National 5G energy hub: Einführung zukunftsträchtiger Kommunikationsstandards in der Energietechnik : Abschlussbericht
Die fünfte Generation des Mobilfunks (5G) ermöglicht es, 500 Milliarden Dinge des Internets in Echtzeit miteinander zu verbinden. Während frühere Generationen (2G, 3G und 4G) hauptsächlich die Kommunikation für und mit Menschen ermöglicht haben, geht es nun um die Symbiose von Regelungstechnik und K...
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| Summary: | Die fünfte Generation des Mobilfunks (5G) ermöglicht es, 500 Milliarden Dinge des Internets in Echtzeit miteinander zu verbinden. Während frühere Generationen (2G, 3G und 4G) hauptsächlich die Kommunikation für und mit Menschen ermöglicht haben, geht es nun um die Symbiose von Regelungstechnik und Kommunikationstechnik. Für die Energietechnik hat die Einführung des 5G-Standards eine enorme Bedeutung, da derzeit die Kommunikation in der Energietechnik meist mit sehr starren Übertragungs- und Kommunikationsroutinen abläuft. Häufig werden proprietäre und geschlossene Übertragungssysteme eingesetzt. Dies war in der Vergangenheit auch nicht hinderlich, da das Energieversorgungssystem zentralistisch organisiert war.Mit dem Projekt National 5G Energy Hub (N5GEH) wird der 5G-Mobilfunkstandard für Anwendungen in der Energietechnik nutzbar gemacht. Hierzu wurde ein Toolboxsystem entwickelt, welches die Kommunikation von energetischen Anwendungen hin zu einem übergeordneten Back-End ermöglicht. Mit dieser zentralen Einheit, die unabhängig von Feldbusprotokollen und firmenspezifischen Lösungen ist, wird ein allgemeiner Kommunikationszugang für alle energetischen Anwendungen ermöglicht |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 2 Einleitung 1 Use Cases und Anforderungen an die Kommunikation sowie Softwarearchitektur 3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3 Use Case 1 - „Regionales virtuelles Kraftwerk“ ....................................................... 2.1.1 Motivation ........................................................................................................ 2.1.2 Beschreibung in der N5GEH-Architektur .................................................... Use Case 2 - „Netzschutz in der Nieder- und Mittelspannungsebene“.................. 2.2.1 Motivation ........................................................................................................ 2.2.2 Beschreibung in der N5GEH-Architektur .................................................... Anforderungen an Kommunikation und Softwarearchitektur.................................. Anforderungen Use Case KVK.......................................... 2.4.1 Allgemeine Anforderungen............................................................................... 2.4.2 Kommunikationsinfrastruktur..................... ,.................................................. Anforderungen Use Case Netzschutz......................................................................... 2.5.1 Allgemeine Anforderungen............................................................................... 2.5.2 Kommunikationsinfrastruktur......................................................................... 3 3 4 7 7 9 11 14 14 14 16 16 18 Cloudgestützte Softwareplattform für die Energietechnik 19 3.1 19 21 22
22 28 29 30 30 31 33 33 34 35 37 37 37 37 40 42 3.2 3.3 3.4 3.5 4 IV Cloud-Struktur für die Datenerfassung und -Verarbeitung..................................... 3.1.1 Container-Orchestrierung und Clusterverwaltung........................................ Basisapplikationen........................................................................................................ 3.2.1 Zeitreihen-Datenbanken - Beurteilung der Leistungsfähigkeit .................. 3.2.2 Monitoring-Tool für eine FIWARE-Plattform.............................................. 3.2.3 Keycloak - Identity Access Management....................................................... Applikation RVK........................................................................................................... 3.3.1 Softwarearchitektur ......................................................................................... 3.3.2 Datenaustausch.................................................................................................. Applikation Netzschutz ............................................................................................... 3.4.1 Softwarearchitektur ......................................................................................... 3.4.2 Datenaustausch.................................................................................................. 3.4.3 Eigenständige Softwareplattform mit Anlehnung an FIWARE.................. 3.4.4 Simulation der Netzsensorwerte...................................................................... Semantische Erstellung und Verwaltung von
Entitäten........................................... 3.5.1 SARGON-SmArt eneRGy dOmain oNtology .............................................. 3.5.2 ENTIRETY........................................................................................................ 3.5.3 Illustrative Beispiele......................................................................................... 3.5.4 Datenmodell - am Beispiel des Use Case RVK.............................................. Drahtlose Datenerfassung und -Übertragung 43 4.1 43 44 47 49 50 52 55 4.2 Drahtlose Sensoren und Aktoren in der Elektroenergieversorgung........................ 4.1.1 Anforderungen an die Sensorsysteme der Elektroenergieversorgung .... 4.1.2 Konzept eines Überstromschutzgerätes.......................................................... 4.1.3 Anforderungen an Aktoren der Elektroenergieversorgung........................... Funkbasierte Datenübertragung in Gebäuden.......................................................... 4.2.1 LoRaWAN ........................................................................................................ 4.2.2 LTE CAT-Ml............................’...................................................................... I
Inhaltsverzeichnis 4.3 4.4 5 6 8 55 56 57 58 59 60 60 Datenschutz und Datensicherheit 64 5.1 5.2 65 67 69 Bedrohungsanalyse und Angreiferdetektion .............................................................. Absicherung der Clouddienste...................................................................................... 5.2.1 Authentifizierung und Autorisierung von MQTT-Clients............................ Erprobung und Demonstration der Plattform 72 6.1 6.2 6.3 72 73 74 74 75 76 76 78 80 80 6.4 7 4.2.3 NB-IoT [1] ........................................................................................................ 4.2.4 IEEE 802.15.4 / ZigBee................................................................................... 4.2.5 Überlegungen zur Abdeckung.......................................................................... MQTT Protokoll........................................................................................................... Übersicht über die IEC 60870-5 Protokolle................................................................. 4.4.1 Übersicht über das IEC 60870 Netzwerk....................................................... 4.4.2 Integration der IEC 60870 mit der N5GEH-Plattform............................... Simulator des RVK-Gateways...................................................................................... Demonstratordesign..................................................................................................... Use Case 1 - „Regionales virtuelles Kraftwerk (RVK)“........................................... 6.3.1
Konzept.............................................................................................................. 6.3.2 Hardware........................................................................................................... Use Case 2 - „Netzschutz in der Nieder- und Mittelspannungsebene“................... 6.4.1 Umsetzung des Test-Setups............................................................................. 6.4.2 Übersicht und Szenarien................................................................................... 6.4.3 Hardware........................................................................................................... 6.4.4 Deployment........................................................................................................ Dokumentation und Softwaremanagement 83 7.1 7.2 83 84 Homepage und Wiki-System......................................................................................... Softwaremanagement..................................................................................................... Zusammenfassung / Fazit 86 Literatur 88 A Selbstverständnis 91 A.l Glossar ........................................................................................................................... A.2 Open Source Lizenzmodell............................................................................................ 91 93 В Datenbanken 95 C Veröffentlichungen 97 D Dokumentation RVK-Services D.l RVPP simulator
............................................................................................................ D.1.1 Overview of the RVPP simulator.................................................................... D. 1.2 Producers: CHP unit......................................................................................... D.1.3 Producers: Gas boiler...................................................................................... D.1.4 Consumers: Heating system............................................................................. D.1.5 Consumers: DHW coil in storage tank........................................................... D.l.6 Schedule execution............................................................................................ D.2 Energy Services............................................................................... D.2.1 Overview of the energy services....................................................................... II 99 101 101 113 116 118 120 124 128 128
Inhaltsverzeichnis D.2.2 D.2.3 D.2.4 D.2.5 D.2.6 Weather prediction........................................................................................... Thermal demand prediction............................................................................ Electric demand prediction............................................................................ Energy vector.................................................................................................... Schedule creation.............................................................................................. E Ergänzungen zum Demonstrator 129 129 131 131 141 143 III
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