Energiemanagement

Aus HSHL Mechatronik
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Autoren: Benedikt Lipinski, Rick Bürger , Weiran Wang



Einleitung

Im Studiengang Business and Systems Engineering wird in einem Projekt der Veranstaltung Systems Design Engineering der gesamte Energiehaushalt eines Hauses über ein Jahr simuliert. In diesem Artikel wird das Energiemanagement beschrieben, das sich hauptsächlich mit der Steuerung und Umverteilung der elektrischen Energie im Haus beschäftigt.

Energiemanagementsysteme, insbesondere in Verbindung mit einer PV-Anlage und einem Energiespeicher, sind ein großer Gewinn für eine effizientere und letztlich kostengünstigere Nutzung elektrischer Energie auch in privaten Haushalten. Aus diesem Grund überwacht das Energiemanagementsystem (EMT) die von der PV-Anlage zur Verfügung gestellte Solarenergiegewinnung des Hauses, den von der Klimasystem angeforderten Verbrauch und die Verbraucher der HPU. Darüber hinaus steuert der EMT die Lade- und Entladezyklen des Energiespeichers der Solarenergiegewinnung und die Strombelastung der Stromquellen: PV-Anlage, Energiespeicher und Netz.

Projekt

Angewendet auf die Projektdurchführung wird das V-Modell, bei dem zu jeder Konzeptionsstufe ein prüfender Test existiert, somit bietet dieses Vorgehens Modell eine gewisse Sicherheit, für das gelingen des Projekts[1][2]. Die Einzelnen Stufen des auf das Projekt angewendeten V-Modells können aus der Abb.1[3] entnommen werden. Des Weiteren wird im weiteren verlauf dieses Kapitels auf jede einzelne der Stufen noch genauer eingegangen.

Auf das Projekt angewandte V-Modell
Abb.1: Auf das Projekt angewandte V-Modell [3]

Anforderungsanalyse

Anforderungsdiagramm für die EMT-Komponente
Abb. 2: Anforderungsdiagramm für die EMT-Komponente [4]
Anforderungen
ID Titel Beschreibung
1.0 Energie abführen "Das System muss überschüssige Energie abführen
1.1 Einspeisen Das System muss überschüssige Energie in das Stromnetz einspeisen
1.2 Intelligent eispeisen Das System kann Überschüssige Energie zurückhalten um sie zu Monetär lukrativeren Zeitpunkten in das Netz zu geben
2.0 Energie Speichern Das System muss Energie Speichern
3.0 Energie bereitstellen Das System muss Verbrauchern Energie bereitstellen
3.1 Aktuelle Verbrauchswerte Das System muss aktuelle Verbrauchswerte (Wünsche) der Verbraucher (Geräte), einbeziehen.
4.0 Energie beziehen Das System muss Energie aus dem Stromnetz beziehen
4.1 Gesicherte Stromzufur Das System muss bei bedarf Strom aus dem Stromnetz beziehen
4.2 Energiequellen Wahl Das System kann aufrund von aktuellen Strompreisen entscheiden, ob der benötigte Strom aus der PV-Anlage, dem Speicher oder aus dem externen Stromnetz bezogen werden soll
5.0 Prognosen Das System kann zu intelligenten Ernergiesteuerung einfache vorhersagen erstellen
5.1 Prognose zu erwartender Ertrag Das System kann aufgrund von Wetterdaten eine Prognose der zu erwartenden erträge erstellen und auf dieser Basis, die Speicherung und die Abgabe der Energie Planen.
5.1.1 Vorhersage Akkuladung Das System kann eine vorhersage treffen, welche Energiemenge in den Akku geladen werden soll
5.1.2 Vorhersage Einspeisung Das System kann vorhersagen welche Energiemenge in das Netz eingespeist werden kann
6.0 Schnittstellen Das System muss Steuerungsinformationen zur Energieverteilung an die Steuergeräte der PV Anlage , den Energie-Speicher und des Hausanschlusses(Externe Stromnetz) übertragen.
7.0 Nutzerinteraktion Anforderungen, die an die Interaktion eines Nutzers mit dem System gestellt werden.
7.1 Feedback nach X_Sekunden Der Nutzer soll nach maximal 400ms Feedback durch das System erhalten
8.0 Dokumentation Anforderungen, die an die Dokumentation des Projekts gestellt werden
8.1 Wiki-Seite Das Projekt muss in einer Wiki- Seite Dokumentiert werden
8.2 Kollaboration Das Projekt soll auf den Plattformen SVN & Sciebo kollaborativ zur verfügung gestellt werden.
8.3 Der letzte Meilenstein Der Letzte Meilenstein muss auf einer Wikiseite hochgeladen werden
9.0 Entwicklungs - Anforderungen an das Projekt Anforderungen, die an die Entwicklung des PRojekts gestellt werden
9.1 Sprache Das System wird in der Sprache Matlab - Simulink umgesetzt
9.2 IDE Zur Entwicklung des Systems wird die Umgebung Matlab Benutz
9.3 Softwareverwakltungssoftware Verbindliche abgaben müssen in SVN erfolgen

Systemspezifikation

Ablaufdiagramm für den Hauptdurchlauf der EMT Komponente
Abb. 4: Ablaufdiagramm für den Hauptdurchlauf der EMT Komponente [5]

Der Funktionale Systenentwurf beschäftigt sich mit der Konzeptionellen Planung der Anwendung und ihrer Funktionalen und nicht funktionalen Anforderungen [6]. Die Systemspezifikation dient als Vorstufe zur im nächsten schritt folgenden System Architektur. Das Ziel der Systemspezifikation unter Einbeziehung der Anforderungen, gibt dem Gesamten Team bereits eine Übersicht darüber, mit welchen Funktionen die Software ihren festgelegten Zweck erreichen kann. Genauer wird heraus gearbeitet mittels welcher Funktionalitäten und Entscheidungen die Software die festgeschriebenen Anforderungen umsetzen kann. Als konkretes Ergebnis der Systemspezifikation wurde für das Energiemanagement, auf konzeptioneller ebene ein Ablaufplan entwickelt, der die funktionsweise des Systems auf seiner obersten Ebene beschreiben kann. Weiter können bei erfolgreichem Entwurf stellen herausgearbeitet werden, an denen Submodule im weiteren verlauf Vorteile für Übersichtlichkeit, Entwicklung[7] und Wartbarkeit[8] bringen. Aus dem erzeugten Ablaufplan konnte somit entnommen werden, dass gerade die Funktion "Versorgen der Verbraucher mit Energie" mehrfach und gleich, nur mit einer anderen Art der Energie vorkommt. Diese Funktion eignet sich somit besonders in ein Sub Modul ausgelagert zu werden.

Technischer Systementwurf

Im technischen Systementwurf soll der im Vorhinein erstellte funktionale Systementwurf praktisch umgesetzt werden.

Für die Umsetzung wurden die Ereignisse Energieüberschuss und Energiebedarf, in Bezug auf die Situationen der PV- Anlage und des Speichers hin verknüpft. In der folgenden Abbildung ist das entsprechende Modell in Mathlab/Simulink zu erkennen.

Abb. 6: Funktionaler Systementwurf Energiemanagement Haus [9]


Komponentenspezifikation

Komponentendiagramm Inklusive aller Unterkomponenten
Abb.: Komponentendiagramm inkl. Unterkomponenten

In der Komponentenspezifikation wird jede einzelne Komponente genau definiert. Im speziellen bedeutet das, dass die jeweiligen Ein- und Ausgänge definiert werden, sowie genau festgelegt wird, welche Aufgabe die Komponente im speziellen erfüllt. Anschließend wird erläutert, wie die Komponente realisiert, beziehungsweise programmiert werden soll.

Bei den Komponenten für das Energiemanagement handelt es sich um:

  • Laden und Endladen des Akkus
  • Einspeisen/Beziehen Energie aus dem Netz
  • Versorgen der Verbraucher mit Energie
  • Vorhersage


Laden und Endladen des Akkus

In diesem Submodul wird die Leistung ermittelt, mit der der Akku geladen oder entladen wird. Zudem wird in diesem Submodul eine Sicherheitsabfrage hinterlegt, um den Akku vor einer Tiefenendladung (< 0%) oder einer Überladung (> 100%) zu schützen. Es wird zwischen Lade- und Entladeleistung unterschieden. Der aktuelle Ladestand des Akkus wird von der Gruppe SOL in der Einheit Prozent [%] bezogen.Liegt der Bedarf unterhalb des aktuellen Ertrags, wird die Energie im Energiespeicher gespeichert. Die Verteilung der Lade- oder Entladeleistung des Akkus wird über eine interne Variable realisiert, diese ist positiv, wenn ein Energieüberschuss besteht, und negativ, falls mehr Energie verbraucht wird als zur Verfügung steht. Schlussendlich wird die durch die Verbraucher resultierende Endladeleistung des Akkus an die Gruppe SOL übermittelt.

Einspeisen/Beziehen Energie aus dem Netz

Dieses Submodul lässt sich mit einem Stromzähler vergleichen. Der "Stromzähler" kann bei einem Stromverbrauch vorwärts laufen. Sollte das System mehr Strom produzieren, als verbraucht wird, dann ist der "Stromzähler" in der Lage, rückwärts zu laufen. Zudem werden in diesem Submodul auch die Einspeisevergütung gegen die Stromkosten aufgewogen und somit die Kosten für die Energie berechnet. Der aktuelle Strompreis wird von der Gruppe HPU als Preis pro kWs zur Verfügung gestellt. Die Einspeisevergütung, gilt der Einfachheit halber auch als Kosten, bei bezogener Energie. Über die kwh- Werte der Energie, welche aus dem Netz entnommen beziehungsweise eingespeßt wird, lässt durch Multiplikation mit dem Strompreis ein Kosten- oder Ertragswert ermitteln.

Versorgen der Verbraucher mit Energie

Diese Komponente regelt die Versorgung der Verbraucher. Dabei werden folgende Eingänge benötigt:

  • SOL_PV_Leistung
  • SIG_SOL_LadestandAkku
  • SIG_HPU_Gesamtverbrauch
  • SIG_KLS_benötigteleistung

Die Verbrauchswerte der Gruppen HPU und KLS werden zunächst addiert und die Leistung der PV- Anlage abgezogen. Somit ergiebt sich die Leistung, welche noch aus dem Akku benötigt wird. Die Ausgänge der Komponente sind da bei enstandene Endladeleistung (SIG_EMT_Endladeleistung), sowie das Signal SIG_EMT_EnergieanVerbraucher.

Vorhersage

Über diese Komponente kann intelligent die Handhabung der überschüssigen Leistung gesteuert werden, die Grundentscheidung besteht darin, ob die Energie in Akku gespeichert oder ins Netz eingespeist werden soll. Ebenfalls sind Wettervorhersagen, und somit auch Vorhersagen für den Energieertrag, von bis zu einem Tag möglich. Die Zeitvorgaben für einen einheitlichen Takt, werden dabei von der Gruppe HPU bereitgestellt. Dadurch lässt sich schlussendlich ein Ausgabewert („Ja“ oder „Nein“) als Trigger-Bedingung für die Einspeisung in das externe Stromnetz ermitteln. Dieser ist in der Ausgabe: INT_EMT_Ladung_oder_Einspeisen gepflegt.

Entwicklung

Durch den Einsatz der Software Matlab/Simulink, einer Anwendung zur Modell-Based Softwareentwicklung[10], verschwimmen die Grenzen zwischen dem Modellentwurf und der anschließenden Programmier-/Entwicklungsarbeit. Mit Matlab/Simulink kann an dieser Stelle mit der Digitalisierung des zuvor noch auf "Papier" erstellten funktionalen Systementwurfs und des bereits in Matlab/Simulink modellierten technischen Systementwurf ein Großteil der Entwicklungsarbeit erledigt werden. Die Stellen, an denen dann noch Quellcode vom Entwickler selbst generiert werden muss, sind genau die Stellen, an denen Berechnungen durchgeführt werden müssen. Dies kann einerseits bei einfachen Berechnungen auf Basis der in Simulink zur Verfügung stehenden Bausteine geschehen oder andererseits bei komplexeren Aufgaben über eine eingebettete Funktion in Matlab.

Tests

Die Vorteile des V-Modells zeigen sich vor allem durch seine hohe Toleranz gegenüber Fehlern in der Entwicklungsphase. Erreicht wird die durch die hohe dichte an Test, die gegen die Modeliuerten und Entwickelten Funktionen des Systems geprüft werden[1]. Im Rahmen des Hausprojektes wurde die Überprüfung der einzelnen Komponenten nicht für sich selbst, sondern für eine andere der vier Gruppen durchgeführt. Die Gruppe um EMT wurde mit der Überprüfung der Komponenten der Solarenergiegewinnung beauftragt. Die durchgeführten Tests wurden der Gruppe in Form eines Testberichts über die Versionsverwaltungssoftware vorgelegt. SVN zur verfügung gestellt.

Ergebnis

Literaturverzeichnis

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  1. ↑ 1,0 1,1 ASANA, [kein Datum]. Das V-Modell: Definition, Vorteile und Anwendung! [2024] • Asana. Asana [online]. [Zugriff am: 30 Juli 2024]. Verfügbar unter: https://asana.com/de/resources/v-model
  2. ↑ V-Modell XT, [kein Datum]. Der Beauftragte der Bundesregierung für Informationstechnik [online]. [Zugriff am: 30 Juli 2024]. Verfügbar unter: https://www.cio.bund.de/Webs/CIO/DE/digitaler-wandel/Achitekturen_und_Standards/V_modell_xt/v_modell_xt-artikel.html;jsessionid=1C892361990A1A54F7AACD59B87550C2.live871?nn=18713562
  3. ↑ 3,0 3,1 Datei:Systems Design Engineering - Seminaraufgabe mit V-Vordergrund.jpg – HSHL Mechatronik, [kein Datum]. [online]. [Zugriff am: 30 Juli 2024]. Verfügbar unter: https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Datei:Systems_Design_Engineering_-_Seminaraufgabe_mit_V-Vordergrund.jpg
  4. ↑ Eigene Darstellung
  5. ↑ Eigene Darstellung
  6. ↑ Systemspezifikation, 2013. [online]. [Zugriff am: 29 Juli 2024]. Verfügbar unter: http://gsb.download.bva.bund.de/BIT/V-Modell_XT_Bund/V-Modell%20XT%20Bund%20HTML/be9ff771c91b7f.html
  7. ↑ Rheinwerk Computing :: Objektorientierte Programmierung – 4.2 Klassen: Objekte haben Gemeinsamkeiten, [kein Datum]. [online]. [Zugriff am: 29 Juli 2024]. Verfügbar unter: https://openbook.rheinwerk-verlag.de/oop/oop_kapitel_04_002.htm
  8. ↑ ISO, [kein Datum]. ISO/IEC 25010:2011. ISO [online]. [Zugriff am: 29 Juli 2024]. Verfügbar unter: https://www.iso.org/standard/35733.html
  9. ↑ Eigene Darstellung
  10. ↑ Simulink – Simulation und Model-Based Design, [kein Datum]. [online]. [Zugriff am: 30 Juli 2024]. Verfügbar unter: https://de.mathworks.com/products/simulink.html
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