SIP-basierte P2P-Vernetzung in einer Energie-Community

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1 SIP-basierte P2P-Vernetzung in einer Energie-Cmmunity M.Sc. Inf. M. Steinheimer 1 Prf. Dr.-Ing. U. Trick 1, Dipl.-Ing. (FH) P. Ruhrig 1, M.Sc. Inf. P. Wacht 1, Prf. Dr.-Ing. R. Tönjes 2, Dipl.-Inf. (FH) M. Fischer 2, M.Sc. D. Hölker 2 1 Fachhchschule Frankfurt am Main University f Applied Sciences Frschungsgruppe und Labr für Kleiststraße 3, Frankfurt a.m. Tel.: 069/ , steinheimer@e-technik.rg 2 Hchschule Osnabrück University f Applied Sciences Labr für Hchfrequenztechnik und Mbilkmmunikatin Pstfach 1940, Osnabrück

2 Agenda Einführung (Energienetz der Zukunft und dezentrales Energiemanagement) Energiemanagement durch Peer-t-Peer Vernetzung und Energie-Cmmunity Infrmatinsaustausch und verteilte Datenhaltung Bestandteile des Service Management Framewrks (SMF) Diensterzeugung und Dienstausführung Simulatin und Test

3 Regelung / Steuerung 1 Einführung Energienetz in der Zukunft X Übertragungsnetz (Höchstspannungsnetz) 380/220kV Sekundärverteilnetz (Mittelspannungsnetz) 20/10kV Ortsnetz (Niederspannungsnetz) 400/230V Reduzierung vn Grßkraftwerken und Zuwachs vn dezentralen Erzeugungsanlagen (PV, BHKW) erfrdert die Regelung auf allen Spannungsebenen Steuerung vn dezentralen Erzeugungsanlagen und Energieverbrauchern Erfrdert die Kmbinatin vn IKT und Energietechnik. Dies führt zu einem Smart Grid.

4 1 Einführung Dezentrales Energiemanagement Energiemanagement (Ortsnetz) dezentraler Ansatz Autmatische Steuerung vn Energieverbrauchern und -Erzeugern innerhalb jedes Haushalts Tägliche Aktivitäten werden durch Steuerung und Management vn Geräten im Haushalt beeinflusst Erfrdert die Einbindung vn Benutzern und die Berücksichtigung derer Bedürfnisse Schwer möglich, da Bedürfnisse nicht bekannt Mögliche Lösung: Energiemanagement mittels Mehrwertdiensten die der Benutzer selbst definieren kann, und durch den Benutzer definierte Randbedingungen (für die Energieptimierung)

5 2 Service Management Framewrk (SMF) Service Management Framewrk (SCE + SDP) Für die Anbindung vn verschiedenartigen Kmmunikatinstechnlgien und Geräten Interface zu den Geräten (Steuerung vn Geräten, Herstellen der Verbindung zu Geräten) Zentrale Einheit (im Smart Hme) zur Steuerung und Knfiguratin vn Energieerzeugern und -Verbrauchern im Smart Hme Autmatische Dienstptimierung (Re-Knfiguratin), um Last im Haushalt zu reduzieren und die persönlichen Bedürfnisse des Benutzers zu erfüllen Service Delivery Platfrm (SDP) Für Dienstbereitstellung, Gerätesteuerung und Servicemanagement Anbindung vn Erzeugern und Verbrauchern Service Creatin Envirnment (SCE) Zur Integratin des Benutzers Ermöglicht einfache Diensterzeugung (durch den Benutzer)

6 3 Krdinierte Optimierung vn Haushalten Die Optimierung des Energieverbrauchs (durch ptimale Lastverschiebung) reduziert die Last in Haushalten (Begrenzung vn Lastspitzen durch Einsatz vn Batteriespeichern) Optimierung vn einzelnen Haushalten ist nicht effektiv (da nur wenig Einfluss auf das Netz) Unkrdinierte Optimierung einzelner Haushalte kann negative Effekte hervrrufen (z.b. nur Verschieben statt Eliminieren vn Lastspitzen) Daher gleichzeitige Optimierung vn Haushalten nötig

7 4 Peer-t-Peer Vernetzung und Energie-Cmmunity Gleichzeitige Optimierung vn Haushalten erfrdert Vernetzung vn Haushalten (die Infrmatinen über Energieverbrauch austauschen) SMF stellt Funktinalität zur P2P-Vernetzung vn Haushalten bereit (annymisiert, verschlüsselt) P2P, da keine zentrale Stelle zur Steuerung integriert ist Peers repräsentieren Haushalte, Energielieferanten und Verteilnetzbetreiber SMF stellt Dienst / Algrithmus zur Lastptimierung in Haushalten bereit (unter Berücksichtigung der Energieinfrmatinen aller Haushalte), um z.b. Lastkurve in Regin zu glätten

8 Peer-t-Peer Vernetzung und Energie-Cmmunity 2 Mögliche Schwierigkeiten (für Vernetzung und Optimierung): Fehlender Mechanismus zur Bildung des P2P-Netzwerks Anwender verflgen unterschiedliche Ziele für eine Optimierung (z.b. Kstensenkung, Bezug ausschließlich grüner Energie, bestmögliche Vergütung für Einspeisung) P2P-Ansatz erweitert um Cmmunity-Mechanismen (SMF bietet Funktinalität um Energie-Cmmunity beizutreten und smit P2P-Netzwerk zu bilden)

9 Peer-t-Peer Vernetzung und Energie-Cmmunity 3 Beitritt zur Energie-Cmmunity (über Cmmunity Website)

10 Peer-t-Peer Vernetzung und Energie-Cmmunity 4 Registrierung über Webbrwser Benutzer knfiguriert SMF (mit Zugangsdaten, Btstrap Peers) SMF lädt Liste aller Teilnehmer (zur Bildung ständiger SIP URIs) SMF stellt Verbindung zu P2P-Netzwerk her (über Btstrap Peers) Registrierung Cmmunity Web Server Brwser N User N, Passwrt Btstrap Peer Neuer Peer User N, Passwrt, Btstrap Peer SMF Peer N Btstrap Peer A Btstrap Peer D DHT Data DHT Data Peer B DHT Data DHT Data Peer C Peer E

11 5 Infrmatinsaustausch und verteilte Datenhaltung Nachrichteninhalt: für Optimierung der relevanten Parameter (z.b. aktuel ler der geplanter Energiebedarf, Angaben zu vr handenen energieerzeugenden der energiespeichernden Anlagen (statinäre Energiespeicher, Elektrauts), Energiepreise und/der Netzentgelte) Austausch der Infrmatinen mittels SIP-INFO-Nachrichten Versendung erflgt vn jedem Peer an alle weiteren im P2P-Netzwerk angemeldeten Haushalte Peer A SMF Peer B SMF Peer C SMF z.b. Daten: Energieverbrauch - Geschätzter Verbrauch - Mögliche Energieeinsparung - Speicherkapazität Peer D SMF Peer N SMF

12 Infrmatinsaustausch und verteilte Datenhaltung 2 Infrmatin über Adressierung der Peers erhält die SMF des versendenden Peers durch Abrufen einer Liste mit allen Teilnehmern (vm Cmmunity- Webserver) Kntaktadressen der Peers ermittelt die SMF über einen im P2P-Netzwerk implementierten Lcatin Service Lcatin Service und weitere Datenhaltung realisiert über DHT (Distributed Hash Table) mit Chrd-Algrithmus (strukturiertes P2P-System, Suchprtkll entwickelt am MIT)

13 6 Smart Hme-Architektur SMF: Installiert in Haushalt, Anbindung vn Geräten, Vernetzung vn Haushalten

14 7 Bestandteile Service Management Framewrk (SMF)

15 SIP-basierte Peer-t-Peer-Vernetzung

16 8 Diensterzeugung und Dienstausführung Device Capabilities (DCs) / Service Capabilities (SCs) Bezeichnungen Knfiguratinsmöglichkeiten Lgische Verknüpfungen Device and Service Registratin (DSR) Beinhaltet Repsitry aller DCs/SCs Verwaltet Liste aller registrierten Devices/Services

17 Diensterzeugung und Dienstausführung 2 Design eines User Service mittels GUI (Webbrwser) Beispieldienst: Mittels des integrierten Temperatursensrs an einem Rutenbeck TC/IP Energy Manager wird die Temperatur in einem Raum gemessen. Ist der gemessene Wert höher als 25 C, sll ein Audi Call zu einem SIP User Agent initiiert werden, andernfalls passiert nichts.

18 Diensterzeugung und Dienstausführung 3

19 All rights reserved

20 Diensterzeugung und Dienstausführung 4

21 Diensterzeugung und Dienstausführung 5 Service Runtime Envirnment (SRE) Besteht aus (User) Services, Executin Engine, SRE Scheduler (User) Services Repsitry aller Dienste (frmale Dienstbeschreibungen) Executin Engine Lädt die Dienstbeschreibungen Parsen und Interpretatin vn Dienstbeschreibung Ausführung der Aktinen aus Dienstbeschreibung (durch Senden/Empfangen vn Events) SRE Scheduler (triggert die Dienstausführung)

22 9 Simulatin and Test Envirnment Testen vn Diensten Testen vn semantischer Krrektheit Test erflgt durch Simulatinsmdus (vn Dienst) Szenarien beschreiben den Ablauf einer Simulatin Ereignisse innerhalb eines Haushaltes (z.b. Aktivierung und Deaktivierung vn Geräten) Simulatinsmdelle repräsentieren Geräteverhalten (z.b. Energieverbrauch in bestimmten Situatinen, Reaktin auf Ereignisse) Simulatinsergebnis wird dem Benutzer über die GUI dargestellt External Test Interface zur Anbindung externer Instanzen (für Test und Simulatin)

23 10 Zusammenfassung und Ausblick Knzept der P2P-Vernetzung vn Haushalten in einer Energie-Cmmunity Ganzheitliche Lösung für Energiemanagement und Energieptimierung in Haushalten (einzelne und Cluster) Basiert auf SIP-basierter P2P-Vernetzung und verteilter Datenhaltung (mit DHT, Chrd) Maximaler Nutzen für alle Beteiligte Service Management Framewrk bietet Funktinalitäten für: Diensterzeugung (SCE) Dienstausführung (SDP) Test und Simulatin (STE) Erste prttypische Realisierungen wurden vrgenmmen Weitere Arbeiten: Detaillierung Netz- und Systemkmpnenten Optimierungsalgrithmen, Test und Simulatin

24 SIP-basierte P2P-Vernetzung in einer Energie-Cmmunity Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit - Fragen? M.Sc. Inf. Michael Steinheimer Fachhchschule Frankfurt/M. Kleiststraße 3, D Frankfurt a.m. Fn: / , steinheimer@e-technik.rg