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Interoperables Cloud Networking für intelligente Energieversorgung

Bild 1. Moderne intelligente Energienetze sollen Kunden zuverlässig und schnell mit Strom aus verschiedenen Energiequellen versorgen

Bild 2. Um Preis- und Event-Informationen zwischen Systemen im Smart Grid zu übertragen, sind Informationsmodelle und eine Datenformat erforderlich, deren Standards gerade erarbeitet werden

Bild 3. Eine Cloud Networking-Plattform wie der Microsoft .NET Services Bus stellt eine Kommunikations- und Distributionsstruktur von dynamischen Preisen zur Verfügung und schafft damit eine Voraussetzung für Smart Grids

Eine intelligente Stromversorgung, das sogenannte Smart Grid, soll es ermöglichen den Verbrauch durch marktbasierte Preise und Signale zur Lastreduzierung zu steuern. Voraussetzung hierfür ist, dass Preise und Energieinformationen sicher und praktisch in Echtzeit an Automationssysteme in Wohnhäusern, Gebäuden und Industrien jeder Art verteilt werden, und zwar über einen weiten geografischen Bereich und über die unterschiedlichsten existierenden Netzwerkinfrastrukturen hinweg. Eine Kommunikation in dieser Größenordnung erfordert Rechen- und Netzwerkressourcen, wie man sie normalerweise mit den Rechenzentren von Großunternehmen in Verbindung bringen würde. Die Cloud-Computing-Technologie verfügt über die Funktionalität, um die notwendige Sicherheit, Interoperabilität und Leistungsfähigkeit für groß angelegte Smart Grid-Anwendungen zu bieten, zu niedrigeren Kosten als traditionelle Rechenzentren.

Das Smart Grid soll die Stromversorgungsinfrastruktur auf den Stand der Technik bringen, um existierende und neue Kunden, wie Eigentümer von Elektroautos, zuverlässig und sicher mit Strom aus den unterschiedlichsten Energiequellen versorgen zu können (Bild 1). Neben einer Reservekapazität soll es eine dezentrale Energieerzeugung und eine Energiespeicherung ermöglichen. Zudem werden leistungsfähige Prognosen und eine Verbrauchsanpassung durch eine dynamische Preisgebung sowie durch Demand Response-Lastreduzierungssignale basierend auf Markt- und Netzbedingungen erwartet.

Trennung der Aufgaben
Ein mehrschichtiger Kommunikations-Stack ermöglicht eine Trennung der einzelnen auszuführenden Funktionen. Damit lässt sich das „was“, das übertragen wird, davon trennen, „wie“ es übertragen wird. Dies bietet Spielraum für neue, innovative Möglichkeiten der Informa¬tionsübertragung und schützt zugleich die übertragenen Inhalte. Der GWAC Stack unterscheidet klar und deutlich zwischen diesen Schichten. Durch die Angleichung von Informationen auf den Semantik- und Syntax-Schichten (GWAC Stack Level 3-4) lässt sich ein hoher Grad von Systeminteroperabilität erzielen und ermöglicht zugleich Innovation auf den technischen Anbindungsschichten (GWAC Stack Level 1-2).

Moderne Kommunikationstechnologie kann dazu eingesetzt werden, standardisierte semantische Informationsmodelle in standardisierten syntaktischen Formaten zu transportieren. So lässt sich Interoperabilität erreichen, während gleichzeitig neue, aufkommende Kommunikationstechnologie unterstützt wird. Natürlich könnte man sagen, dass dies echte „Plug-and-play“-Interoperabilität verhindert. Es reduziert jedoch die Distanz zur Integration und ermöglicht eine kostengünstige Systemintegration auf der Ebene der technischen Kommunikationsübertragung.
Die NIST Interoperability Framework Priority Action Plans sind eine Reaktion auf die Notwendigkeit, ein standardisiertes Modell für dynamische Preisinformationen mit standardisierter Datenverschlüsselung zu entwickeln. Dies wird dann das Informationsmodell und Datenformat sein, um Preis- und Event-Informationen zwischen Systemen im Smart Grid zu übertragen (Bild 2). Diese Standards werden momentan entwickelt.

Advanced Metering Infrastructure
Einige der neueren Smart Meter sind dazu in der Lage, in begrenztem Maße Preisinformationen und Demand Response-Signale an Privatkunden zu verteilen. Diese Zähler werden bereits von einigen Versorgern implementiert. Viele existierende Smart Meter wurden dagegen nur für Zwecke wie Remote-Abschaltung und -Zählerablesung installiert und sind nicht für fortgeschrittenere Funktionalitäten, wie Preisinformationen und Demand Response-Signale, ausgelegt. Außerdem ist die Bandbreite von AMI-Kommunikationskanälen oft begrenzt und Support, Upgrades sowie Wartung dieser Zähler können recht teuer sein.

Mechanismen und Protokolle für die Unternehmensintegration
Innerhalb von Unternehmen ist der Gebrauch von „Service Bus“-Middleware (Enterprise Service Bus oder ESB) zur Integration von Anwendungsdiensten mithilfe von serviceorientierten Architekturen weitverbreitet. Diesen Ansatz verfolgen viele Versorger, die Upgrades ihrer IT-Infrastruktur durchführen, um so neuere Smart Grid-Funktionalität integrieren zu können. Service Busse sind hier der Messaging-„Klebstoff“, der es einem Service ermöglicht, über ein Verzeichnis oder eine Registry-Struktur andere Services zu finden und effizient zu benutzen. Leistung und Sicherheit haben hierbei höchste Priorität. ESB bieten sowohl „Pull“- als auch „Push“-Datentransfer mit niedriger Latenz sowie integrierter Zugangssicherheit mit Authentifizierung, Autorisierung, Datenschutz, Integrität und Non-Repudiation anhand von Public- und Private-Key-Technologie. „Publish/Subscribe“-Benachrichtigungen verwenden „Push“-Technologie für Leistung und Skalierbarkeit.
Enterprise Service Busse bieten die notwendige „Push“-Kommunikation und Leistungsfähigkeit, allerdings nur innerhalb eines privaten Netzwerks, das Systeme innerhalb der geschützten Grenzen eines Unternehmens miteinander verbindet. Das Internet bietet zwar den benötigten breiten, weltweiten Kommunikationszugriff, jedoch nicht die standardmäßige „Push“-Benachrichtigung. Beide verwenden ähnliche Sicherheitstechnologie. Keine dieser Lösungen erfüllt jedoch die Anforderung, hochleistungsfähige Benachrichtigungen auf weltweiter Basis bereitzustellen.

Mögliche Technologielösung
Die Anforderungen hinsichtlich Kommunikation und Distribution von dynamischen Preisen sind erfüllbar, indem die offene Zugänglichkeit von Internetkommunikation mit der Leistungsfähigkeit und der niedrigen Latenz eines Enterprise Service Busses auf der Basis einer Messaging-Relay-Architektur kombiniert wird. Dies ist im Grunde ein Enterprise Service Bus im Internet – ein ESB, der problemlosen, allgemeinen und sicheren Zugriff bietet und der nach Gebrauch bezahlt und nach Bedarf erweitert werden kann. Die übertragenen Informationen sollten das standardmäßige Atom Syndication-Format verwenden, da dieses einen idealen Metadaten-Container für das Hosting der dynamischen Preis- und Demand Response-Informationen nach NIST-Standard bietet.

Die Microsoft .NET Services Bus Cloud Networking-Plattform ist eine Implementierung dieser Architektur (Bild 3). Der WCF „Event Relay“ Channel bietet Peer-to-Peer-Publish/Subscribe-Konnektivität über eine Verzeichnisstruktur basierend auf URL (Uniform Resource Locators). In Kombination mit dem Access Control Service (ACS) von Microsoft liefert diese Technologie eine skalierbare Infrastruktur, welche die sichere Zusendung von dynamischen Preisinformationen technisch unterstützen kann, einschließlich 5-minütigem RTP (Real Time Pricing) von den Großhandelsmärkten zum Endabnehmer und Demand Response Event-Benachrichtigungen mit niedriger Latenz. Machbarkeitsstudien mit Prototypen zeigen, dass sich mit Publish/Subscribe Push-Messaging eine durchschnittliche Nachrichtenübertragungslatenz von unter 3 s erreichen lässt.

Interoperabilität
Die Internet Service Bus-Technologie wird von den meisten Softwareanbietern als proprietärer Besitz und Wettbewerbsvorteil angesehen. Anstatt standardbasierter Übertragungsprotokolle stützt sich die Technologie auf vom Anbieter bereitgestellte Tools, wenn es um die Integra¬tion in Systeme und Produkte geht. Der Microsoft „NET Services” Service Bus unterstützt Interoperabilität, da Anwendungen entweder in einer .NET-Sprache (d. h. C#, VB) oder Java geschrieben werden können. In beiden Fällen muss auf allen Plattformen ein Service Bus Communication Stack installiert werden. Indem man die Messaging-Inhalte von der Messaging-Übertragungsinfrastruktur trennt, lassen sich die Auswirkungen von proprietärer Service Bus-Technologie auf die Interoperabilität minimieren, sodass sich Standardisierung und Innovation die Waage halten.

Sicherheit
Cyber-Sicherheit und Zugriffssicherheit sind innerhalb einer Service Bus-Architektur von entscheidender Bedeutung. Alle namhaften Anbieter von Cloud-basierten Computing-Ressourcen arbeiten aktiv an der Implementierung von Schutzmechanismen gegen Angriffe aus dem Cyberspace.
Nur Clients mit entsprechenden Berechtigungen dürfen auf Service Bus-Ressourcen zugreifen, und zwar nur bei Bedarf und sofern erlaubt. Dies umfasst auch Benutzer-Authentifizierung und -Autorisierung sowie Nachrichtenintegrität und Datenschutz. Das Microsoft Access Control System (ACS) gewährleistet Zugriffssicherheit auf der Basis einer Reihe von Claims, die mit SAML (Security Assertion Markup Language) Tokens unter Einsatz von X.509-Zertifikaten verschlüsselt wurden und WS-Trust und anderen Sicherheitsstandards entsprechen. SAML bietet einen Standard-Mechanismus für die Beschreibung und Übertragung von Sicherheitsinformationen.

Fazit
Die Funktionalität aktueller Cloud Computing-Technologie bietet die notwendige Sicherheit, Interoperabilität und Leistungsfähigkeit für bestimmte echtzeitnahe, groß angelegte Smart Grid-Anwendungen zu niedrigeren Kosten als traditionelle Rechenzentren. Die Anwendungen umfassen die Kommunikation von dynamischen Preis- und Demand Response-Informationen.
Angesichts der breiten Verfügbarkeit von LMP (Locational Marginal Pricing) und des weitverbreiteten und wachsenden Breitband-Internetzugangs sind noch folgende Aufgaben zu erledigen:
• Definition von Standards für Preisinformationen. Diese Arbeit findet bereits statt, und zwar in Form der NIST Priority Action Plans for Common Pricing Model, Common Scheduling Mechanisms and Standard DR Signals
• Validierung und Verteilung von Preisinformationen mithilfe von Cloud Networking und anderen Internet-Technologien an computerbasierten Kundensystemen. Dies würde die Entwicklung von ESI-Software für private, gewerbliche und industrielle Abnehmer vorantreiben. Die Validierung muss sich dabei insbesondere mit den Reibungspunkten und Impedanz-Unstimmigkeiten beschäftigen, die in der Pricing-Wertschöpfungskette auf den oberen Schichten des GWAC Stacks existieren. Diese müssen identifiziert und behoben werden, bevor die groß angelegte Anwendung einer technischen Lösung realisierbar ist.
• Selektive Übertragung von Systemfunktionalität auf Embedded-Produkte, wie Smart Meters und ESI (Energy Service Interfaces).

Zukunftsweisende Internet-Technologien, wie der .NET Services Service Bus von Microsoft, können eine wertvolle Rolle dabei spielen, die Implementierung von Smart Grid-Technologien zu beschleunigen. Diese Technologie bietet einen Mechanismus für die Verteilung von Preis- und Demand Response-Informationen an eine große Anzahl von Abnehmern, die über Internet-Zugang verfügen.
Der vorgestellte Architekturansatz erreicht ein hohes Maß an Systeminteroperabilität durch die Angleichung von Informationen auf den Semantik- und Syntax-Schichten (GWAC Stack Level 3-4), während gleichzeitig Innovation auf den technischen Anbindungsschichten (GWAC Stack Level 1-2) ermöglicht wird.

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