Zuverlässige Energieversorgung braucht Kommunikation:

Transkript

1 Prof. Dr.-Ing. Christian Wietfeld Lehrstuhl für Kommunikationsnetze TU Dortmund CNI Proposed Structure for AirBeam SP 7

2 Agenda Anforderungen Aktuelle Forschungsarbeiten im Bereich der IKT für zukünftige Energiesysteme Kommunikationsnetze und Architekturen Funktechnologien für das Smart Grid Elektromobilität Zusammenfassung und Ausblick Folie 2

3 Herausfordernde Anforderungen für IKT in Energienetzen Skalierbarkeit für unterschiedliche Mengengerüste und Reichweiten: Flächendeckung Datenmengen Interoperabilität Lastmanagement Weiße Ware Management IKT Gateway Metering IKT Gateway Spartenübergreifende Smart Meter (Elektrizität, Gas, Wasser, Wärme ) Gebäude (10 Geräte, m) Benutzerinteraktionssysteme E-DeMa Marktplatz Dezentrale Energieerzeugung Messtellenbetreiber Verteilnetzbetreiber Stadtteil (1000 Geräte, km) Region / Kontinent (Mio Geräte, 1000 km) Skalierbarkeit für unterschiedliche Werthaltigkeit pro Datenelement : Verfügbarkeit Echtzeitfähigkeit Datensicherheit Beispiele für Steuerungsbefehle: Bildquellen; Google.de cent EUR Generator (Mio EUR) Folie 3

4 Nutzung existierender Netze liegt nahe Datennetze werden immer leistungsfähiger Quelle: CISCO Machine-to-Machine Datenverkehr ist nur ein geringfügiger Anteil des Gesamtverkehrs Platz für energietechnischen Verkehr ist genug Folie 4

5 Nutzung existierender Netze liegt nahe ABER: Lebenszyklen unterscheiden sich um mehr als eine Größenordnung: IKT: wenige Jahre Energietechnik: Jahrzehnte 25 Jahre Garantie 2007: iphone 2008: 3G 2009: 3GS 2010: 4G 2011: 4GS 2012: 5 25 Jahre Pachtvertrag Quellen: Apple.com, Google.de Folie 5

6 Agenda Anforderungen Aktuelle Forschungsarbeiten im Bereich der IKT für zukünftige Energiesysteme Kommunikationsnetze und Architekturen Funktechnologien für das Smart Grid Elektromobilität Zusammenfassung und Ausblick Folie 6

7 Bewertung heterogener Zugangsnetze für das Smart Grid (E-DeMa E-Energy Modellregion) Entwicklung und Demonstration dezentral vernetzter Energiesysteme hin zum E-Energy Marktplatz der Zukunft Leuchtturmprojekt gefördert durch: Projektkonsortium: Pilotprojekt mit 700 Kunden in Mülheim a.d.r. und Krefeld: Quelle: BMWI Folie 7

8 Die E-DeMa Referenzarchitektur Infrastruktur E-Energy Marktplatz E-Energy Marktplatzbetreiber IF 6.0 IF 6.1 IF 6.2 IF 6.3 IF 6.4 IF 6.5 IF 6.6 IF 9 IF 10 IKT-GW- Betreiber Messstellenbetreiber/ Messdienstleister/ Zählerdatenmgmt. Verteilnetz- Betreiber Leittechnik Energie- Dienstleister Weiße Ware Hersteller Lieferanten Aggregatoren IF 2 IF4.1 IF4.2 IF 4.3 IF 4.4 IF 4.5 IF 4.6 IKT GW1 IKT GW IKT GW2 IF 1.1 IF 1.2 IF 1.3 Prosumer E G W Zähler IF 7.1 Lokale Energieerzeugung IF 7.2 IF 7.3 Lasten Steuerbare, lokale Systeme Weiße Ware IF 8 Benutzerinteraktionssysteme (z.b. Display, PC, Handy) C. Wietfeld, C. Müller, J. Schmutzler, S. Fries, A. Heidenreich and H. -. Hof, "ICT Reference Architecture Design based on Requirements for Future Energy Marketplaces", 1st IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), Gaithersburg, Maryland, USA, Oct 2010, pp Folie 8

9 Die E-DeMa Systemarchitektur: Umsetzung 2012 Quelle: TU Dortmund, E-DeMa Folie 9

10 Internationale Referenzprojekte Boulder, CO Ontario Mesh Mühlheim Gotenburg Wien Groningen RF Mesh CDMA Tokyo Mesh Austin, TX RF Mesh Point-to-Point Microwave Málaga Israel CDMA Curitiba Südafrika Sydney Folie 10

11 Agenda Anforderungen Aktuelle Forschungsarbeiten im Bereich der IKT für zukünftige Energiesysteme Kommunikationsnetze und Architekturen Funktechnologien für das Smart Grid Elektromobilität Zusammenfassung und Ausblick Folie 11

12 Technologieüberblick Funksysteme für das Smart Grid Modulation Frequenz Datenraten Reichweiten Lizenz 1 Details GSM UMTS TETRA CDMA450 WiMAX LTE GMSK (EDGE: 8-PSK) 900 MHz 1,8 GHz 9,6 kbit/s (GPRS: 171,2 kbit/s, EDGE: 384 kbit/s) QPSK (HSPA(+): 16-/64-QAM) 1,9 GHz, 2,1 GHz 2 Mbit/s (HSPA: 14 Mbit/s, HSPA+: 168 Mbit/s) π/4 DQPSK QPSK, 8-PSK, 16-QAM BOS: MHz Privat: 400 MHz 450 MHz 2,6 GHz, 3,5 GHz 28,8 kbit/s 144 kbit/s (EV-DO & EV- DV: DL: 3,1 Mbit/s UL: 1,8 Mbit/s) BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM QPSK, 16QAM, 64-QAM 800 MHz, 1,8 GHz, 2 GHz, 2,6 GHz 70 Mbit/s DL: 350 Mbit/s UL: 75 Mbit/s bis 30 km bis 20 km bis 22 km bis 45 km bis 5 km bis 10 km Erste Vergabe : 1989 (D-Netz), 1993 (E-Netz) Bis Ende 2016 Experten: 10 weitere Jahre Bedarf 1 Erste Vergabe: Mitte 2000 Bis Ende 2021 Erlös der ersten Vergabe 1 : etwa 50 Mrd. Wiedervergabe des C-Bandes: Anfang 2004 Bis Ende 2020 Band freigegeben für allgemeine Betriebs-/Bündelfunk- Weitbandsysteme ( Technologieneutral ) Vergabe (3,5 GHz): Ende 2006 Bis Ende 2021 Frequenzbereich allgemein für Breitband- Anwendungen, Erlös 1 : 56 Mio. Erste Vergabe: Mitte 2010 ( Digitale Dividende ) Bis Ende 2025 Erlös der ersten Vergabe 1 : 4,4 Mrd. 1 bezogen auf Deutschland Folie 12

13 Technologielebenszyklen der Funktechnologien Grad der Technologieverfügbarkeit LTE TETRA HSxPA UMTS Mobile WiMAX HSPA+ / DC-HSPA LTE Advanced EDGE GPRS GSM HSPA+ / DC-HSPA UMTS LTE HSxPA LTE Advanced Szenario 2012 Szenario 2020 LTE Szenario 2030 LTE Advanced HSPA+ / DC-HSPA Mobile WiMAX Satellit (IP-Dienste) Technologieentwicklung Entwicklung zur Anwendungsreife Anwendungsbeginn Anwendungswachstum Technologiereife Technologiedegeneration Zeit Folie 13

14 Fallstudie: Vergleich verschiedener Funktechniken (1) Installationsszenarien für Smart Meter und IKT Komponenten Realität Außen Installationen Szenario 1 (Außen) Modellierung Szenario 2 (Keller) Skalierbarkeit IKT Infrastruktur Topologie Keller Installationen TU Dortmund, CNI, 2012 Realitätsnahes Szenario TU Dortmund, CNI, 2012 Szenario 3 (Außen Front) Szenario 5 (Innen) Skalierbarkeitsanalyse der Kommunikationskonzepte und technologien Innen Installationen Szenario 4 (Keller Front) TU Dortmund, CNI, 2012 Komplexe Szenarien mit bis zu Haushalten (Rural/Suburban/Urban) Folie 14

15 Fallstudie: Vergleich verschiedener Funktechniken (2) Methoden Mobile WiMAX TETRA Analytische Modellierung Obergrenzen für Verkehrslast, Verzögerungen, etc. Abstrahierte Modellierung, Grundlage für Validierung der Simulationsmodelle Methoden: Markovketten Network Calculus Multi-Skalen Simulation Präzise Protokoll- und Netzmodelle Spezifische Funkkanalmodelle Detaillierte Mobilitätsund Verkehrslastmodelle Hybridsimulation IKT + Energie Experimentelle Validierung Betrieb eigener Funknetze im Freifeld (mit Forschungslizenzen): WiMAX TETRA LTE (in Planung) Labor mit 2G, 3G, 4G Funknetzeemulatoren, Kanalemulatoren, Channel Sounding, etc. Folie 15

16 Fallstudie: Vergleich verschiedener Funktechniken (3): Modellierung einzelner Gebäude 3D Hausmodell Verschiedene Installationsszenarien Schrittweise Variation der Basisstationen Berechnung der Signalqualität an Inhousepositionen Höhe der Basistation: 20m Entfernung: 200m Carrier Frequenz: 1.8 GHz Sendeleistung: 20 dbm Keller: mit/ohne Zählerschrank Außen / Innen (Flur) Keller / Erster / Zweiter Stock Außenwände: 50 cm (Stein / Beton) Fenster: 3fach Glas Türen: 5 cm Holz Folie 16

17 Fallstudie: Vergleich verschiedener Funktechniken (4) Modellierung großflächiger Szenarien Skalierung der Modelle vom einzelnen Gebäude zur Stadt Folie 17

18 Fallstudie: Vergleich verschiedener Funktechniken (5): Versorgungsanalyse bei 900 MHz Validierungsbeispiel: Einzelne Basisstation ohne Sektorisierung und Netzplanung Cost231 WI-Kanalmodell bei 900 MHz (GSM): Innerhalb von 700 Metern 78,9% Haushalte versorgt Coverage Analysis of Real-World Scenario using Cost 231 WI Building Penentration Channel Model at 900 MHz C. Müller, H. Georg, M. Putzke and C. Wietfeld, "Performance Analysis of Radio Propagation Models for Smart Grid Applications", 2nd IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), Brussels, Belgium, Oct 2011, pp Folie 18

19 Fallstudie: Vergleich verschiedener Funktechniken (6): Versorgungsanalyse bei 2100 MHz Cost231 WI bei 2100 MHz (UMTS): o o o Innerhalb von 700 Metern 35,9% Haushalte versorgt Vgl: 78,9% bei 900 MHz Doppelte Anzahl von Funkstationen notwendig Niedrige Frequenzbänder sind aufgrund der besseren Durchdringung von Gebäuden zu bevorzugen Coverage Analysis of Real-World Scenario using Cost 231 WI Building Penetration Channel Model at 2100 MHz LTE attraktiv aufgrund des Einsatzes bei 800 MHz C. Müller, H. Georg, M. Putzke and C. Wietfeld, "Performance Analysis of Radio Propagation Models for Smart Grid Applications", 2nd IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), Brussels, Belgium, Oct 2011, pp Folie 19

20 Agenda Anforderungen Aktuelle Forschungsarbeiten im Bereich der IKT für zukünftige Energiesysteme Kommunikationsnetze und Architekturen Funktechnologien für das Smart Grid Elektromobilität Zusammenfassung und Ausblick Folie 20

21 IKT für die Elektromobilität Infrastruktur E-Energy Marktplatz Erweiterung der Kommunikationsarchitektur: Elektrofahrzeug als steuerbare Last (DER-Distributed Energy Resource) Marktplatzteilnehmer E Smart Meter IKT Gateway Prosumer 1 Lasten Ladepunkt- Betreiber 1 Ladepunkt 1 Elektrofahrzeug 1 Electric Vehicle Annahme: Ladestromverbrauch für Elektromobilität wird separat erfasst, weil: Spezieller Elektrostrom-Anbieter Roaming von Fahrzeugen IKT-Gateway-Optionen: Nutzung des existierenden IKT- Gateways (z.b. Ladepunkt in der Garage) oder Separates IKT-Gateway (z.b. bei abgesetztem/öffentlichem Stellplatz) Folie 21

22 IKT für die Elektromobilität im Roamingfall Notwendigkeit von standardisierten Schnittstellen Infrastruktur E-Energy Marktplatz (als Clearing House) Marktplatzteilnehmer Ladepunkt- Betreiber 1 Ladepunkt- Betreiber 2 Marktplatzteilnehmer IKT Gateway Schwerpunkt der aktuellen Standardisierung in IEC/ISO: Vehicle to Grid (V2G) IKT Gateway E Smart Meter Lasten Ladepunkt 1 E E Ladepunkt 2 Lasten E Smart Meter Prosumer 1 Electric Vehicle EV1 Roaming Electric Vehicle EV1 Prosumer 2 Folie 22

23 Organisation der ISO/IEC Joint Working Group ISO TC22 / SC3 Convener ISO/IEC V2G CI Joint Working Group IEC TC 69 Convener Layer 5-7 Project Team 1: Use Cases Project Team 2: Messages, Sequences & Timings Project Team 5: Security Project Team 6: Conformance Testing Layer 3+4 Project Team 3: Intermediate OSI Layers Layer 1+2 Project Team 4: Wired PHY + MAC ISO/IEC Part 1 General Information & Use Case Definition ISO/IEC Part 2 Technical Protocol Description & OSI-Layer Requirements ISO/IEC Part 3 Physical Layer & Data Link Layer Req. ISO/IEC Conformance Tests Part 4 Network and application protocol Part 5 Physical and Data Link Layer Folie 23

24 Agenda Anforderungen Aktuelle Forschungsarbeiten im Bereich der IKT für zukünftige Energiesysteme Funktechnologien für das Smart Grid Kommunikationsnetze und Architekturen Elektromobilität Zusammenfassung und Ausblick Folie 24

25 Zusammenfassung und Ausblick Vielzahl an technischen Lösungsansätzen verfügbar bzw. in der Entwicklung: Nutzung von Embedded Internet/Web-Technologien ist gesetzt Techniken für Access / Neighbourhood Area Networks noch offen Typischer IKT-Lebenszyklus passt nicht zu Energiesystemen: IKT-Generationen überspringen: Nutzung von LTE (Economies-of-Scale) Spezifische Techniken nutzen: z.b. CDMA 450 langfristige Verfügbarkeit in Abhängigkeit von wenigen Herstellern Aktuelle Diskussion: Adaption von LTE Machine-Type Communications (MTC) Laufende Forschungsprojekte dienen u.a. der Erprobung und Weiterentwicklung verschiedener Kommunikationslösungen und Schärfung der Anforderungsprofile Folie 25

26 Ausgewählte Referenzen C. Müller, M. Putzke and C. Wietfeld, "Traffic Engineering Analysis of Smart Grid Services in Cellular Networks", accepted for presentation on 3rd IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm 2012), Tainan City, Taiwan, Nov H. Georg, S. C. Müller, C. Rehtanz and C. Wietfeld, "A HLA Based Simulator Architecture for Co-simulating ICT Based Power System Control and Protection Systems", accepted for presentation on 3rd IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm 2012), Tainan City, Taiwan, Nov C. Müller, C. Lewandowski, C. Wietfeld, H. Kellerbauer and H. Hirsch, "Coexistence Analysis of Access and Indoor Powerline Communication Systems for Smart Grid ICT Networks", 16th IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications (ISPLC), Peking, China, Mar C. Müller, H. Georg, M. Putzke and C. Wietfeld, "Performance Analysis of Radio Propagation Models for Smart Grid Applications", 2nd IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), Brussels, Belgium, Oct 2011, pp C. Wietfeld, H. Georg, S. Gröning, C. Lewandowski, C. Müller and J. Schmutzler, "Wireless M2M Communication Networks for Smart Grid Applications", European Wireless 2011 (EW2011), Vienna, Austria, Apr 2011, pp C. Wietfeld, C. Müller, J. Schmutzler, S. Fries, A. Heidenreich and H. -. Hof, "ICT Reference Architecture Design based on Requirements for Future Energy Marketplaces", 1st IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), Gaithersburg, Maryland, USA, Oct 2010, pp B. Lichtensteiger, B. Bjelajac, C. Müller and C. Wietfeld, "RF Mesh Systems for Smart Metering: System Architecture and Performance", 1st IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), Gaithersburg, Maryland, USA, Oct 2010, pp J. Schmutzler, S. Gröning and C. Wietfeld, "Management of Distributed Energy Resources in IEC using Web Services on Devices", 2nd IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm) 2011, Brussels, Belgium, Oct 2011, pp J. Schmutzler and C. Wietfeld, "Analysis of Message Sequences and Encoding Efficiency for Electric Vehicle to Grid Interconnections", IEEE Vehicular Networking Conference (VNC) 2010, Jersey City, New Jersey, USA, 2010, pp C. Rehtanz and C. Wietfeld, "Das Internet der Energie", at - Automatisierungstechnik 10/2009, , pp C. Wietfeld, "Evolution des Internets: zuverlässige Kommunikationsinfrastruktur auch für die elektrische Energietechnik?", ETG-Kongress 2007, Oct Weitere Veröffentlichungen unter: Folie 26

27 Kontakt: Leitung Prof. Dr.-Ing. Christian Wietfeld Phone.: Fax: Forschungsgruppenleiter Dipl.-Ing. Jens Schmutzler Phone.: Fax: Addresse: TU Dortmund Communication Networks Institute (CNI) Otto-Hahn-Str Dortmund Germany Kooperationspartner: Folie 27