Framework for the design and automatic deployment of smart grid applications

Abstract

Der Energiesektor erlebt einen umfassenden technologischen Wandel. Durch die immer größer werdende Verbreitung intelligenter Geräte sowie verteilter Energieerzeuger wird aus dem vormals hierarchisch strukturierten Stromnetz ein dynamischer Verbund aus Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln. Dies bringt nicht nur Vorteile sondern auch große Herausforderungen mit sich, die besonders bei der Entwicklung neuer Anwendungen zum Tragen kommen. Gängige Entwicklungsmethoden in diesem Bereich sind nicht für Applikationen dieser Größe und Komplexität gedacht. So existieren zwar bereits durchgängige Tools für die Entwicklung neuer Smart Grid Anwendungen, diese erlauben jedoch nur die Beschreibung einer Anwendung für ein spezifisches Smart Grid. Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Entwicklung eines durchgängigen Frameworks, welches eine vom Smart Grid unabhängige Beschreibung von Applikationen erlaubt. Dadurch wird ein Mehraufwand vermieden und einheitliche Lösungen werden gefördert. Das entwickelte Framwork basiert auf den offenen Standards IEC 61499 und IEC 61850. Während IEC 61850 eine einheitliche Systembeschreibung von Smart Grid Komponenten erlaubt, bietet IEC 61499 ein Modell zur Entwicklung verteilter Anwendungen. Die Idee des entwickelten Frameworks ist, IEC 61850 Funktionalität in Funktionsblöcken aus IEC 61499 zu kapseln, um anschließend neue Applikationen mit Hilfe dieser Funktionsblöcke beschreiben zu können. Das Framework besteht aus drei Modulen. Neben einem Modul für die Beschreibung der Anwendung mittels Funktionsblöcken ist ein weiteres Modul für die Verteilung dieser Funktionsblöcke auf vorhandene Geräte verantwortlich. Dabei ist es möglich, Bedingungen zu definieren, um abhängig davon beste Lösungen zur Verteilung zu finden. Desweiteren wird erst in diesem Schritt der Aufbau des jeweiligen Smart Grids bekanntgegeben. Im letzten Schritt werden dann, abhängig von der gewählten Lösung, automatisch die jeweiligen Konfigurationsdateien der einzelnen Geräte generiert und die entworfene Applikation in die dafür ausgewählten Geräte geladen. Anhand eines spezifischen Anwendungsfalls wurde im Anschluss die Funktionsweise des Frameworks evaluiert. Zusätzlich wurde es in eine virtuelle Testumgebung eingespielt. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf nächste Schritte, die für den produktiven Einsatz des Frameworks noch umgesetzt werden müssen.

The energy sector is undergoing a fundamental technological transformation. The increasing prevalence of intelligent devices and distributed energy resources is changing the previously hierarchical structure of the power grid into a dynamic interconnection of power generators, storage units, electrical consumers and network resources, altogether known under the umbrella term smart grid. This development not only leads to many advantages, but also to major challenges. Especially the implementation complexity of new applications rises significantly. Traditional development methods in this area are not designed for applications of this size and complexity. For example, although there are already consistent tools for the development of new smart grid applications, these are limited to the description of an application for a specific smart grid. The idea of this thesis was the development of an integrated framework, which allows a description of applications independently of a given smart grid. This eliminates unnecessary work and promotes uniform solutions. The developed framework is based on the open standards IEC 61499 and IEC 61850. While IEC 61850 allows the uniform system description of smart grid components, IEC 61499 provides a model for developing distributed applications. The idea of this framework is to encapsulate IEC 61850 functionality in function blocks from IEC 61499 to describe new applications and use them. The developed framework consists of three modules. Besides a module for describing the application using function blocks, a further module is responsible for distributing them to an existing device infrastructure. Thereby, it is possible to define constraints in order to find best solutions. Moreover, the structure of the smart grid is only specified in this module. Depending on the selected solution, the respective configuration files of the individual devices are generated automatically, which are then used for deploying the application to the field. Using a specific use-case, the functionality of the framework was evaluated. In addition, it was deployed to a virtual test environment. Consequently, the feasibility was demonstrated. The thesis concludes with an outlook on next steps that still need to be implemented for the productive use of the framework.