Falle dass dasBetriebmittel eine Umrichterstation oder eine Windkraftanlage ist, der angezeigteParameter verändert bzw. aktualisiert werden. Um dies zu testen werden verschiede-ne Informationen an das Überwachungssystem gesendet. Diese Informationen lösenbei jedem Betriebsmittel ein Problem aus und anschließend werden diese Problemewieder behoben. Dadurch soll das Überwachungssystem die Betriebsmittel zuerstrot umranden und den angezeigten Parameter darstellen und nach dem dies gesche-hen ist eine Nachricht in einer Textbox anzeigen, um zu signalisieren, dass er diesen

5.1. Testszenarien 31

Prozess abgeschlossen hat. Anschließend wird manuell überprüft, ob das Überwa-chungssystem die Betriebsmittel mit Probleme fehlerfrei visualisiert oder nicht. Nachdieser Prüfung werden dann die nächsten Informationen Übertragen, welche dieseProbleme beheben. Wodurch getestet wird, ob das Überwachungssystem problem-freie Betriebsmittel fehlerfrei darstellt.

Testszenario 3: Steuerung der Betriebsmittel

In diesem Testszenario wird überprüft, ob die steuerbaren Betriebsmittel, also dieUmrichterstationen und Windkraftanlagen, an- und ausgeschaltet werden könnenund ob die Visualisierung fehlerfrei ist. Dafür wird als erstes eine Umrichterstationund eine Windkraftanlage in der Datenhaltung erstellt. Im ersten Teil dieses Testswerden diese Betriebsmittel, manuell über die dementsprechenden Detailansichten,deaktiviert. Danach zeigt das Überwachungssystem, in Form eines Textes in einerTextbox auf dem Monitor, die an den Datenkonzentrator zusendende Nachricht an.Diese wird dann mit der zu erwartenden Nachricht verglichen. Abschließend zu die-sem Teil werden dann diese Betriebsmittel wieder aktiviert und wie davor getestet.

Testszenario 4: Mitteilung an den Wartungsarbeiter senden

Nachdem nun das Testszenario für die Steuerung der Betriebsmittel beschriebenwurde, wird nun der Test, für das Senden einer Mitteilung an den Wartungsarbei-ter, beschrieben. Als erstes wird ein Wartungsarbeiter in der Datenhaltung angelegt.Danach wird, über den Menüpunkt Reperaturauftrag, ein Reperaturauftrag erstelltwobei als Wartungsarbeiter, der erstellte Wartungsarbeit ausgewählt wird. Anschlie-ßend wird überprüft ob eine E-Mail versendet wurde, in dem die angegebene E-MailAdresse überprüft wird.

Testszenario 5: Mitteilung für das Leitwartenpersonal

Nachdem nun beschrieben wurde, wie überprüft wird ob der Wartungsarbeiter ei-ne Mitteilung, über den Erhalt eines neues Reperaturauftrages, empfängt, wird indiesem Szenario der Test beschrieben, wie überprüft wird, ob das Überwachungs-system einen abschlossenen Reperaturauftrag dem Leitwartenpersonal visualisiert.Dafür wird der Reperaturauftrag aus dem vorherigem Testszenario übernommen.Wobei zu diesem Reperaturauftrag ein Abschlussbericht hinzugefügt wird. Dies hatzur Auswirkung, dass der Reperaturauftrag als abgeschlossen angesehen wird. An-schließend wird überprüft ob die Mitteilung für das Leitwartenperson in der Ge-samtübersicht fehlerfrei dargestellt wird.

5.1.2 Testen der nicht funktionalen Anforderungen

Nachdem nun die Testszenarien für die funktionalen Anforderungen beschriebenwurden, folgt nun die Beschreibung der Testszenarien für die nicht funktionalenAnforderungen.

32 5. Evaluierung

Testszenario 6: Testen der Kompatibilität

Um sicherzustellen, dass das Überwachungssystem auf verschiedene Endgeräte be-nutzt werden kann, wird ein Kompatibilitätstest durchgeführt. Für diesen Test wirddas Überwachungssystem auf verschiedene Endgeräte ausgeführt und getestet. Dabeiwird überprüft ob alle Informationen richtig visualisiert werden und ob der komplet-te Funktionsumfang vorhanden ist. Das heißt zuerst wird überprüft ob alle Menü-punkte vorhanden sind und ob man zwischen diesen wechseln kann, danach wirddie Gesamtübersicht sowie die Detailansicht getestet. Dabei werden vorallem dieDiagramme sowie die Darstellung der Elemente im Graphen überprüft. Wobei dieDarstellung der Elemente im Graphen nur die PC’s sowie die Laptops betrifft.

Testszenario 7: Testen der Benutzbarkeit

Um sicherzustellen, dass das Überwachungssystem von verschiedenen Personen feh-lerfrei genutzt werden kann und die Visualisierung der Daten intuitiv ist, werdenverschiedene Industriepartner das Überwachungssystem testen. Dafür wird ein Auf-gabenblatt erstellt, welches die Industriepartner ausfüllen sollen. Der Test bestehtaus zwei Phasen. Um die Intuitivität des Überwachungssystem zu testen müssen dieTester in der ersten Phase die Aufgaben ohne jegliche Hilfestellungen beantworten.Sollte es zu Problemen kommen wird in der zweiten Phase Hilfestellungen gegeben.Dadurch kann nicht nur die Benutzbarkeit getestet werden sondern auch die Bereit-stellung der Netzdaten, die Visualisierung der Betriebsmittel, Informationen überdie Betriebsmittel anzeigen und die Darstellung der Messdaten. So müssen die Tes-ter herausfinden bei welchen Betriebsmitteln Probleme aufgetaucht sind und welcherParameter dieses Problem ausgelöst hat. Weiterhin müssen die Tester herausfinden,in welchem Monat die Auslastung eines Betriebsmittels am höchsten war.

Testszenario 8: Testen der Performance

Eine der wichtigsten Aufgaben des Überwachungssystems ist es Probleme im HGÜ-Netz zu visualisieren. Um möglichst zeitnah auf solche Probleme reagieren zu könnenspielen zwei Parameter eine Rolle. Zum Einen die Intuitivität der Visualisierung,welche im Abschnitt 5.1.2 beschrieben wird. Zum Anderen spielt es eine Rolle wielange das System braucht Probleme zu detektieren und dann zu visualisieren. Umdies zu testen werden verschieden lange Nachrichten an das Überwachungssystemgesendet. Nachdem diese Nachrichten gesendet wurden, wird ein Timer aktiviert,welcher die Zeit misst bis das Überwachungssystem das Problem visualisiert.

Nachdem nun die Testszenarien für die funktionalen sowie die nicht funktionalenAnforderungen beschrieben wurden, werden nun die die Ergebnisse der einzelnenTestszenarien präsentiert. Zum Abschluss jedes Testszenarios werden die entspre-chenden Ergebnisse interpretiert.

5.2 Testergebnisse

In diesem Abschnitt werden die Testergebnisse der Testszenarien präsentiert undabschließend interpretiert.

5.2. Testergebnisse 33

Testergebnis: Betriebsmittelinformationen empfangen und aktualisieren

Nachdem verschiedene Informationen an das Überwachungssystem geschickt undjedesmal die richtigen Daten ausgegeben und gespeichert wurden, ist dieser Test er-folgreich. Ein Beispiel für diesen Test wird in Abbildung 5.1(a) dargestellt. Damit istdas Überwachungssystem im Stande die Informationen von den verschiedenen Be-triebsmitteln zu verarbeiten und zu speichern. Dadurch können diese Informationendazu verwendet werden um Betriebsmittelprobleme zu detektieren.

Testergebnis: Betriebsmittelprobleme detektieren und visualisieren

Bei diesem Test wurden verschiedene Informationen an das Überwachungssystemgesendet. Dabei wurden die Messwerte so gewählt, dass diese zu unterschiedlichenProblemen führen. Ziel dieses Tests ist es, die Probleme fehlerfrei zu visualisieren umsomit keine Missverständnisse aufkommen zu lassen. Die Abbildung 5.1(b) stellt einBeispiel dar, wo die Windkraftanlage und die Leitung ein Problem haben. Jedochbei der Umrichterstation kein Problem vorhanden ist. Aufgrund, dass alle Tests er-folgreich absolviert wurden, ist auch dieses Testszenario erfolgreich. Im Folge dessenkann davon ausgegangen werden, dass alle Probleme fehlerfrei dargestellt werden.

Testergebnis: Steuerung der Betriebsmittel

Aufgrund dessen, dass es zur Zeit keine Kommunikation mit dem Datenkonzentratorgibt, konnte nicht getestet werden ob die Nachricht fehlerfrei generiert wird odernicht. Somit ist dieses Testszenario fehlgeschlagen.

Testergebnis: Mitteilung an den Wartungsarbeiter senden

Da der Fokus der Arbeit daran liegt, die Probleme im Netz zu visualisieren um aufdiese schnell reagieren zu können, wurde aus zeitlichen Gründen diese Anforderungnicht umgesetzt und dementsprechend kann diese Anforderung auch nicht getestetwerden.

Testergebnis: Mitteilung für das Leitwartenpersonal

Wie schon bei dem vorherigem Testergebnis, konnte auch dieser nicht getestet wer-den, da die Anforderung nicht umgesetzt wurde.

Testergebnis: Testen der Kompatibilität

Für diesen Test wurden drei verschiedene Betriebssysteme getestet. Zu diesen gehö-ren Windows 7, Windows 8.1 und Linux Ubuntu 14.04.1. Bei allen drei Betriebssys-temen wurde das Überwachungssystem fehlerfrei ausgeführt. Da Abschnitt 3.1.2.6nicht umgesetzt wurde, konnte dieses Überwachungssystem nicht auf dem Smartpho-ne getestet werden. Jedoch kann man, aufgrund der eingesetzen Technologien, davonausgehen, dass das Überwachungssystem fehlerfrei auf Smartphones funktioniert.

34 5. Evaluierung

Testergebnis: Testen der Benutzbarkeit

Der Test hat ergeben, dass das System in den Grundzügen sehr intuitiv ist. So wur-den die Probleme von den Betriebsmitteln sofort erkannt. Jedoch gab es bei derBestimmung der verursachenden Parameters Probleme. Dies lag daran, dass keinerder Tester herausgefunden hat, dass man den Quader drehen kann. Ein weiteresProblem war die Ermittlung des Monats wo die Auslastung am höchsten ist. Je-der hat zwar das richtige Betriebsmittel gefunden, jedoch gab es Problemen beimÄndern der Skala bei den Liniendiagrammen. Erst nachdem Hilfestellungen gege-ben worden, konnten diese Aufgaben gelöst werden. Aus diesem Ergebnis läßt sichfolgern, dass die Visualisierung der Windkraftanlagen und Umrichterstationen, inder Gesamtübersicht, wenig intuitiv ist. Um dafür Abhilfe zu schaffen, müsste manentweder andere Visualisierungsmethoden für die Darstellung der Windkraftanlagenkonzipieren oder man ergänzt den Quader mit einer Makierung oberhalb des Qua-ders um den Nutzer darauf hinzuweisen, dass man ihn per klick drehen kann. Umdie Skala bei den Messwerten zu ändern ist es wahrscheinlich sinnvoller, wenn manauf einem Button drückt. Dadurch weiß man, dass man die Skala ändern kann.

Testergebnis: Testen der Performance

Beim Testen der Performance wurden verschieden lange Nachrichten an das Über-wachungssystem gesendet. Dabei enthielten die Nachrichten eine unterschiedlicheAnzahl an Messwerten, welche zu einem Problem des dazugehörigen Betriebsmit-tels führten. Durch diese unterschiedlichen Tests konnte herausgefunden werden,wie schnell das System die neuen Änderungen aktualisiert. So lag die längste Zeitbei ca. 5 Sekunden. Dort mussten aber alle Parameter verändert werden. Aus dieserPerformance läßt sich ableiten, dass das Überwachungssystem sehr lange brauchtum eine hohe Anzahl an Problemen anzuzeigen. Da die Informationen direkt in dasSystem eingespeist wurden und nicht von einem Datenkonzentrator gesendet wur-den, muss die entgültige Performance noch getestet werden. Jedoch ist jetzt schon zusagen, dass es bei sehr vielen Betriebsmitteln zu einer mäßigen Performance kommenkann.

(a) Anzeigen der Daten

(b) Visualisierung von Problemen

Abbildung 5.1: Testszenarien

5.3 Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden die Testszenarien für die einzelnen funktionalen undnicht funktionalen Anforderungen beschrieben. Weiterhin wurden diese Testszena-rien durchgeführt und ausgewertet. Dabei hat sich herausgestellt, dass das aktuelle


Überwachungssystem, Aufgrund der Umsetzung der Hauptanwendungsfälle, einsatz-fähig ist. Jedoch gibt es gerade bei der Intuitivität der Bedienbarkeit noch Verbes-serungspotenzial.

36 5. Evaluierung

37

6. Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst.Diese Erkenntnisse umfassen die Visualisierung von einem Überwachungssystem fürein HGÜ-Netz. Abschließend werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, wie dasumgesetzte Konzept verbessert werden kann.

6.1 Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde die Visualisierung eines Überwachungssystems für ein HGÜ-Netz untersucht. Dazu wurden zuerst die verschiedensten Aufgaben des Überwa-chungssystems definiert. Anschließend wurden verschiedene 2D als auch 3D Visua-lisierungsmethoden miteinander verglichen und Anhand ausgewählter Kriterien se-lektiert. Dabei konnte festgestellt werden, dass zur jetzigen Zeit weder eine vollstän-dige 2D noch eine vollständige 3D Visualisierung des Überwachungssystems in Fragekommt. So können bei einer vollständigen 2D Visualisierung nicht alle erforderlichenInformationen übersichtlich dargestellt werden. Dies wäre mit einer vollständigen 3DVisualisierung möglich, jedoch besteht dort das Problem, dass zur jetzigen Zeit größ-tenteils nur 2D Visualisierungen für Überwachungssysteme genutzt werden und esdeshalb zu missverständnissen beim Interpretieren der visualisierten Informationenführen könnte. Deshalb wurden sowohl 2D als auch 3D Visualisierungenmethodenfür die Visualisierung des Überwachungssystems ausgewählt.Das Problem der Visualisierung eines Überwachungssystems für ein HGÜ-Netz wur-de somit durch eine Kombination verschiedener 2D als auch 3D Visualisierungsme-thoden gelöst. Dafür wurde zu erst untersucht, welche Aufgaben das Überwachungs-system übernehmen soll. Anschließend musste untersucht werden, welche Netzpa-rameter visualisiert werden müssen. So wurde für die Visualisierung des Gesamt-überblicks ein Graph benutzt und für die Darstellung von Messparametern ein Li-niendiagramm. Die Probleme, welche in einem HGÜ-Netz auftreten können, unddie Auslastung der Betriebsmittel, also Windkraftanlagen, Umrichterstationen undLeitungen, werden im Gesamtüberblick durch die Einfärbung und der Größe derjeweiligen Knoten oder Kanten visualisiert.

38 6. Zusammenfassung und Ausblick

Die selektierten Visualisierungsmethoden wurden prototypisch umgesetzt. Diese Um-setzung erlaubte es, die Implementierung im Rahmen der Evaluierung zu testen. Sowurden zum Teil computergestütze Tests für die korrekte Visualsierung durchgeführtund die Funktionsweise durch Industriepartner überprüft. Durch diese Evaluierungkonnte festgestellt werden, dass die Visualisierung des HGÜ-Netzes erfolgreich um-gesetzt wurde.Allerdings zeigte sich durch den Test mit Industriepartnern, dass die Visualisierungder Betriebsmittel zwar intuitiv ist, jedoch ist das Drehen der Objekte, welche dieBetriebsmittel im Graphen repräsentieren, weniger intuitiv. Dies ist darauf zurück-zuführen, dass dieses drehbare Objekt in dieser Arbeit neu konzipiert wurde. Damitdies intuitiver wird kann es sinnvoll sein, eine Makierung oberhalb des Elementsanzuzeigen, welche dem Nutzer darauf hinweist, dass diese Objekte gedreht werdenkönnen. Nachdem nun schon ein Beispiel zur Verbesserung der Erkenntnisse auf-gezeigt wurde, werden im folgenden Abschnitt weitere Verbesserungsmöglichkeitenzusammengefasst.

6.2 Ausblick

Bereits im vorherigen Kapitel wurden verschiedene Verbesserungsmöglichkeitern derVisualisierung beschrieben. Diese werden nun kurz zusammengefasst.

Animierter Lastfluss Um Problemstellen im Netz noch schneller für den Nut-zer erkenntlich zu machen, kann es sinnvoll sein, den Lastfluss der Leitungen zuanimieren. Je schneller die Animation desto höher wäre dann die Auslastung.

Überarbeitete Knoten Weiterhin wurde festgestellt, dass die Nutzer nicht fest-gestellt haben, dass die Quader drehbar sind. Daher wäre es ratsam an diesem Qua-der eine Makierung darzustellen, welche diese Funktion symbolisiert. Eine andereMöglichkeit wäre es, ein neue Visualisierungsmethode zu konzipieren.

Unterscheidung von Windkraftanlagen und Umrichterstationen Um denNutzer einen schnelleren Überblick über das Netz verschaffen zu können, wäre essinnvoll die Knoten eindeutig zu makieren. Dadurch könnte man direkt sehen welcherKnoten eine Windkraftanlage und welcher Knoten eine Umrichterstation darstellt.

Diese Verbesserungspotenziale stellen Möglichkeiten dar, welche dem Nutzer da-bei helfen können, den Systemzustand noch schneller zu interpretieren. Aus diesemGrund stellen diese Verbesserungspotenziale neue Ansatzpunkte für weitere For-schungsprojekte.

Literaturverzeichnis 39

Literaturverzeichnis

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Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und keineanderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe.

Magdeburg, den [. . . ]

InhaltsverzeichnisAbbildungsverzeichnisTabellenverzeichnisAbkürzungsverzeichnis1 Einleitung1.1 Problemstellung1.2 Ziel1.3 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen2.1 Begriffserklärung2.2 Unified Modifier Language2.3 Visualisierung von Informationen2.3.1 Visualisierungsmethoden

2.4 Zusammenfassung

3 Konzept3.1 Anforderungsanalyse3.1.1 Systemkontext3.1.2 Anwendungsfälle3.1.2.1 Aktivität: Informationen über Betriebsmittel übertragen3.1.2.2 Aktivität: Betriebsmittel steuern3.1.2.3 Aktivität: Systemzustand anzeigen3.1.2.4 Aktivität: Analysieren des Stromnetzes3.1.2.5 Aktivität : Problem eines Betriebsmittels beheben3.1.2.6 Aktivität: Reperaturauftrag durchführen3.1.2.7 Aktivität: Netzdaten für die Netzplanung anfragen

3.1.3 Funktionale Anforderungen3.1.4 Nicht funktionale Anforderungen3.1.5 Domänenmodell

3.2 Visualisierungskonzept3.2.1 Gesamtübersicht3.2.1.1 Windkraftanlagen und Umrichterstationen3.2.1.2 Leitung

3.2.2 Detailsichten

3.3 Zusammenfassung

4 Umsetzung4.1 Techniken zur Umsetzung4.2 Gesamtübersicht4.3 Detailsichten4.4 Zusammenfassung

5 Evaluierung5.1 Testszenarien5.1.1 Testen der funktionalen Anforderungen5.1.2 Testen der nicht funktionalen Anforderungen

5.2 Testergebnisse5.3 Zusammenfassung

6 Zusammenfassung und Ausblick6.1 Zusammenfassung6.2 Ausblick

Literaturverzeichnis

Visualisierungskomponente fur ein Hochspannungs-Gleichstrom- … · 2015. 4. 8. · UML ist eine...

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