2017

Simulation von Prozessnetzen am Praxisbeispiel des Energienetzes der Zukunft

David Mittelstädt, September 2017
Masterstudiengang Informatik - Komplexe Software Systeme

Die Komponenten der Informations- und Kommunikationstechnik im Smart Grid gewinnen zu nehmend an Bedeutung. Mittlerweile werden diese nicht mehr ausschließlich in Smart Metering Systemen eingesetzt, sondern auch für die Überwachung und Steuerung von technischen Prozessen in industriellen Anlagen verwendet, wie zum Beispiel bei der Energieerzeugung und -verteilung. Dafür werden sogenannte SCADA-Systeme eingesetzt. Der Einsatz von Simulationen im Bereich des Smart Grids soll das sichere Testen dieser SCADA-Systeme ermöglichen. Die Simulation von SCADA- Systemen soll anhand der konkreten Szenarien der regelbaren Ortsnetzstationen und dezentralen Energieerzeugungsanlagen analysiert und durchgeführt werden. Diese dezentralen Komponenten des Smart Grids werden momentan noch nicht durch IKT-Komponenten überwacht und gesteuert. Zukünftig sollen diese Aufgaben mit Fernwirkprotokollen (Modbus, IEC 61850) auf Basis von TCP/IP realisiert werden. Die dezentralen Komponenten sind dann über unterschiedliche Übertragungsstandards (DSL, LWL, LTE) an die Leitwarte angeschlossen.

In dieser Arbeit wird ein Konzept vorgestellt, mit dem die Simulation von SCADA-Systemen in Form einer Softwarelösung realisiert werden kann. Basierend auf diesem Konzept ist die Entwicklung eines Demonstrators beschrieben, der als Basis den Netzsimulator ns-3 verwendet. Mit der Bibliothek libIEC61850 werden Client- und Server-Anwendungen implementiert, die das Fernwirkprotokoll IEC 61850 für den Datenaustausch untereinander nutzen. Diese Anwendungen sind über das DCE- Framework in den Netzsimulator ns-3 integriert. Zusätzlich wird ein User Interface vorgestellt, mit dem diese Simulationen parametrisiert und automatisiert werden können. Außerdem beinhaltet das User Interface eine Komponente zur einfachen Erstellung neuer Modelle für den Netzsimulator ns-3.

Die Anwendung des Demonstrators wird anhand des Szenarios der dezentralen Energieerzeugungsanlage gezeigt. Mit diesem Beispiel werden einige Experimente durchgeführt, die die Auswirkungen verschiedener Übertragungsraten und Werten für die Latenz auf die Kommunikation in SCADA-Systemen zeigen. Die Auswertung dieser Experimente wird mit Programmen zur Netzwerkanalyse durchgeführt. Als Kennzahlen für die Auswertung der Ergebnisse werden die durchschnittlich übertragenen Bits pro Sekunde und die Anzahl der übertragenen Pakete innerhalb eines vorgegeben Zeitintervalls verwendet.