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.