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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
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IF
in
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.
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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
7
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:
9
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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e
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
+49 (0375) 536 - 3266 http://aiis.fh-zwickau.de
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