Entwicklung von Eingebetteten Systemen in der Energiewirtschaft

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1 Entwicklung von Eingebetteten Systemen in der Energiewirtschaft Herausforderungen Methodiken Ergebnisse SPES 2020 Anwendungsprojekt Energie

2 Embedded Systems (ES) spielen bei der Realisierung des Smart Grids eine zentrale Rolle Smart Grid Rolle Embedded Systems Steuerung / Kontrolle von Energieerzeugung Energieverteilung Energieverbrauch Interaktion Information / Kommunikation zwischen den am Smart Grid beteiligten Einheiten Damit bilden leistungsfähige ES eine wesentliche Voraussetzung zur Umsetzung des Smart Grids einschließlich der Ausschöpfung von Geschäftspotenzialen mit neuen Produkten, Dienstleistungen und innovativen Geschäftsmodellen 2

3 Entwicklung von Eingebetteten Systemen in der Energiewirtschaft Anwendungsprojekt Energie (AWP-EN) Herausforderungen Methodiken Ergebnisse Einbeziehung der Geschäftsprozesssicht Sehr große Anzahl und massive Verteiltheit eingebetteter Komponenten Extreme Komplexität in Struktur und Wirkzusammenhängen One-Shot-Szenario UML / Enterprise Architect Requirements Process Model des Requirements Viewpoints Functional, Logical und Technical Viewpoints / AutoFOCUS 3 Methodiken in der Energiedomäne weitgehend anwendbar Erweiterungsvorschläge seitens der Energiedomäne identifiziert Modellbasierter Ansatz zur Entwicklung von Eingebetteten Systemen in der Energiewirtschaft grundsätzlich hilfreich Dynamik in der Systemstruktur und im Systemverhalten 3

4 AWP-EN fokussiert auf Erprobung und Anpassung von Entwicklungsmethodiken für ES im Smart Grid (1/2) 1. Erarbeitung von Fallbeispielen Energiemeister Virtuelles Kraftwerk IKT-Gateway Integriertes domänenspezifisches Fallbeispiel Smart Grid 2. Identifikation von Anforderungen an die Systemmodellierung Unterstützung dynamischer Systemstrukturen mit einer großen Anzahl an Komponenten Unterstützung stochastischer Prozesse im Komponenten- und Kommunikationsverhalten Skalierbarkeit der Modellierung Berücksichtigung von Geschäftsprozessen Rückverfolgbarkeit von Anforderungen in der Systemmodellierung 3. Identifikation und Evaluierung von Modellierungssprachen, -theorien und -werkzeugen UML / Enterprise Architect Requirements Process Model des Requirements Viewpoints Functional, Logical und Technical Viewpoints / AutoFOCUS 3 4

5 AWP-EN fokussiert auf Erprobung und Anpassung von Entwicklungsmethodiken für ES im Smart Grid (2/2) 4. Requirements Engineering (RE) 5. Modellierung & Simulation Smart Grid Untersuchung der Anwendbarkeit der SPES RE-Methodik für das RE in der Domäne Energie Modellierung und Entwicklung eines Hardware- Demonstrators und einer Simulationsumgebung zur Modellierung und Analyse der Eigenschaften und des Verhaltens von ES im Smart Grid Empirische Erprobung der in SPES 2020 erarbeiteten Ansätze zur Entwicklung und Beherrschung eingebetteter Systeme, basierend auf Workshops und Fragebögen Verwendung der SPES-Methodik zur Planung, Modellierung, Realisierung und Evaluierung eines Smart Grid Prototyps 6. RE-Ansatz, Modellierung und Simulation ergeben zusammen eine durchgängige und effiziente Methodik für massiv verteilte Systeme mit eingebetteten Komponenten im Smart Grid Damit adressieren RE-Methodik und Simulation gezielt die von SPES fokussierten Aspekte einer anwendungsgebietsübergreifenden Erforschung zukünftiger Vernetzungs-, Hardware- und Softwarearchitekturen sowie neuartiger Methoden des Software- und Systems-Engineering 5

6 SPES-Methodik im Anwendungsprojekt Energie erfolgreich angewendet, evaluiert und erweitert Requirements Process Model / Requirements Viewpoint GP Smart Grid Simulator erweist sich als hilfreiches Werkzeug zur Planung und Analyse von Smart Grids Functional Viewpoint Logical Viewpoint Evaluierung der RE-Methodik zeigt positive Resultate AM GP: Geschäftsprozesse GP Entwicklungsmethodik erfolgreich zur Erstellung eines Smart Grid Hardware-Demonstrators angewendet Functional Viewpoint Logical Viewpoint Technical Viewpoint AM: Anlagenmodelle 6

7 Anstieg an Lösungsdetails SPES 2020 Anwendungsprojekt Energie Evaluierung der RE-Methodik zeigt positive Resultate RE-Methodik wurde mit Experten der Energiedomäne an Hand konkreter Evaluierungsprojekte im Rahmen von Workshops evaluiert: Dreistufige Befragung (Ex-post-facto Design) Zusätzliche Begutachtung der Ergebnisse durch unbeteiligte* Experten RE-Methodik im Requirements Viewpoint Geschäftsprozess System Subsystem Komponenten Evaluationsprojekte Windheizung Negative Minutenreserve Datenmanagement in Smart Grids Resultate der Evaluierung Teilnehmer sind überzeugt von der Ziel- und Szenarioanalyse Abstraktionsstufen sind für die Teilnehmer hilfreich Verzahnte Entwicklung von Lösung und Anforderung wird als positiv empfunden Teilnehmer empfinden das strukturierte Vorgehen bei der Problemanalyse positiv Teilnehmer können bearbeitete Themen besser durchdringen und verstehen Geschulter Moderator ist notwendig * Experten der Energiedomäne, die nicht an den Workshops teilgenommen hatten 7

8 Wesentliches Teilergebnis der RE Workshops: 7 Szenarien identifiziert* Wirtschaftlichkeit für den Vertrieb gewährleisten Spitzen aus regenerativer Energie abfangen Keine Regelenergie verfügbar Verfügbare Regelenergie ermitteln Regelenergie dem TSO anbieten TSO nimmt Angebot nicht an TSO nimmt Angebot an Geschäftsprozessebene Regelenergie wird nicht abgerufen Regelenergie wird abgerufen Systemebene Subsystem- / Komponentenebene Spezifikationsdokumente * Beispielhafte Darstellung eines Teilergebnisses aus den Expertenworkshops bei RWE zum Thema Windheizung Negative Minutenreserve zur Evaluierung der RE-Methodik aus dem Requirements Viewpoint. 8

9 Entwicklungsmethodik erfolgreich zur Erstellung eines Smart Grid Hardware-Demonstrators angewendet SPES 2020 Anwendungsprojekt Energie Verteiltes System mit dynamischer HW-Topologie im Bereich Smart Grids Einsatz von AutoFOCUS 3 als Entwicklungswerkzeug Generierung von ablauffähigem C-Code für eingesetzte Electronic Control Units (ECUs) und von ablauffähigem Java-Code direkt aus dem AutoFOCUS-Modell eines Anlagentyps Verwendete Plattform für ECUs: Luminary Micro 9B96-Boards mit ARM-Cortex M3 Erkenntnisse aus der Entwicklung Modellbasierte Entwicklungsansätze für komplexe Systeme in der Domäne Energie grundsätzlich geeignet Komplexe Regelungsaufgabe für effizienten Anlagenbetrieb konnte umgesetzt werden Gute Unterstützung heterogener Hardware und einfaches Deployment (Embedded + PC) Dynamik in der Systemtopologie nicht optimal von eingesetztem Entwicklungswerkzeug unterstützt Ableitung spezifischer Anforderungen an den Modellierungsansatz und das Entwicklungswerkzeug AutoFOCUS 3 9

10 Abfrage SPES 2020 Anwendungsprojekt Energie Hardware Demonstrator eines Virtuellen Kraftwerks erfolgreich modellbasiert entwickelt Systemvision Virtuelles Kraftwerk Realisierung eines Virtuellen Kraftwerks mittels durchgängiger modellbasierter Entwicklung Virtuelles Kraftwerk ist ein Verbund von Erzeugungsanlagen und Verbrauchern der mittels Energiemanagementsystem (EMS) koordiniert wird Die Steuerungssoftware der Anlagen wird auf den ECUs ausgeführt Realisierung von Simulatoren für das Verhalten bestimmter Komponenten (Verbraucher, Generatoren, Wetter) EMS Functional Viewpoint Logical Viewpoint Technical Viewpoint Demonstrator Funktionalitäten Funktionalitäten der VKW-Steuerung Funktionalitäten zur Umgebungssimulation ugerorientierte nktionalitäten VKW- Steuerung Anzeige Notabschaltung von Erzeugungsanlagen Wettersimulation Kapazität variieren Eingabe Verbrauchsdaten Status Netzteilnehmer Anzeige Status Erwartete Kapazitäten Berechnen Gesamt- Verbrauch/ Leistung Anzeige Erzeugungskurven Daten Abfragen Einzel-Chart 10

11 Smart Grid Simulator erweist sich als hilfreiches Werkzeug zur Planung und Analyse von Smart Grids Generierung von ablauffähigem Java-Code aus dem AutoFocus 3-Modell eines Anlagentyps Erweiterung des generierten ablauffähigen Java-Codes der modellierten Anlage um eine Kommunikations- und Visualisierungs- / Bedienkomponente für den Einsatz im Softwaresimulator Integration mit Kommunikations- und Energienetzsimulator Evaluierung anhand eines realen Niederspannungsnetzes Resultate der Evaluierung Simulator eignet sich als Testumgebung zur Entwicklung von Software, die auf realen Systemen eingesetzt werden soll Formale Verifikation aufgrund hoher Komplexität praktisch nicht möglich One-Shot-Szenario: Zur Sicherung des Stromnetzbetriebs und einer wirtschaftlichen Umsetzung ist ein Vorabtest neuer Konzepte bzw. Software unabdinglich Simulation fördert das Verständnis des Softwareentwicklers für die Auswirkungen der entwickelten Steuerung auf das Gesamtsystem Expertise sowohl für Energie- als auch für Kommunikationstechnologie notwendig 11

12 Smart Grid Simulation eines Netzabschnittes: Spannungsbandverletzungen werden behandelt Reale Anwendung: Virtuelles Kraftwerk Betriebswirtschaftliche Optimierung von Energieerzeugung und -verbrauch in einem simulierten Niederspannungsnetzabschnitt Steuerung von ca. 50 Anlagen gemäß optimierter Profile Netzbild zeigt Status der einzelnen Endsysteme Messung des Datenverkehrs im Kommunikationsnetz Messung von Spannung und Leistung am Endsystem Registrierte Endsysteme Gesamtsicht auf Erzeugung und Verbrauch Simulation: Kommunikations- und Kontrollnetz Spannungsbandverletzungen infolge fehlender Balance zwischen Erzeugung und Verbrauch durch Einsatz von Photovoltaikanlagen Test von Gegenmaßnahmen, z.b. Umstellen des Trafo-Stufenschalters 12

13 Ergebnisse bilden Grundlage für modellbasierte Entwicklung Eingebetteter Systeme im Smart Grid Simulation als wichtiges Werkzeug im Entwicklungsprozess Eingebetteter Systeme im Smart Grid Smart Grid Simulator erweist sich als hilfreiches Werkzeug zur Planung und Analyse von Smart Grids Einsatz des Simulators in Smart Grid Projekten, z.b. DG DemoNet Smart LV Grid Evaluierung der RE-Methodik zeigt positive Resultate Ergänzung der RE-Methodik um die im Kontext von Eingebetteten Systemen im Smart Grid wichtige Geschäftsprozesssicht Entwicklungsmethodik erfolgreich zur Erstellung eines Smart Grid Hardware-Demonstrators angewendet Identifikation wichtiger Erweiterungsmöglichkeiten für Modellierungstheorien und werkzeuge zur Verbesserung der Durchgängigkeit modellbasierter Entwicklungsprozesse für die Entwicklung Eingebetteter Systeme im Smart Grid 13

14 Anhang 14

15 AWP-EN folgt klarem Mission Statement Im AWP-EN werden Modellierungstechniken für massiv verteilte Systeme mit eingebetteten Komponenten im Bereich der Energieerzeugung, der Energieverteilung und des Energieverbrauchs im Smart Grid entworfen. Damit sollen folgende Ziele erreicht werden: Verfügbarkeit einer effizienten Beschreibung von Einzelkomponenten (z.b. Erzeugungsanlagen, Verteiler oder Umspannanlagen) und des Gesamtsystems während des Designs und der Realisierungsphase. Möglichkeit zur Simulation des Systemverhaltens um z.b. Aussagen über Systemdimensionierung oder Engpässe zu erhalten. Verfügbarkeit einer Systembeschreibung, die während der Betriebsphase als Grundlage für Management und Kontrollfunktionen dient. Folgende Vorgehensweise wird dabei verfolgt: Erarbeitung eines für diese Domäne typischen Anwendungsfalls. Festlegung eines Modellierungskonzepts und Verwendung dieses Modellierungskonzepts zur Modellierung des oben genannten Anwendungsfalls. Beschreibung von Unzulänglichkeiten, Erweiterungs- und Ergänzungsvorschlägen bzgl. der verfügbaren Modellierungstechniken aus Sicht der Anwendungsdomäne Energie. Entwicklung und Anwendung neuer bzw. erweiterter Modellierungsmethoden und -werkzeuge in Zusammenarbeit mit dem Zentralprojekt in SPES Evaluierung der entwickelten Modellierungstechniken und der erstellten Modellierungen anhand der Realisierung und Simulation ausgewählter Systemteile. 15

16 Entwicklung von ES muss definierte / vorhandene Geschäftsprozesse berücksichtigen (Beispiele) Geschäftsprozess Abschluss, Wechsel oder Beendigung des Vertrags zwischen dezentralem Erzeuger/Verbraucher (Prosumer) und virtuellem Kraftwerk (VKW) Berechnung und Vergütung von Energieverbrauch und -einspeisung Beteiligte Eingebettete Systeme und deren Aufgaben IKT-Gateway auf Prosumer-Seite: Suche nach geeignetem VKW und Übermittlung der eigenen Kenndaten VKW: Sichtbarkeit nach außen herstellen, Anlagenkenndaten auswerten und Anlage in das VKW integrieren oder aus dem VKW entfernen Smart Meter / IKT-Gateway auf Prosumer-Seite: Messung der bezogenen und eingespeisten Energie sowie Meldung der Messwerte an den Messstellenbetreiber Messstellenbetreiber: Empfang und Weiterleitung der Messwerte an den Energieversorger Energieversorger: Berechnung der Kosten/Vergütung für Bezug bzw. Einspeisung von elektrischer Energie Ziel des AWP-EN ist es, die aus den jeweiligen Geschäftsprozessen resultierenden Anforderungen an die Entwicklung von ES zu verstehen, nicht jedoch, Prozesse zu erstellen 16

17 Hohe Anzahl und massive Verteiltheit eingebetteter Komponenten erfordern spezielle Entwicklungsmethodiken (Beispiele) SPES 2020 Anwendungsprojekt Energie Beispiel 1: Zukünftige Systeme in der Energie-Domäne zeichnen sich durch eine sehr hohe Anzahl an zu steuernden und zu kontrollierenden dezentralen Klein- und Kleinsterzeugern aus Beispiel 2: System Smart Grid besteht aus vielen Einheiten: Eine Stadt mit (nur) Haushalten wird bereits intelligente Stromzähler (= ES) betreiben Die Konzeption dieser vernetzten eingebetteten Systeme erfordert speziell dafür angepasste Entwicklungsmethodiken Für den Entwicklungsprozess bedeutet dies, dass Simulation an Bedeutung gewinnt und zunehmend an die Stelle formaler Verifikation tritt, deren Komplexität und Aufwand für Systeme realer Größe kaum vertretbar erscheinen 17