EP2638441A2 - Verfahren zum steuern der energiekreisläufe eines objekts - Google Patents

Verfahren zum steuern der energiekreisläufe eines objekts

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EP2638441A2
EP2638441A2 EP11767657.7A EP11767657A EP2638441A2 EP 2638441 A2 EP2638441 A2 EP 2638441A2 EP 11767657 A EP11767657 A EP 11767657A EP 2638441 A2 EP2638441 A2 EP 2638441A2
Authority
EP
European Patent Office
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energy
control unit
generic
control
information model
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11767657.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Stahlschmidt
Bjoern Kuebler
Markus Brandstetter
Lukas Jager
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2638441A2 publication Critical patent/EP2638441A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B15/00—Systems controlled by a computer
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y04S50/10—Energy trading, including energy flowing from end-user application to grid

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the energy cycles of an object and an information model for carrying out the method.
  • the invention further relates to a generic unit or a generic device and a control unit or control unit.
  • the method is used in particular in the context of decentralized energy management.
  • Energy management includes the planning and operation of energy technology units.
  • the aim of the energy management is to satisfy the energy needs of the users, in particular, a cost and material-efficient energy supply should be realized.
  • the active control of the components of an energy cycle of any object such as. A building or a district to be achieved in order to be able to influence variables such as electricity costs or C0 2 emissions, positive.
  • Energy is in this context for all occurring forms of energy, such as electrical power, heat or mechanical work.
  • it is necessary that some components involved in the circuit allow for automatic control.
  • the entire considered cycle must be suitably modeled in order to be able to foresee the direct consequences of an influence in advance.
  • the current state of the art knows the information models for the building control system and the information models for the network control technology outside the building. Both information architectures are not linked and do not cover the requirements of decentralized energy management. For example, National Institute of Standards and Technology (NIST) refers to an incomplete reference list regarding standards for linking building automation and power engineering. Similarly, neither IEC (International Electrotechnical Commission) nor IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) treat the integration of the various trades in the building, such as. climate, heating, mechanical work, electricity, light, etc. These mentioned standards, there are even with other previously known standards, no approach to modeling.
  • Document US 2002/0082747 A1 describes an energy management system provided for managing the generation and distribution of energy from a power source to a building.
  • the energy management system describes energy producers and energy consumers, wherein the energy producers are described as producers of different forms of energy, such as, for example, thermal or electrical energy.
  • the building is understood as a consumer of energy.
  • the proposed method is concerned with distributing generated energy in a suitable manner in the building, with an optimization of the costs being carried out.
  • a method is sought, with which a uniform modeling of all components of an energy cycle is possible in order to implement an energy management, in particular a decentralized energy management. Disclosure of the invention
  • the described method allows the linking of all the trades in the building and the connection to the supply network technology. This is not limited to power grids.
  • the use of the information model allows the simple implementation of distributed information elements, which take over the tasks of communication, control and energy management or energy management.
  • the presented method can be used to model any object, for example a building or a machine, in which there are several energy cycles.
  • the components are each represented by means of a generic device to which a device matrix is assigned, in which the functional relationship between the flow of an energy cycle and the flow of another energy cycle is defined. Basically, the relationships between more than two energy cycles can be mapped in a device matrix.
  • a generic device can also comprise more than one device matrix.
  • a generic device may also model an energy store, in which case a first energy cycle relates to the energy stored in the memory. Another cycle involves the energy that is released from the memory. Both energy cycles can be identical.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the presented generic device.
  • FIG. 2 shows a modeling of an energy cycle.
  • FIG. 3 shows a control cycle for an energy cycle.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the generic device.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a generic unit or a generic device as a component of the presented information model and designated overall by the reference numeral 10.
  • An arrow 12 illustrates an input variable, electrical current I or power (I), and another arrow 14 an output variable, electric current I. Furthermore, input is a heat flow Q and Heat (Q) (arrow 16) and output a heat flow Q. (Arrow 18).
  • Another input variable in this case an event or event input from a user or a control unit or control unit, is illustrated by an arrow 20.
  • Another output variable namely an event output to the control unit, is indicated by an arrow 22.
  • another input variable namely public device data or public device data (in)
  • an additional output variable namely public device data (out)
  • an arrow 28 illustrates another input for oil, gas, etc.
  • the generic device 10 contains an internal control or internal control 30, in which the measured values of I and Q are monitored.
  • the device matrix is part of the internal control 30.
  • the internal control 30, for example, monitors the parameters and uses the functions from the device matrix to calculate the energy flows in the circuits.
  • a central component of the presented method is the description of the energy conversion between the different real energy flows in the decentralized energy management.
  • the information model for the generic unit or the generic device is provided as a basis, as shown by way of example in FIG.
  • the generic device 10 includes all the attributes and transactions that can arise during the energy conversion. This means that all components involved in the energy cycle can be modeled using the generic device 10.
  • a device is characterized by its inputs and outputs to the various energy circuits such as electricity or heat. It can have any number of inputs or outputs to any number of circuits. So a heater is connected to both the power and the heat circulation. Another possible supply from the outside into the device are the primary energies such as oil or gas. For example, an oil heater has a supply of primary energy in the form of oil.
  • the difference between the connections to the energy circuits and the supply of primary energy is that the supply of primary energy can be independently controlled by each device, while the flows in the energy circuits are dependent on the needs of all devices and then optimized as well as the primary energy use.
  • the third connection of a device to the outside represent the communication channels (arrows 20 and 22), which are used to transmit control signals and status messages. Also the direct
  • Interaction with a human, such as operating an on / off switch is modeled by these channels.
  • device 10 may make publicly available some of its data and read publicly made data from other devices (arrows 24 and 26).
  • the device matrix represents the functional relationship between the flow of one circuit and the flow of another circuit through the corresponding device.
  • Parameters to calculate the effects on the device and thus on the involved circuits As an example to serve an electric heater. This produces heat from electricity. If the functional relationship for this heating is known, then one can calculate how a change in power consumption affects the amount of heat produced. A time dependence is here e.g. given that the amount of heat produced with a certain delay of the power consumption adapts.
  • Another example of a time dependency is a washing machine that requires a certain amount of power in its washing program, depending on the progress made.
  • the washing machine is also an example of a device matrix with only one column and row, as it is involved exclusively in the circuit. Then only the functional relationship between power consumption and other parameters such as time is interesting.
  • the device 10 includes the internal controller 30. This serves to monitor the relevant measured values and, where appropriate, to react in a suitable manner. This can be, for example, a simple timer or a monitoring of the room temperature, so that when it exceeds or falls short of From set limits, the device 10 can display its new demand status.
  • the generic information model allows an arbitrarily granular modeling of the overall cycle and also the inclusion of external conditions by abstract devices.
  • An example of an abstract device is an office room. This consumes heat and electricity. The heat consumption depends not only on the power consumption, but also on the number of people in the office, the day and season, the sunlight and above all the desired temperature in the office. Likewise, the power requirement depends e.g. from the time of day, use and date. This can be modeled in any exact manner by the generic device.
  • control unit or control unit is the second central component of the generic information model.
  • the Control Unit is responsible for monitoring and controlling the devices that allow this. It is connected to the devices via the communication channels and can then send and receive events or events.
  • the events sent by the Control Unit serve, on the one hand, the status query and, on the other, the transmission of control signals.
  • the devices send events to the Control Unit to indicate a change in their status.
  • Control Unit An important part of the Control Unit is the control algorithm, which is responsible for the allocation of resources in the circuit. Its specific implementation is not dictated by the generic information model. As input, the algorithm uses standardized demand information from the devices and possibly further parameters such as corridors for the power consumption and price information.
  • the energy cycle of any object can be modeled. Both any number of devices and any number of control units are permitted. Each device is assigned to exactly one control unit for each circuit to which it is connected.
  • the Control Units can be can be assigned to many devices. There is at least one control unit per cycle of a particular energy form. Input variables are basically conjugate quantities. Functions and attributes are described in the devices and stored in parametrizable form. Control units are basically implemented in software.
  • a uniform interface can be provided between the generic device and the control unit.
  • Control Unit with getLoadOffers can query the new offers.
  • currentLoadChanged Device indicates that the measured power has changed so that the Control Unit can query the performance with getCurrentLoad.
  • An offer (LoadOffer) consists of:
  • a device can submit several such offers to the Control Unit.
  • the Control Unit decides which offer and under which conditions will be accepted (start time, duration).
  • FIG. 2 shows an example of a modeled overall cycle or energy cycle 40.
  • the presentation shows as devices a first office 50, a second office
  • first block 54 for light on the ground floor
  • second block 56 for light upstairs
  • first control unit 60 for heat
  • second control unit 62 for electricity
  • third control unit 64 for electricity
  • heater 70 for washing machine 72
  • third block 74 for light outside.
  • the communication generally takes place between a device and a control unit in the generic information model. Neither devices nor control units can communicate with each other, except that devices can access shared parameters of another device, for example to access devices that have been released. to get the reading of a sensor.
  • the communication takes place via events, i. In contrast to a regular communication, an event is triggered by a certain situation, ie a constellation of the parameters. These events are device independent, but may differ between the different circuits. This ensures that the control algorithm is independent of the connected ones
  • Devices can be implemented and all devices implement the same communication interface, i. be abstracted suitable to the outside.
  • FIG. 3 schematically shows a control cycle of the energy cycle.
  • the illustration shows a stable state 80 and a failed state 82. Transitions between the two states 80 and 82 are a demand change (arrow 84) and a resource allocation (arrow 86).
  • the aim of the control is to match the needs, both positive and negative, of all devices in such a way that the flow determines the overall cycle
  • Conditions are met, such as that the total power consumption should not be greater than a predetermined maximum value. This is achieved by the control algorithm distributing the available resources appropriately to the devices and then sending corresponding control signals to the devices. Once this has been done, the circuit is in a stable state, as long as the requirements of the devices or the external specifications do not change.
  • a new control of the circuit is only necessary if the internal logic of a device triggered by a change in its parameters, the Control Unit sends a new request for needs. Therefore, the controller operates event driven.
  • a device reports a changed demand for the Control Unit.
  • the control tion algorithm redistributes the existing resources and sends to those devices control signals whose state should change. Thereafter, the entire cycle is again in a stable state.
  • the control loop of the generic information model describes the instantaneous or instantaneous reaction of the system to a changed demand or resource situation, in order to be able to constantly comply with the prescribed restrictions. This does not exclude other mechanisms of control and monitoring of the overall cycle, in particular forecasts and forecasting. On the contrary, homogenization of the control and monitoring events will increase homogeneity and, with that, the
  • the control within the device is based on a lighting system.
  • the implementation of the lighting system as a generic device includes the logic for the actual interaction with the physical lighting system.
  • the lighting system is connected, for example, by KNX, which is a common building automation technology, connected, accessible via an IP gateway in the network and provides an interface via which one can switch different lighting scenarios. Possible scenarios are for example: everything off, everything on, emergency lighting, normal lighting at night etc.
  • control unit chooses an offer, e.g. with the full power
  • the device implementation via the KNX interface switches the lighting system to "all on” at the time the offer is to be launched.
  • the device implementation knows which actions, eg switching operations, are necessary for the respective offers.
  • FIG. 4 shows a generic device 90 for an electric heater with an internal control 92 and a device matrix 94.
  • Input 96 is the electrical power P (Power (P)), output 96 is the heat output

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Abstract

Es werden ein Verfahren und Informationsmodell zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt. Das Verfahren dient zum Steuern der Energiekreisläufe eines Objekts mittels eines generischen Informationsmodells, das mindestens eine generische Einheit bzw. ein generisches Device (10) umfasst, das mit den Energiekreisläufen verbundenist, wobei das mindestens eine Device (10) für jeden Energiekreislauf einer Steuereinheit bzw. Control Unit zugeordnet ist und dem mindestens einen Device (10) eine Devicematrix zugeordnet ist, in dem ein Energiefluss mindestens eines der Energiekreisläufe als Funktion beschrieben wird, die als Parameter mindestens einen Energiefluss wenigstens eines der anderen Energiekreisläufe umfasst.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Steuern der Energiekreisläufe eines Objekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Energiekreisläufe eines Objekts und ein Informationsmodell zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft weiterhin eine generische Einheit bzw. ein generisches Device und eine Steuereinheit bzw. Control Unit. Das Verfahren wird insbesondere im Rahmen des dezentralen Energiemanagements eingesetzt.
Stand der Technik
Energiemanagement umfasst die Planung und den Betrieb von energietechnischen Einheiten. Ziel des Energiemanagements ist es, den Energiebedarf der Nutzer zu befriedigen, wobei insbesondere eine kosten- und materialeffiziente Energieversorgung realisiert werden soll.
Mit dem sogenannten dezentralen Energiemanagement soll die aktive Steuerung der Komponenten eines Energiekreislaufs eines beliebigen Objekts, wie bspw. eines Gebäudes oder auch eines Stadtviertels, erreicht werden, um dadurch Größen, wie die Stromkosten oder den C02-Ausstoß, positiv beeinflussen zu können. Energie steht in diesem Zusammenhang für alle vorkommenden Energieformen, also z.B. elektrischen Strom, Wärme oder auch mechanische Arbeit. Weiterhin ist es notwendig, dass einige am Kreislauf beteiligte Komponenten eine automatische Steuerung zulassen. Zudem muss der gesamte betrachtete Kreislauf geeignet modelliert werden, um die direkten Folgen einer Beeinflussung im Voraus absehen zu können.
Der heutige Stand der Technik kennt die Informationsmodelle für die Gebäudeleittechnik und die Informationsmodelle für die Netzleittechnik außerhalb des Gebäudes. Beide Informationsarchitekturen sind nicht miteinander verknüpft und decken nicht die Anforderungen des dezentralen Energiemanagements ab. Beispielsweise verweist das NIST (National Institute of Standards and Technology) auf eine unvollständige Referenzliste in Bezug auf Standards für die Verknüpfung der Gebäudeautomatisierung und der Energietechnik. Ebenso behandeln weder IEC (International Electrotechnical Commission) noch IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) die Integration der verschiedenen Gewerke im Gebäude, wie bspw. Klima, Heizung, mechanische Arbeit, Strom, Licht usw. Bei diesen genannten Standards gibt es, wie auch bei anderen bisher bekannten Standards, keinen Ansatz für eine Modellierung.
Die Druckschrift US 2002/0082747 A1 beschreibt ein Energiemanagementsystem, das zum Verwalten der Erzeugung und Verteilung von Energie von einer Energiequelle zu einem Gebäude vorgesehen ist. Das Energiemanagementsystem beschreibt Energieerzeuger und Energieverbraucher, wobei die Energieer- zeuger als Erzeuger unterschiedlicher Energieformen, wie bspw. thermische oder elektrische Energie, beschrieben werden. Das Gebäude wird als Verbraucher von Energie verstanden. Bei dem vorgestellten Verfahren geht es insbesondere darum, erzeugte Energie auf geeignete Weise in dem Gebäude zu verteilen, wobei eine Optimierung hinsichtlich der Kosten durchgeführt wird.
Es wird ein Verfahren angestrebt, mit dem eine einheitliche Modellierung sämtlicher Komponenten eines Energiekreislaufs möglich ist, um ein Energiemanagement, insbesondere ein dezentrales Energiemanagement, umsetzen zu können. Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 , ein Informationsmodell mit den Merkmalen des Anspruchs 6 ein generisches Device gemäß Anspruch 8 und eine Control Unit nach Anspruch 9 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Es wird somit ein generisches Informationsmodell für dezentrale Energiemanagementanwendungen bzw. -applikationen vorgestellt. Darauf aufbauend wird das generische Informationselement, das die Regelungen im dezentralen Ener- giemanagement auf Basis des Informationsmodells vornimmt, entwickelt. Beide, nämlich Informationselement und das dazugehörige Informationsmodell, können bei dem vorgestellten Verfahren zum Einsatz kommen.
Gegenüber bekannten Vorgehensweisen ermöglicht das beschriebene Verfahren die Verknüpfung aller Gewerke im Gebäude und die Anbindung an die Versorgungsnetztechnik. Dies ist nicht auf Stromnetze beschränkt. Der Einsatz des Informationsmodells erlaubt die einfache Implementierung von verteilten Informationselementen, die die Aufgaben der Kommunikation, Regelung und der Energieverwaltung bzw. des Energiemanagements übernehmen.
Zu beachten ist, dass das vorgestellte Verfahren zur Modellierung irgendeines Objekts, bspw. eines Gebäudes oder einer Maschine, eingesetzt werden kann, in dem mehrere Energiekreisläufe vorliegen. Die Komponenten werden jeweils mittels eines generischen Device abgebildet, dem eine Devicematrix zugeordnet ist, in der der funktionale Zusammenhang zwischen dem Fluss eines Energiekreislaufs und dem Fluss eines anderen Energiekreislaufs definiert ist. Grundsätzlich können in einer Devicematrix die Zusammenhänge zwischen mehr als zwei Energiekreisläufen abgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann ein generi- sches Device auch mehr als eine Devicematrix umfassen.
Ein generisches Device kann auch einen Energiespeicher modellieren, dabei betrifft ein erster Energiekreislauf die Energie, die in dem Speicher gespeichert wird. Ein weiterer Kreislauf betrifft die Energie, die von dem Speicher abgegeben wird. Dabei können auch beide Energiekreisläufe identisch sein.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform des vorgestellten generischen Device. Figur 2 zeigt eine Modellierung eines Energiekreislaufs. Figur 3 zeigt einen Steuerungszyklus für einen Energiekreislauf. Figur 4 zeigt eine weitere Ausführung des generischen Device. Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In Figur 1 ist eine Ausführungsform einer generischen Einheit bzw. eines generischen Device als ein Bestandteil des vorgestellten Informationsmodells dargestellt und insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Ein Pfeil 12 verdeutlicht eine Eingangsgröße, elektrischer Strom I bzw. Power (I), und ein weiterer Pfeil 14 eine Ausgangsgröße, elektrischer Strom I. Weiterhin ist Eingangsgröße ein Wärmestrom Q bzw. Heat (Q) (Pfeil 16) und Ausgangsgröße ein Wärmestrom Q (Pfeil 18).
Eine weitere Eingangsgröße, in diesem Fall ein Ereignis- bzw. Eventeingang von einem Nutzer oder einer Steuereinheit bzw. Control Unit, wird durch einen Pfeil 20 verdeutlicht. Eine weitere Ausgangsgröße, nämlich ein Ereignisausgang an die Control Unit, ist durch einen Pfeil 22 gekennzeichnet. Außerdem ist eine weitere Eingangsgröße, nämlich öffentliche Einheitdaten bzw. Public Device Data (in), durch einen Pfeil 24 und eine weitere Ausgangsgröße, nämlich Public Device Data (out), durch einen Pfeil 26 gezeigt. Schließlich verdeutlicht ein Pfeil 28 eine weitere Eingangsgröße für Öl, Gas usw.
In dem generischen Device 10 ist eine interne Steuerung bzw. Internal Control 30 enthalten, in der die Messwerte von I und Q überwacht werden.
Die Devicematrix ist Bestandteil der Internal Control 30. Die Internal Control 30 überwacht z.B. die Parameter und berechnet mithilfe der Funktionen aus der Devicematrix die Energieflüsse in den Kreisläufen. Es ist zu beachten, dass ein zentraler Bestandteil des vorgestellten Verfahrens die Beschreibung der Energiewandlung zwischen den verschiedenen wirklichen Energieströmen im dezentralen Energiemanagement ist. Hierzu wird als Grund- läge das Informationsmodell für die generische Einheit bzw. das generische Device bereitgestellt, wie dies beispielhaft in Figur 1 dargestellt ist.
Das generische Device 10 umfasst alle Attribute, und Transaktionen, die bei der Energiewandlung entstehen können. Damit können alle am Energiekreislauf be- teiligten Komponenten mithilfe des generischen Device 10 modelliert werden.
Nach außen zeichnet sich ein Device durch seine Ein- und Ausgänge zu den verschiedenen Energiekreisläufen wie Strom oder Wärme aus. Es kann beliebig viele Eingänge oder Ausgänge zu beliebig vielen Kreisläufen haben. So ist eine Heizung sowohl an den Strom- als auch an den Wärmekreislauf angeschlossen. Eine weitere mögliche Zufuhr von außen in das Device stellen die Primärenergien wie Öl oder Gas dar. So hat eine Ölheizung eine Zufuhr von Primärenergie in Form von Öl.
Der Unterschied zwischen den Verbindungen zu den Energiekreisläufen und der Zufuhr von Primärenergie ist, dass die Zufuhr von Primärenergie von jedem Device unabhängig gesteuert werden kann, während die Flüsse in den Energiekreisläufen abhängig vom Bedarf aller Devices sind und dann ebenso wie der Primärenergieeinsatz optimiert werden sollen. Die dritte Verbindung eines Device nach außen stellen die Kommunikationskanäle (Pfeile 20 und 22) dar, die zur Übermittlung von Steuersignalen und Statusmeldungen dienen. Auch die direkte
Interaktion mit einem Menschen, wie z.B. das Bedienen eines Ein-/Ausschalters, wird durch diese Kanäle modelliert.
Außerdem ist es möglich, dass Devices untereinander Daten austauschen, um z.B. auf Daten von Sensoren zuzugreifen. Dazu kann das Device 10 einige seiner Daten öffentlich zu Verfügung stellen und öffentlich gemachte Daten anderer Devices lesen (Pfeile 24 und 26).
Durch seine Verbindungen nach außen wird das Device 10 aber noch nicht voll- ständig modelliert. Entscheidend für die Beteiligung an den Kreisläufen ist, welche Wirkung Änderungen an einem Parameter auf alle anderen Parameter ha- ben. Dieser Zusammenhang wird durch die Devicematrix dargestellt, die in der nachstehenden Tabelle 1 wiedergegeben ist.
Tabelle 1
Die Devicematrix stellt den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Fluss eines Kreislaufs und dem Fluss eines anderen Kreislaufs durch das entsprechende Device dar. Zusätzlich können auch Abhängigkeiten zu den vorhandenen Primärenergien (in der dargestellten Matrix mit dem Parameter φ bezeichnet) und weiteren Parametern, wie z.B. der Zeit t oder Sensordaten wie der Temperatur T, hinzukommen.
Der Energiefluss des Device in einem Kreislauf wird also durch eine Funktion beschrieben, die als Parameter die Flüsse des Device in den anderen Kreisläufen und weitere Parameter enthält. So ist es möglich, bei einer Veränderung eines
Parameters die Auswirkungen auf das Device und damit auf die beteiligten Kreisläufe zu berechnen. Als Beispiel soll eine elektrische Heizung dienen. Diese produziert aus elektrischem Strom Wärme. Ist der funktionale Zusammenhang für diese Heizung bekannt, so kann man berechnen, wie sich eine Änderung der Leistungsaufnahme auf die produzierte Wärmemenge auswirkt. Eine Zeitabhängigkeit ist hier z.B. dadurch gegeben, dass sich die produzierte Wärmemenge mit einer gewissen Verzögerung der Leistungsaufnahme anpasst.
Ein anderes Beispiel für eine Zeitabhängigkeit stellt eine Waschmaschine dar, die je nach Fortschritt in ihrem Waschprogramm eine bestimmte Leistung benötigt.
Die Waschmaschine ist außerdem ein Beispiel für eine Devicematrix mit nur einer Spalte und Zeile, da sie ausschließlich am Stromkreislauf beteiligt ist. Dann ist nur der funktionale Zusammenhang zwischen der Leistungsaufnahme und anderen Parametern wie der Zeit interessant.
Desweiteren umfasst das Device 10 die interne Steuerung 30. Diese dient dazu, die relevanten Messwerte zu überwachen und gegebenenfalls in geeigneter Weise zu reagieren. Dies kann zum Beispiel eine einfache Zeitschaltung sein oder eine Überwachung der Raumtemperatur, so dass bei Über- oder Unterschreitung von festgelegten Grenzwerten das Device 10 seinen neuen Bedarfsstatus anzeigen kann.
Mit dem generischen Device 10 können nicht nur tatsächlich existierende Endgeräte sondern auch abstrakte Komponenten, wie zum Beispiel ein Raum oder ein ganzes
Gebäude, modelliert werden. Dadurch ermöglicht das generische Informationsmodell eine beliebig granuläre Modellierung des Gesamtkreislaufs und auch die Einbeziehung von äußeren Gegebenheiten durch abstrakte Devices. Ein Beispiel für ein abstraktes Device ist ein Bürozimmer. Dieses verbraucht Wärme und Strom. Der Wärmeverbrauch hängt dabei nicht nur vom Stromverbrauch ab, sondern auch von der Anzahl der Menschen im Büro, von der Tages- und Jahreszeit, von der Sonneneinstrahlung und vor allem auch von der gewünschten Temperatur im Büro. Ebenso hängt der Strombedarf z.B. von der Tageszeit, der Nutzung und dem Datum ab. Dies kann in beliebig exakter Weise durch das generische Device modelliert werden.
Neben dem generischen Device 10 ist die Steuereinheit bzw. Control Unit der zweite zentrale Bestandteil des generischen Informationsmodells. Die Control Unit ist für die Überwachung und Steuerung der Devices, die dies zulassen, zuständig. Sie ist über die Kommunikationskanäle mit den Devices verbunden und kann darüber Ereignisse bzw. Events abschicken und erhalten. Die von der Control Unit gesendeten Events dienen zum einen der Statusabfrage und zum anderen der Übermittlung von Steuersignalen. Die Devices senden Events an die Control Unit, um eine Änderung ihres Sta- tus anzuzeigen.
Ein wichtiger Bestandteil der Control Unit ist der Steuerungsalgorithmus, der für die Zuteilung der Resourcen in dem Kreislauf zuständig ist. Seine spezifische Implementierung wird durch das generische Informationsmodell nicht vorgegeben. Als Eingabe verwendet der Algorithmus standardisierte Bedarfsinformationen der Devices und ggf. weitere Parameter wie Korridore für die Leistungsaufnahme und Preisinformationen.
Mit dem generischen Device und der Control Unit kann der Energiekreislauf eines beliebigen Objektes modelliert werden. Dabei sind sowohl beliebig viele Devices als auch beliebig viele Control Units zugelassen. Jedes Device ist für jeden Kreislauf, mit dem es verbunden ist, genau einer Control Unit zugeordnet. Den Control Units können be- liebig viele Devices zugeordnet sein. Es gibt pro Kreislauf einer bestimmten Energieform mindestens eine Control Unit. Eingangsgrößen sind grundsätzlich konjugierte Größen. In den Devices sind Funktionen und Attribute beschrieben und in parametri- sierbarer Form abgelegt. Control Units sind grundsätzlich in Software implementiert.
Zwischen dem generischen Device und der Control Unit kann eine einheitliche Schnittstelle vorgesehen sein. Es können drei Methoden pro Energieform bzw. -art, wie bspw. Strom, Wärme usw., vorgesehen sein. Diese sind wie folgt bezeichnet: getLoadOffers Angebot des Device an die Control Unit setLoad Control Unit gibt Zuschlag für eines der Angebote getCurrentLoad tatsächlich gemessene, im Moment benötigte bzw. gelieferte
Leistung
Events können sein: loadOffersChanged Device zeigt an, dass sich sein Status geändert hat, so dass die
Control Unit mit getLoadOffers die neuen Angebote abfragen kann. currentLoadChanged Device zeigt an, dass die gemessene Leistung sich geändert hat, so dass die Control Unit mit getCurrentLoad die Leistung abfragen kann.
Jede weitere Kommunikation des Device, bspw. mit der Nutzerschnittstelle, den physischen bzw. physikalischen Geräten usw., ist Device spezifisch. Ein Angebot (LoadOffer) besteht aus:
EnergyType Strom, Wärme, Kühlung usw.
(Energy-)Profile vorausgesagter Energieverbrauch bzw. Erzeugung
TimeCondition Zeitvorgabe (wann, wie lange ?) Weight Gewichtung (Preis, C02-Verbrauch, Priorität)
Ein Device kann mehrere solcher Angebote an die Control Unit abgeben. Die Control Unit entscheidet dann, welches Angebot und unter welchen Bedingungen angenommen wird (Startzeitpunkt, Laufzeit).
Als veranschaulichendes Beispiel wird nachfolgend eine Photovoltaikanlage betrachtet. Für die nächsten beiden Stunden ist Sonnenschein vorausgesagt. Daher könnte das
Device bspw. folgende Angebote machen:
Volle Leistung (Profil = z.B. 10 kW), Start: ab sofort möglich, Laufzeit: bis zwei Stunden, Priorität: sehr hoch
80 % Leistung (durch Verschiebung des Arbeitspunkts des Gleichrichters), Start und Laufzeit wie vorstehend, Priorität: niedrig
60 % Leistung (durch Verschiebung des Arbeitspunkts des Gleichrichters), Start und Laufzeit wie vorstehend, Priorität: sehr niedrig
0 % Leistung (aus), Start und Laufzeit wie vorstehend, Priorität: am niedrigsten
In Figur 2 ist ein Beispiel für einen modellierten Gesamtkreislauf bzw. Energiekreislauf 40 dargestellt. Die Darstellung zeigt als Devices ein erstes Büro 50, ein zweites Büro
52, einen ersten Block 54 für Licht im Erdgeschoss, einen zweiten Block 56 für Licht im Obergeschoss, eine erste Control Unit 60 für Wärme, eine zweite Control Unit 62 für Strom, eine dritte Control Unit 64 für Strom, eine Heizung 70, eine Waschmaschine 72 und einen dritten Block 74 für Licht außen.
In dem modellierten Energiekreislauf 40 gibt es einen Wärmekreislauf und zwei getrennte Stromkreisläufe. Der Übersichtlichkeit wegen werden hier nur die Zugehörigkeiten der Devices zu den jeweiligen Control Units dargestellt. Dadurch ergeben sich implizit die Zugehörigkeiten zu den Energiekreisläufen. Abhängigkeiten zwischen den Devices und Primärenergien fehlen in dieser Darstellung. Eine Verbindung zwischen zwei Kreisläufen kommt entweder durch Devices zustande, die an beiden Kreisläufen beteiligt sind oder einer der Kreisläufe stellt sich dem anderen als ein einziges abstraktes Device dar. Dies ist eine zentrale Eigenschaft des generischen Informationsmodells. Für die Steuerung eines Kreislaufs sind nur Informationen der direkt zugeordneten Devices notwendig. Abhängigkeiten zwischen den Kreisläufen müssen auf Ebene der Devices modelliert werden.
Die Kommunikation findet im generischen Informationsmodell in der Regel zwischen einem Device und einer Control Unit statt. Weder Devices noch Control Units können miteinander kommunizieren mit der Ausnahme, dass Devices auf freigegebene Para- meter eines anderen Devices zugreifen können, um z.B. den Messwert eines Sensors zu erhalten. Die Kommunikation findet über Events statt, d.h. im Gegensatz zu einer regelmäßigen Kommunikation wird ein Event durch eine bestimmte Situation, also eine Konstellation der Parameter, ausgelöst. Diese Events sind Device unabhängig, können sich aber zwischen den verschiedenen Kreisläufen unterscheiden. Dadurch wird si- chergestellt, dass der Steuerungsalgorithmus unabhängig von den angeschlossenen
Devices implementiert werden kann und alle Devices dieselbe Kommunikationsschnittstelle implementieren, d.h. nach außen geeignet abstrahiert werden.
In Figur 3 ist schematisch ein Steuerungszyklus des Energiekreislaufs wiedergegeben. Die Darstellung zeigt einen stabilen Zustand 80 und einen gestörten Zustand 82. Übergänge zwischen den beiden Zuständen 80 und 82 sind eine Bedarfsänderung (Pfeil 84) und eine Ressourcenzuteilung (Pfeil 86).
Ziel der Steuerung ist es, den Bedarf, und zwar sowohl den positiven als auch den ne- gativen, aller Devices so abzustimmen, dass der Fluss im Gesamtkreislauf bestimmte
Bedingungen erfüllt, wie z.B. dass die Gesamtleistungsaufnahme nicht größer sein soll als ein vorgegebener Maximalwert. Dies wird erreicht, indem der Steuerungsalgorithmus die vorhandenen Ressourcen geeignet auf die Devices verteilt und dann entsprechende Steuersignale an die Devices versendet. Ist dies einmal geschehen, so befin- det sich der Kreislauf in einem stabilen Zustand, solange sich der Bedarf der Devices oder die äußeren Vorgaben nicht ändern.
Grundsätzlich wird eine neue Regelung des Kreislaufs also nur dann notwendig, wenn die interne Logik eines Device, ausgelöst durch eine Änderung seiner Parameter, der Control Unit eine neue Bedarfsanfrage sendet. Daher funktioniert die Steuerung Event getrieben. Ein Device meldet einen geänderten Bedarf an die Control Unit. Der Steue- rungsalgorithmus verteilt die vorhandenen Ressourcen neu und sendet an diejenigen Devices Steuersignale, deren Zustand sich ändern soll. Danach ist der Gesamtkreislauf wieder in einem stabilen Zustand. Der Regelkreislauf des generischen Informationsmodells beschreibt die augenblickliche bzw. instantane Reaktion des Systems auf eine geänderte Bedarfs- oder Ressourcensituation, um ständig die vorgegebenen Beschränkungen einhalten zu können. Dies schließt andere Mechanismen der Steuerung und Überwachung des Gesamtkreislaufs, insbesondere Prognosen und Vorausplanung, nicht aus. Vielmehr wird durch die Ver- einheitlichung der Steuer- und Überwachungsevents die Homogenität und damit die
Administrier- und Erweiterbarkeit des Systems gewährleistet.
Die Steuerung innerhalb des Device wird anhand eines Beleuchtungssystems nachvollzogen.
Die Implementierung des Beleuchtungssystems als generisches Device umfasst die Logik für die tatsächliche Interaktion mit dem physischen Beleuchtungssystem. Das Beleuchtungssystem ist bspw. durch KNX, was eine gängige Gebäudeautomatisierungstechnik darstellt, angebunden, über ein IP-Gateway im Netzwerk erreichbar und bietet eine Schnittstelle, über die man verschiedene Beleuchtungsszenarien schalten kann. Mögliche Szenarien sind bspw.: alles aus, alles an, Notbeleuchtung, normale Beleuchtung nachts usw.
Gibt die Control Unit den Zuschlag für ein Angebot, z.B. mit der vollen Leistung, so wird von der Device-Implementierung über die KNX-Schnittstelle das Beleuchtungssystem auf "alles an" zu dem Zeitpunkt geschaltet, zu dem das Angebot gestartet werden soll.
Die Device-Implementierung weiß, welche Aktionen, bspw. Schaltvorgänge, für die jeweiligen Angebote notwendig sind.
In Figur 4 ist ein generisches Device 90 für eine elektrische Heizung mit einer Internal Control 92 und einer Devicematrix 94 dargestellt. Eingangsgröße 96 ist die elektrische Leistung P (Power (P)), Ausgangsgröße 96 ist die Wärmeleistung
ß (= dQ/dt) (Heat ( ß )). Weiterhin findet eine bidirektionale Kommunikation mit einer Control Unit 104 statt (Pfeile 100 und 102). Die elektrische Heizung verbraucht elektrische Energie und produziert Wärme. Das Verhältnis zwischen produzierter Wärme und verbrauchtem Strom ist somit -1. Es gilt somit: P = -dQ/dt
Die (Leistungs-)Profile der Angebote für die beiden Energiearten sind in diesem Fall also bis auf das Vorzeichen identisch.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Steuern der Energiekreisläufe (40) eines Objekts mittels eines generischen Informationsmodells, das mindestens eine generische Einheit bzw. ein generisches Device (10, 90) umfasst, das mit den Energiekreisläufen (40) verbunden ist, wobei das mindestens eine Device (10, 90) für jeden Energiekreislauf (40) einer Steuereinheit bzw. Control Unit (60, 62, 64, 104) zugeordnet ist und dem mindestens einen Device (10, 90) eine Devicematrix (94) zugeordnet ist, in der ein Energiefluss mindestens eines der Energiekreisläufe (40) als Funktion beschrieben wird, die als Parameter mindestens einen Energiefluss wenigstens eines der anderen Energiekreisläufe (40) umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , das zur Regelung der Energiekreisläufe (40) eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Devices (10, 90) Daten untereinander austauschen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem Daten zu Ereignissen ein- und/oder ausgegeben werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem öffentliche Daten ein- und/oder ausgegeben werden.
6. Informationsmodell zum Steuern von Energiekreisläufen (40) eines Objekts, insbesondere für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Informationsmodell mindestens eine generische Einheit bzw. ein generisches Device (10, 90) umfasst, das mit den Energiekreisläufen (40) verbunden ist, wobei das mindestens eine Device (10, 90) für jeden Energiekreislauf (40) einer Steuereinheit bzw. Control Unit (60, 62, 64, 104) zugeordnet ist und dem mindestens einen Device (10, 90) eine Devicematrix (94) zugeordnet ist, in der ein Energiefluss mindestens eines der Energiekreisläufe (40) als Funktion beschrieben wird, die als Parameter mindestens einen Energiefluss wenigstens eines der anderen Energiekreisläufe (40) umfasst.
7. Informationsmodell nach Anspruch 6, das eine interne Steuerung bzw. Internal Control (30, 92) umfasst, um Messwerte zu überwachen.
8. Generisches Device, insbesondere für ein Informationsmodell nach Anspruch 6 oder 7, das mit Energiekreisläufen (40) verbunden ist, wobei das mindestens eine Device (10, 90) für jeden Energiekreislauf (40) einer Steuereinheit bzw. Control Unit (60, 62, 64, 104) zugeordnet ist und dem mindestens einen Device (10, 90) eine Devicematrix (94) zugeordnet ist, in der ein Energiefluss mindestens eines der Energiekreisläufe (40) als Funktion beschrieben wird, die als Parameter mindestens einen Energiefluss wenigstens eines der anderen Energiekreisläufe (40) umfasst.
9. Control Unit, insbesondere für ein Informationsmodell nach Anspruch 6 oder 7, dem mindestens ein Device (10, 90) nach Anspruch 8 zugeordnet ist.
10. Control Unit nach Anspruch 9, das in Software implementiert ist.
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