Programmierung einer Analysesoftware für das Energiemonitoring-System EMSys

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1 Programmierung einer Analysesoftware für das Energiemonitoring-System EMSys Diplomarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Diplom-Informatiker (FH) des Fachbereichs Elektrotechnik und Informationstechnik der Fachhochschule Aachen Kurzfassung vorgelegt von Michael Reiher im November 2005

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Projekt Systemaufbau Gesamtaufbau Servermodule EMSys Schichtenmodell Grundlagen Bewertungskriterien für Energiemonitoring-Systeme Anforderungen an Programmiersprachen Softwareentwicklung Datenbank Datenauswertung Stammdaten Kennzahlenbildung Bilanzgrenzen Auswertung Benchmarking

3 1 Einleitung Schon 1784 beschäftigte sich Benjamin Franklin mit dem rationellen Einsatz von Energie. Er berechnete wie viele Kerzen die Stadt Paris sparen könnte, wenn man das Tageslicht im Sommer eine Stunde länger ausnutzen würde. Aufgrund dieser Idee unterscheiden wir auch heute Sommer- und Winterzeit. Im Juni 2004 wurde zwischen der Fachhochschule Aachen und den Stadtwerke Aachen (STAWAG) die Umsetzung des Forschungs- und Entwicklungsprojekts Energiemonitoring in den Liegenschaften der STAWAG vereinbart. In einer Zeit steigender Energiekosten ist der bewusste, zeit- und kosteneffiziente Umgang mit Energie von immer größerer Bedeutung. Eine manuelle Messstellenablesung ist sehr zeitaufwendig, sodass sich die Investition in ein Energiemonitoring-System schnell amortisiert. Das zu entwickelnde Energiemonitoring-System hat den Produktnamen EMSys erhalten. Dies ist eine Abkürzung für Energie-Monitoring-System. EMSys soll Unternehmen bei ihrer rationalen Energieverwendung unterstützen. Es soll bei der Erfassung und Auswertung von Energiedaten im Rahmen des Betriebs von Gebäuden und Liegenschaften eingesetzt werden. Dem Nutzer soll ein flexibel einsetzbares Analysewerkzeug angeboten werden, das eine einheitliche Messwertdarstellungsund Auswertungsoberflächenstruktur auf eine Vielzahl von Anwendungsfällen abbildet. Nutzen des Energiemonitoring-Systems ist in der ersten Stufe die Optimierung des Energieeinsatzes durch ein praxisgerechtes Energiemonitoring. In der zweiten Stufe wird eine Datenbasis geschaffen. Diese dient als Grundlage für eine unter energetischen Gesichtspunkten optimierten Planung und Realisierung von Gebäuden sowohl im Neubaubereich als auch im Altbestand. Aufgabe des Energiemonitoring-Systems ist eine weitgehend automatisierte Erfassung und Visualisierung aller relevanten Verbrauchsdaten unter Zugrundelegung des jeweiligen Zählerparks.

4 1 Einleitung 4 In dieser Diplomarbeit wird insbesondere die Nutzeroberfläche behandelt. Diese gliedert sich in die Bereiche Administration und Monitoring. Die Administration dient zum einen der Zählerparkverwaltung und zum anderen der Schaffung von Berechnungsgrundlagen für die spätere Auswertung. Im Bereich Monitoring werden die Verbrauchsdaten visualisiert und ausgewertet. Die Grundzüge von EMSys sind zentrale Konfigurierbarkeit, Flexibilität und Erweiterbarkeit. Durch einfache Skalierbarkeit und einen modularen Aufbau soll das Mitwachsen des Systems auch bei Änderungen der Aufgabenstellung garantiert werden. Damit wird zum einen der Einstieg in das Energiedatenmanagement vereinfacht und zum anderen eine dauerhafte Nutzung des Systems gewährleistet.

5 2 Projekt 2.1 Systemaufbau Der Aufbau und technische Hintergrund basieren auf der Datenabfrage von Energiebeziehungsweise Verbrauchsmessstellen. Da es sich bei den Stadtwerken Aachen vorwiegend um Energiedaten handelt, wird das zu entwickelnde System grundsätzlich als Energiemonitoring-System bezeichnet. Jedoch kann EMSys neben Energie auch andere Medien wie zum Beispiel Wasser erfassen. Daher wird im Verlauf dieser Arbeit meist der Begriff Monitoring beziehungsweise Monitoring-System verwendet. Der Systemaufbau wird im Folgenden kurz beschrieben Gesamtaufbau Wie in der Abbildung 2.1 aufgezeigt, wird zwischen Feld- und Managementebene unterschieden. In der Feldebene werden die Verbrauchsdaten der verschiedenen Medien gemessen und gewandelt. Das Verdichten, Auswerten und Visualisieren ist Aufgabe der Managementebene. Messen und Wandeln In der Feldebene sind neben den eigentlichen Messstellen auch Pegelwandler und eine Modemstrecke abgebildet. Aufgabe des Pegelwandlers ist es, die Daten mehrerer Messstellen über eine RS232 Schnittstelle an den EMSys-Server weiterzuleiten. Ist eine Messstelle aufgrund hoher Entfernung nicht direkt erreichbar, so kann eine Datenfernübertragungsstrecke zwischengeschaltet werden. Diese bietet allerdings keine permanente Verbindung zum EMSys-Server. Daher werden die Daten mittels Datenlogger gesammelt

6 2.1 Systemaufbau 6 Abbildung 2.1: Systemaufbau EMSys

7 2.1 Systemaufbau 7 und können in größeren Zeitabständen abgerufen werden. Weitere Möglichkeiten und Aufgaben der Datenfernübertragungsstrecke sind der Diplomarbeit Zählerfernauslesung entfernter Liegenschaften via Modemstrecke zu entnehmen. Verdichten und Auswerten Der EMSys-Server übernimmt die Verdichtung, Auswertung und Speicherung der gemessenen Werte. Als zentrales Element bietet er zum einen die notwendigen Schnittstellen zu den Messstellen und zum anderen eine Verbindung zu den Clients. Die einzelnen Module beziehungsweise Funktionen des EMSys-Servers sind in Abschnitt beschrieben. Visualisierung Dem Benutzer wird eine Software zur Verfügung gestellt, mit der das Energiemonitoring- System einschließlich des Zählerparks administriert und die Daten analysiert werden können. Wie in Abbildung 2.1 zu sehen, erfolgt der Zugriff auf den EMSys-Webserver in einer Client-Server-Architektur. Als Clients dienen PCs mit Standard-Webbrowsern, die eine Internetverbindung zum Webserver aufbauen. Nach der Beschreibung des Gesamtaufbaus werden im Folgenden der EMSys-Server und seine Module erläutert Servermodule Bus/SOAP-Interface: Das Bus/SOAP-Interface dient zur Adressierung der Messstellen und Abfrage der Verbrauchsdaten. SOAP/Datenbank-Interface: Die Schnittstelle zwischen Datenbank und Bus-Server ist das SOAP/Datenbank-Interface. In diesem Modul werden die Messstellenabfragen gesteuert, Verbrauchsdaten mit einem Zeitstempel versehen und in die Datenbank geschrieben.

8 2.1 Systemaufbau Abbildung 2.2: Systemaufbau EMSys-Server und Schnittstellen 8

9 2.2 EMSys Schichtenmodell 9 Datenbank: Die Datenbank speichert neben den Verbrauchsdaten auch Informationen über Messstellen, Zähler, Stammdaten sowie Kennwerte und Liegenschaftsdaten. Webserver: Zur Generierung einer Benutzeroberfläche dient das Modul Webserver. Es stellt zum einen die Schnittstelle zwischen Datenbank und Benutzer dar. Zum anderen ist eine direkte Kommunikation mit dem Bus/SOAP-Interface möglich, um neue Messstellen anlegen zu können. SOAP 1 ist ein Protokoll, mit dessen Hilfe Daten zwischen Systemen ausgetauscht und sogenannte Remote Procedure Calls durchgeführt werden können. Mit Remote Procedure Calls, kurz RPC, ist es möglich Funktionen auf entfernten Rechnern aufzurufen. SOAP stützt sich zur Repräsentation der Daten auf XML 2 und zur Datenübertragung auf Internetprotokolle. Mit XML wird zwischen den Modulen Bus/SOAP und SOAP/ Datenbank eine einheitliche Schnittstelle geschaffen. Der Vorteil wird deutlich, wenn man weitere Bussysteme anbindet. In diesem Fall muss lediglich ein neues Modul zur Anbindung des jeweiligen Bussystems entwickelt werden. Alle anderen Module bleiben davon prinzipiell unberührt. Herstellerspezifische Protokollinformationen werden durch eine Protokollbibliothek in herstellerunabhängige XML-Pakete gewandelt. Für die Auswertung ist sowohl der Web- als auch der Datenbankserver von grundlegender Bedeutung, da hier die Verbrauchsdaten aufbereitet und für den Benutzer visualisiert werden. 2.2 EMSys Schichtenmodell Der im Abschnitt Systemaufbau erläuterte physikalische Aufbau von EMSys ist für die Auswertung von Verbrauchsdaten nicht ausreichend. Um Verbrauchsdaten vergleichbar zu machen, ist es wichtig, neben der physikalischen Messstellenanordnung mehrere Messstellen zusammenfassen und auf Bezugsgrößen beziehen zu können. Die in Abbildung 2.3 dargestellten Ebenen werden im Folgenden erläutert. 1 Ursprünglich Abkürzung für Simple Object Access Protocol, heute Eigenname 2 Extensible Markup Language, Standard zur Erstellung maschinen- und menschenlesbarer Dokumente

10 2.2 EMSys Schichtenmodell 10 Abbildung 2.3: EMSys Schichtenmodell Liegenschaften Grundlegend ist das Anlegen einer Liegenschaft mit entsprechenden Gebäudedaten. Dabei wird in EMSys die Liegenschaft, deren Gebäude, Stockwerke und Räume hinterlegt. Erst danach kann eine Messstelle angelegt werden. Ziel ist eine benutzerfreundliche, leichte Auffindbarkeit der Messstellen bei der späteren Auswertung. Messstellen Die Messstellen bilden die physikalische Ebene, also die der Messgeräte. Sie können die unterschiedlichsten Medien (Strom, Gas, Wasser, Wärme, etc.) messen und die Messwerte an den EMSys-Server weitergeben.

11 2.2 EMSys Schichtenmodell 11 Virtuelle Zähler Die logisch zusammengefassten Messstellen werden als virtuelle Zähler bezeichnet. Hauptvorteil der virtuellen Zähler ist, dass Messstellen unabhängig von ihrem physikalischen Einbauort zusammengefasst werden können. Es ist also beispielsweise möglich, aus mehreren Messstellen, die jeweils nur einen Teilverbrauch messen, den Gesamtverbrauch zu bestimmen. Dies spart möglicherweise die Investitionskosten für weitere Messstellen. Insbesondere bei Rohrleitungen steht der Aufwand für Investitionen zusätzlicher Messstellen vielfach in keinem Verhältnis zu den möglichen Einsparpotentialen. 1 Bilanzgrenzen Bei einer umfangreichen Anzahl von Messstellen bietet die Bilanzierungsebene eine strukturierte Darstellung der Verbrauchsdaten. Jeder Bilanzgrenze werden neben einem virtuellen Zähler auch die entsprechenden Bezugsgrößen zugeordnet. Deren Aufgabe ist es, Verbrauchsdaten unterschiedlicher Bilanzgrenzen vergleichbar zu machen. 1 Leitfaden Energiebericht, FH Aachen

12 3 Grundlagen 3.1 Bewertungskriterien für Energiemonitoring-Systeme Die Marktrecherche zeigt, dass nur die Produkte der Firma Görlitz das geforderte Bilanzgrenzenkonzept abbilden können. Allerdings erfordern sie eine aufwendige, kostenintensive Implementierung und ihre Handhabung ist sehr kompliziert. Die Recherche bestätigt somit die Entwicklung einer eigenständigen Lösung. Der Einsatz von XML zur Datendarstellung und SOAP zur Datenübertragung bietet eine offene und leicht zu erweiternde Schnittstelle. Diese entkoppelt alle zur Auswertung benötigten Daten von den herstellerproprietären Messstellenprotokollen. 3.2 Anforderungen an Programmiersprachen Die Anzahl geeigneter Programmiersprachen wird durch das Kriterium Internetfähigkeit stark eingeschränkt. EMSys soll vollständig über das Internet bedienbar sein, ohne auf den Clients eine zusätzliche Software installieren zu müssen. Standard-Webbrowser in Kombination mit Webprogrammiersprachen erfüllen diese Voraussetzungen. Die verwendete Bustechnik ist bei der Programmiersprachenauswahl nicht von Bedeutung. Der Zugriff auf die Messstellen erfolgt aus jeder Programmiersprache gleichermaßen und schafft somit Transparenz für den Entwickler. Wichtig ist lediglich, dass XML-Pakete erzeugt und mittels SOAP-Protokoll übertragen werden können.

13 4 Softwareentwicklung 4.1 Datenbank Die Datenbank sorgt neben der strukturierten Speicherung für einen performanten Zugriff auf die Daten. Natürlich stellt das Eintragen der Messwerte oder das Anlegen einer Messstelle keine besonderen Anforderungen an die Datenbank und deren interne Struktur, da nur einzelne Datensätze verarbeitet werden. Im Gegensatz dazu ist die in der Auswertung benötigte Berechnung vieler tausend Datensätze eine echte Belastung für die Datenbank. Soweit es möglich ist, werden alle Berechnungen direkt durch einen SQL-Befehl durchgeführt. Dies ist wichtig, da die Datenbank wesentlich performanter arbeitet, als beispielsweise die Scriptsprache PHP. Auch die Anzahl an Datenbankabfragen ist aufgrund des sonst enormen Datenaufkommens gering zu halten. Dabei hängt es vom konkreten Fall ab, ob die Daten im Hauptspeicher des Rechners vorgehalten werden oder sich eine erneute Abfrage lohnt. Die Erweiterbarkeit von PostgreSQL um eigene Funktionen ist ein großer Vorteil gegen über anderen Datenbanken. Neben der reinen Abfragesprache SQL kann die prozeduale PostgreSQL Abfragesprache PL/PGSQL aber auch die Programmiersprache C eingesetzt werden. Mit steigender Komplexität der zu erstellenden Datenbankabfragen gelangt man schnell an die Grenzen von SQL. Sprachelemente wie beispielsweise Schleifen, Bedingungen und Zuweisungen sind nicht möglich. PorstgreSQL bietet dazu die Programmiersprache PL/PGSQL an, die genau diese Funktionalität bietet. 4.2 Datenauswertung Durch die konsequente und regelmäßige Erfassung von Verbrauchsdaten wird eine Datenbasis geschaffen. Sie ist die Grundlage zur Auswertung der Verbrauchsdaten. Um die Auswertung flexibel zu gestalten, sieht EMSys vor, zunächst Stammdaten und

14 4.2 Datenauswertung 14 Kennzahlen allgemein zu definieren. Erst im Rahmen der Bilanzierung werden den Bilanzgrenzen spezifische Bezugswerte zugeordnet. Im Folgenden werden die dazu notwendigen Schritt erklärt und in Abbildung 4.1 aufgezeigt. Abbildung 4.1: Flussschema zur Analysesoftware Stammdaten Stammdaten sind Daten, die Bestand haben, also über längere Zeit unverändert bleiben. Hierbei handelt es sich um bilanzgrenzenspezifische Stammdaten, die zur Berechnung

15 4.2 Datenauswertung 15 von Kennzahlen herangezogen werden. Die Definition der Stammdaten erfolgt wie auch die Bildung von Kennzahlen dynamisch über die Nutzeroberfläche. Der Benutzer legt zunächst über ein HTML-Formular lediglich die Namen und Einheiten der neu hinzuzufügenden Stammdaten allgemein fest. Hintergrund dieser Vorgehensweise ist die Gewährleistung hoher Flexibilität in der Datenauswertung. Dem Benutzer soll es ermöglicht werden, individuelle Berechnungsgrundlagen zu schaffen Kennzahlenbildung Nachdem die Stammdaten allgemein definiert wurden, können sie in einer Formel zur Kennzahlenbildung berücksichtigt werden. Dazu steht ein HTML-Formular zur Verfügung, welches den Benutzer bei der Formelbildung unterstützt. Gespeichert werden die Kennzahlen, Einheit und deren Formel in der Datenbank. Ein entsprechender Paser ersetzt bei der späteren Auswertung die Bilanzgrenzenspezifischen Werte in der Formel Bilanzgrenzen Bei einer umfangreichen Anzahl von Messstellen sowie einer Reihe von Kennzahlen kommt der übersichtlichen und strukturierten Darstellung von Verbrauchsdaten eine besondere Bedeutung zu. Bilanzgrenzen ermöglichen die Strukturierung von Messstellen und die Gegenüberstellung vergleichbarer Kennzahlen. Zum einen wird jeder Bilanzgrenze ein virtueller Zähler zugewiesen, welcher durch Addition oder Subtraktion verschiedener Messstellen entsteht. Zum anderen können in einer Bilanzgrenze spezifische Stammdaten hinterlegt werden Auswertung Von zentraler Bedeutung ist die ergonomische Darstellung von Messwerten, getrennt nach den vom Benutzer angelegten Medien (Strom, Gas, Wärme, Wasser, etc.). Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten der Auswertung. Erstere erfordert Informatio-

16 4.2 Datenauswertung 16 nen über die Messstellenkennung oder den Einbauort der Messstelle. Die zweite Möglichkeit bietet eine übersichtliche Darstellung der Bilanzgrenzen. Für die Softwareentwicklung ist der technische Ablauf in beiden Fällen sehr ähnlich. Es folgt nun eine Darstellung aller Funktionalitäten der Auswertungssoftware. Abbildung 4.2: JFreeChart Aktueller Messstellen- und Bilanzgrenzenverbrauch: Die in der Datenbank aktuellsten Messwerte können direkt abgefragt werden. Bei Bilanzgrenzen werden gegebenenfalls die aktuellen Verbrauchswerte der einzelnen Messstellen addiert beziehungsweise subtrahiert. Lastgang einer Messstelle bzw. einer Bilanzgrenze: Der Lastgang ist das wichtigste Instrument der Auswertungssoftware. Insbesondere bei der Zusammenfassung mehrerer Messstellen muss der Lastgang aufwendig berechnet werden. Gesamtverbrauch: Der Gesamtverbrauch ist nicht zwangsläufig auf den Zeitraum seit Einbau der Messstellen beschränkt. Er kann für eine beliebige Zeitspanne ausgegeben werden.

17 4.2 Datenauswertung 17 Minimum, Maximum und Mittelwert: Diese Werte werden aus der Datenbank ermittelt. Dabei handelt es sich nicht um die Spannungsspitzen sondern lediglich um die Mittelwerte im angegebenen Messintervall. Dauerlinien für Messstellen und Bilanzgrenzen: Die Messwerte werden in Dauerlinien nicht über die Zeit, sondern nach ihrer Größe sortiert dargestellt. Daher ergibt sich immer eine fallende Kurve. An dieser kann der prozentuale Anteil der Werte abgelesen werden, der über oder unter einem bestimmen Verbrauch liegt. Kennzahlen einer Bilanzgrenze: Kennzahlen ermöglichen den Vergleich von Bilanzgrenzen untereinander und mit vorgegebenen Richtlinien (z.b. VDI 3807) Benchmarking Um aus den verfügbaren Verbrauchsdaten aussagekräftige Analysen zu erstellen, ist die Bildung von Kennzahlen erforderlich. Dabei hat der Benutzer die Möglichkeit, eine individuelle Grundlage für die spätere Auswertung zu schaffen und muss sich nicht auf vorgegebene Kennzahlen beschränken. Die Kennzahlen können miteinander oder mit VDI Richtwerten beziehungsweise Mittelwerten verglichen werden. Liegt beispielsweise der nach VDI 3807 gebildete Wert unter dem von EMSys berechneten, ergibt sich das mögliche Einsparpotential (siehe Abbildung 4.3). Abbildung 4.3: Soll-Ist-Vergleich