Energiemanagement

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 dem Klimasystem angeforderten Verbrauch und die Verbraucher der HPU. Darüber hinaus steuert das EMT die Lade- und Entladezyklen des Energiespeichers der Solarenergiegewinnung und die Strombelastung der Stromquellen: PV-Anlage, Energiespeicher und Netz.

Projekt

Für die Projektdurchführung wird das V-Modell angewendet, bei dem es für jeden Konzeptabschnitt einen prüfenden Test gibt, so dass dieses Vorgehensmodell eine gewisse Sicherheit für den Projekterfolg bietet.. Die einzelnen Stufen des V-Modells können der Abb.1 entnommen werden. Im weiteren Verlauf dieses Kapitels wird auf die einzelnen Stufen näher eingegangen.

Abb.1: Auf das Projekt angewandte V-Modell

Anforderungsanalyse

Abb. 2: Anforderungsdiagramm für die EMT-Komponente

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 , des Energie-Speichers 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 Wiki-Seite 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 benutzt
9.3	Softwareverwakltungssoftware	Verbindliche Abgaben müssen in SVN erfolgen

Systemspezifikation

Abb. 4: Ablaufdiagramm für den Hauptdurchlauf der EMT Komponente

Der funktionale Systenentwurf beschäftigt sich mit der konzeptionellen Planung der Anwendung und ihrer funktionalen und nicht funktionalen Anforderungen . Die Systemspezifikation dient als Vorstufe zur im nächsten Schritt folgenden Systemarchitektur. 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 herausgearbeitet, 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 und Wartbarkeit 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, um in ein Submodul ausgelagert zu werden.

Technischer Systementwurf

Der technischen Systementwurf erweitert den funktionalen Systementwurf um eine problemangepasste technische Realisierung. Erst in diesem Entwicklungsstadium befasst sich das Team mit der tatsächlichen Implementierung des Systems und definiert Protokolle und Schnittstellen.
Für die EMT-Komponente bedeutete dies vor allem, auf die Art und Weise zu reagieren, wie z.B. die Hardwarekomponenten der anderen Gruppen konzipiert wurden. Der Grund dafür ist, dass die EMT-Komponente selbst als eine Art intelligentes Interface betrachtet werden kann. Für die Implementierung wurden die Ereignisse Energieüberschuss und Energiebedarf mit den Situationen der PV-Anlage und des Speichers verknüpft. Die folgende Abbildung zeigt das entsprechende Modell in Mathlab/Simulink.

Abb. 5: Funktionaler Systementwurf Energiemanagement Haus

Komponentenspezifikation

Abb. 6: 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 ex­pli­zit erfüllt. Anschließend wird erläutert, wie die Komponente realisiert, beziehungsweise programmiert werden soll.

Bei den Komponenten für das Energiemanagement handelt es sich um:

• Laden und Entladen des Akkus
• Einspeisen/Beziehen Energie aus dem Netz
• Versorgen der Verbraucher mit Energie
• Vorhersage zukünftiger Energieein- und ausgänge

Laden und Entladen 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 schlussendlichen Kosten für die Energie berechnet. Der aktuelle Strompreis wird von der Gruppe HPU als Preis pro kWs zur Verfügung gestellt. Die Einspeisevergütung, wird der Einfachheit halber auch als Kostenpunkt, lediglich mit geänderten Vorzeichen behandelt. 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. Es gilt somit:

$Gesamtkosten_{Stromverbrauch} = (Bezogen_{Gesamt}\;[kWs]- Abgeführt_{Gesamt}\;[kWs])\cdot Preis\:pro\:kWs$

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 zukünftiger Energieein- und ausgänge

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, verschwimmen die Grenzen zwischen dem Modellentwurf und der anschließenden Programmier- und 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 im Fall von einfachen Berechnungen auf Basis der in Simulink zur Verfügung stehenden Bausteine geschehen oder bei komplexeren Aufgaben über eine eingebettete Funktion in Matlab realisiert werden.

Tests

Die Vorteile des V-Modells zeigen sich vor allem durch seine hohe Toleranz gegenüber Fehlern in der Entwicklungsphase. Erreicht wird diese durch die hohe Dichte an Tests, die gegen die modelierten und entwickelten Funktionen des Systems geprüft werden. Im Rahmen des Hausprojektes wurde die Überprüfung der einzelnen Komponenten nicht für sich selbst, sondern jeweils 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 SVN zur Verfügung gestellt.

Ergebnis

In folgenden Video wird das Modul Energiemangement einamal ausgeführt:

Video 1: Das laufende Modul Energiemangement in Simulink

Um das Ergebnis besser nachzuvollziehen werden die einzelnen Fälle im folgenden an den Beispiel einer Simulation über einen Monat hinweg kurz erläutert.

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  Abb. 7: Ausgabeplot des Moduls Solarenergiegewinnung

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  Abb. 8: Belastung PV-Anlage, Akku und Netz

In der Abbildung 7 ist zu erkennen, dass die PV-Anlage in der ersten Hälfte des Monats genug Energie umwandelt, um den Akku stetig wieder aufzuladen. Erst ab der zweiten Monatshälte kann dies nicht mehr gewährleistet werden und der Akkustand sinkt stetig. In den beiden unteren Diagrammen, sei der Verlauf der PV-Leistung über den Monat hinweg einsehbar.

In der Abbildung 8 ist die jeweilige Belastung der PV-Anlage, des Akkus, sowie des externen Netz zu erkennen. Es wird deutlich, dass die PV-Analge, und somit auch der Akku, einer zyklisch wiederkehrenden Belastung unterliegt. Zudem wird für den entsprechenden Monat keine Energie aus dem externen Netz entnommen.

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  Abb. 9: Einspeise- und Ladeleistung in Netz/Akku

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  Abb. 10: Verhältnis von Stromkosten und Energiemenge

In der Abbildung 9 sind die Einspeiseleistung in das externe Netz, sowie die Ladeleistung des Akkus erkennbar. Es zeigt sich, dass die Ladeleistung des Akkus, wenn auch nicht in gleicher Intensität, zyklisch über den ganzen Monat möglich ist. Aufgrund der geringeren PV-Leistung in der zweiten Hälfte des Monats steht für die Einspesung in das externe Netz keine Energie merh zur Verfügung.
Abbildung 10 zeigt die zeitlichen Verläufe der Strommenge, und der Stromkosten. Diese verlaufen symetrisch zueinander. In Anbetracht der Tasache, dass die Strommenge, mit den Stromkosten lediglich über den Faktor des Strompreises miterinander in Beziehung steht, ergibt dieser Zusammenhang Sinn und ist ein Beleg für eine zumindest teilweise korrekte Programmierung.

Zusammenfassung

Eine strukturierte Vorgehensweise ist bei der Bearbeitung eines Projekts von entscheidender Bedeutung. Im Verlauf und besonders am Ende dieser semesterbegleitenden Arbeit hat sich gezeigt, dass sich die Anwendung des V- Modells zur Realisierung von Entwicklungsprojekten besonders gut eignet. Die Gründe dafür sind neben der struktuellen Vorgehensweise vor allem die Testschritte, in denen alle vorherigen Entwicklungsschritte suk­zes­siv auf ihre Korrektheit hin überprüft wurden. Obwohl insgesamt fünf Gruppen gleichzeitig involviert waren, konnte ein funktionsfähiges Haus als Endergebnis erfolgreich realisiert werden.

Datein und Anhang

Alle, durch die Gruppe Energiemanagement, erstellten Dokumente sind über das Datenverwaltungsprogramm SVN unter folgenden Link einsehbar
Energiemanagement

Literaturverzeichnis

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