Interface between smart buildings and smart grids

Abstract

Die Energiewende weg von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren und intermittierenden Energiequellen wie Windkraftanlagen und Sonnenkollektoren stellt neue Anforderungen an die Stromnetze. Abgesehen von der zentral erzeugten Energie in Kraftwerken muss auch jene, welche zum Beispiel durch Sonnenkollektoren beim Kunden erzeugt wird, berücksichtigt werden. Die größte Herausforderung dabei besteht darin, dass das Ausmaß an produzierter Energie mit dem Wetter, der Tageszeit und der Jahreszeit variiert. Darüber hinaus wird erwartet, dass der aktuelle Trend, Elektrizität an Stelle von weniger effizienten Energiequellen (z.B. Öl, Benzin) in Sektoren wie der Mobilität einzusetzen, zu einer weiteren Erhöhung des Strombedarfs führt. Zukünftige Stromnetze, welche diese Entwicklungen berücksichtigen, werden allgemein als Smart Grids bezeichnet. Der entscheidende Unterschied zur derzeitigen Infrastruktur besteht dabei in der intensiven Nutzungen von Computernetzwerken zur Kommunikation zwischen Dienstleistern, Versorgungsunternehmen und Kunden. Dadurch besteht für alle Teilnehmer die Möglichkeit zur Stabilität des Netzes beizutragen, Geld zu sparen und die Energie dann zu verwenden, wenn sie vorhanden ist. Ein wesentlicher Teil des Smart Grids wird durch die Schnittstelle zu Smart Buildings und damit den Kunden gebildet. Zurzeit gibt es keinen internationalen Standard, der Regeln für diese Art von Kommunikation festlegt. In der vorliegenden Arbeit werden geeignete Netzwerkprotokolle und Datenmodelle identifiziert und anschließend auf ihre Eignung zur Erfüllung der Anforderungen an eine solche Schnittstelle geprüft. Diese Anforderungen werden zu Beginn der Arbeit definiert. Mögliche Kandidaten sind in diesem Zusammenhang die OASIS Standards Energy Market Information Exchange (EMIX), Energy Interoperation (EI) und Open Automated Demand Response (OpenADR) sowie das IEC Common Information Model (CIM). Zusätzlich zu den allgemeinen Anforderungen an die Schnittstelle werden spezifische Anwendungsfälle für die Kommunikation zwischen Smart Buildings und Smart Grids identifiziert und im Detail ausgearbeitet (z.B. Verteilung von Preisinformation). Diese Aufgabe inkludiert auch die Beschreibung der Kommunikationspartner und -systeme. Darauf aufbauend wird analysiert, welche Information in den ausgetauschten Nachrichten der Anwendungsfälle enthalten sein muss. Für jede dieser Nachrichten wird bestimmt, welche zuvor identifizierten Standards dazu in der Lage sind, die Struktur und den Inhalt des Signals zu definieren. Die identifizierten Möglichkeiten werden miteinander verglichen und die geeignetste Option wird ausgewählt. Abschließend wird eine auf EI basierende Proof of Concept Implementierung zur Demonstration der Anwendungsfälle präsentiert. Der Demonstrationsaufbau besteht aus mehreren Raspberry PIs, welche entweder einen Kunden oder einen Dienstleister im Netz repräsentieren. Das Verhalten dieser Teilnehmer wird durch prototypische Java Applikationen simuliert. Zum Austausch der Nachrichten wird das Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP) verwendet. Daher wird auch eine entsprechende XMPP-Infrastruktur bestehend aus XMPP Servern und zusätzlichen Diensten wie DNS, NTP oder DCHP hergestellt.

Due to the change from fossil fuels to renewable and intermittent energy sources such as wind turbines and solar panels, power grids have to fulfill vastly new demands. Apart from centralized power plants, also electricity that is generated by customers, for example, with their own solar panels has to be considered. The main issue with this evolution is that the extent of energy production varies with weather, time of day, and season. Additionally, it is expected that the shift from less energy efficient sources (e.g. oil, gas) to electricity in sectors like transport will further increase the demand. The future power grid that takes all these developments into account is called smart grid. The decisive difference to the current infrastructure is the intense use of computer networks for communication between service providers, utilities, and customers. This enables all parties to keep the grid stable, save money, and use energy when it is available. An important part of the smart grid is formed by the interface to smart buildings, i.e. to the customers. Currently, there exists no international standard that specifies rules for this kind of communication. In this thesis, appropriate network protocols and data models are investigated for their ability to fulfill the requirements of such an interface, which are identified in the beginning of the thesis. Afterwards, the OASIS standards Energy Market Information Exchange (EMIX), Energy Interoperation (EI), and Open Automated Demand Response (OpenADR) as well as the IEC Common Information Model are introduced as potential candidates. In addition to the common interface properties, specific use cases for the communication between smart buildings and smart grids are identified and defined in detail (e.g. propagation of pricing information). This task also includes the description of communication partners and systems. Based on the detailed use case specifications, the information which has to be included in the exchanged messages is analyzed. For each of these messages, standards that are able to define the structure of the signal are determined. Subsequently, the identified possibilities are compared to each other to allow the selection of the best option. Finally, a proof of concept implementation for the smart grid interface and a corresponding infrastructure, which uses EI, is presented. A model of a smart grid is developed in order to demonstrate applicability of the selected protocol for the specified use cases. The demonstration environment consists of several Raspberry Pis representing customers, or service providers in the grid. The behavior of all these participants is simulated by distinct Java applications. The realization uses the Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP) to exchange messages. Therefore, also an XMPP infrastructure consisting of XMPP servers and additional services like DNS, NTP, or DHCP is defined.