Die Erfindung betrifft ein zuverlässiges zeitgesteuertes System und ein Verfahren zum Energie- Management bei einem Endverbraucher von elektrischer Energie.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Energie-Management-System bei einem Energieendverbraucher, wobei das Energie-Management System aus mindestens zwei Subsystemen, einem Energielenkungssystem und einem Energieoptimierungssystem besteht und wobei das Energielenkungssystem über Stromleitungen mit mindestens einer Energiequelle und mindestens einem Energieverbraucher verbunden ist, und vorzugsweise an einem oder mehreren Energiespeichern angeschlossen ist, und eine zeitabhängige Verteilung der elektrischen Energie im Normalbetrieb entsprechend Soll-Daten vom Energieoptimierungssystem vornimmt, und wobei das Energieoptimierungssystem über Algorithmen verfügt, mittels derer die zeitabhängigen Soll-Daten für die Verteilung der elektrischen Energie auf der Basis des geplanten Energieverbrauchs und der vom Internet geladenen Energiepreis- und Wetterdaten berechnet werden.

Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Energie-Management bei einem Endverbraucher mit einem Energie-Management-System.

Die Umwandlung des Energiesystems von fossilen Energieträgern zu erneuerbaren Energiequellen, die primär elektrische Energie produzieren, eröffnet neue Möglichkeiten, den Energieeinsatz beim Endverbraucher optimal zu gestalten. Da das Angebot an erneuerbarer Energie— vorwiegend von Photovoltaik (PV) Anlagen und von Wind Anlagen— stark von den gegebenen Umweltbedingungen abhängt und gravierenden Schwankungen unterliegt, ist es erforderlich, die von den erneuerbaren Energie-Anlagen produzierte Energie in einem Zwischenspeicher zu speichern, um sie zum Zeitpunkt des Energiebedarf abrufen zu können. Ein solche Zwischenspeicherung kann entweder beim Endverbraucher (z.B. in einer Batterie) oder beim öffentlichen Netzbetreiber (z.B. in einem Stausee) erfolgen.

Mit der Einführung von zeitabhängigen Stromtarifen (z.B. der Tarif „Sonnenplus Smart" der KELAG ) versuchen die Netzbetreiber, die Kosten der Energiespeicherung an den Endverbraucher weiterzugeben. Es eröffnet sich beim Endverbraucher damit die Möglichkeit, durch ein intelligentes Energiemanagement Energiekosten zu sparen. Zum Beispiel kann ein Endverbraucher mit einem lokalen Energiespeicher den Energiebezug vom Stromnetz auf eine Zeit verlagern, zu der ein niedriger Stromtarif vorliegt und— insbesondere falls er über eine lokale Energiequelle, wie eine PV- Anlage verfügt— die Energielieferung an das Stromnetz auf eine Zeit verlagern, zu der ein hoher Stromtarif zu erwarten ist.

Diese Art der Energieoptimierung erfordert komplexe Computersysteme, die auf der Basis von Wetterdaten und Tarifprognosen aus dem Internet und dem geschätzten lokalen Energiebedarf eine optimale Lenkung des elektrischen Energieflusses beim Endbenutzer vornehmen. Diese komplexen dynamischen Computersysteme, die mit dem Internet verbunden sein müssen, haben eine geringere Zuverlässigkeit als einfache Systeme ohne direkte Verbindung zum Internet, die nach festgelegten statischen Regeln den Energiefluss lenken.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zuverlässigkeit des Energiemanagements beim Endverbraucher zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird mit einem eingangs genannten System dadurch gelöst, dass das Energielenkungssystem und das Energieoptimierungssystem je eine unabhängige Fault Containment Unit bilden, und wobei eine Schnittstelle zwischen dem Energielenkungssystem und dem Energieoptimierungssystem als zeitgesteuerte Nachrichtenschnittstelle ausgebildet ist, und wobei vom Energieoptimierungssystem periodisch eine wohl-definierte zeitgesteuerte Nachricht mit den Soll-Daten der Energieverteilung in der folgenden Periode) an das Energielenkungssystem gesendet wird, und wobei vom Energielenkungssystem periodisch eine wohl-definierte zeitgesteuerte Nachricht mit den Ist-Daten des Energieeinsatzes in der vergangenen Periode an das Energieoptimierungssystem gesendet wird, und wobei im Energielenkungssystem ein Notfallplan mit Soll-Daten zur Energieverteilung vorhanden ist, der vom Energielenkungssystem verwendet wird, falls in einem festgelegten Zeitintervall keine wohldefinierte Nachricht mit Soll-Daten zur Energieverteilung vom Energieoptimierungssystem beim Energielenkungssystem eintrifft, oder wenn die empfangenen Werte der Soll-Daten nicht innerhalb von a priori spezifizierten Wertebereichen der wohldefinierten Nachrichten liegen, und wobei im Energielenkungssystem ein Schalter vorhanden ist, mit dem die Verbindung zum Internet abgeschaltet werden kann.

Ebenso wird diese Aufgabe mit einem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass vom Energieoptimierungssystem periodisch eine wohl-definierte zeitgesteuerte Nachricht mit den Soll- Daten der Energieverteilung in der folgenden Periode an das Energielenkungssystem gesendet wird, und wobei vom Energielenkungssystem periodisch eine wohl-definierte zeitgesteuerte Nachricht mit den Ist-Daten des Energieeinsatzes in der vergangenen Periode an das Energieoptimierungssystem gesendet wird, und wobei im Energielenkungssystem ein Notfallplan mit Soll-Daten zur Energieverteilung vorhanden ist, der vom Energielenkungssystem verwendet wird, falls in einem festgelegten Zeitintervall keine wohldefinierte Nachricht mit Soll-Daten zur Energieverteilung vom Energieoptimierungssystem beim Energielenkungssystem eintrifft, oder wenn die empfangenen Werte der Soll-Daten nicht innerhalb von a priori spezifizierten Wertebereichen der wohldefinierten Nachrichten liegen, und wobei im Energielenkungssystem ein Schalter vorhanden ist, mit dem die Verbindung zum Internet abgeschaltet werden kann.

Es werden somit vom Energieoptimierungssystem in einer betrachteten Periode Soll-Daten, die in der auf diese betrachtete Periode folgenden Periode verwendet werden sollen, an das Energielenkungssystem gesendet.

Weiters werden somit vom Energielenkungssystem in einer betrachteten Periode Ist-Daten des Energieeinsatzes in der auf die betrachtete Periode vergangenen Periode an das Energieoptimierungssystem gesendet wird.

Das Ziel der Erfindung wird also dadurch erreicht, dass das Energiemanagementsystem beim Endverbraucher in mindestens zwei Subsysteme unterteilt wird. Das erste, vorzugsweise hochzuverlässige, Subsystem mit einer vorzugsweise einfachen Software und im normalen Betrieb ohne einen aktiven Internetanschluss —das Energielenkungssystem— führt die Energielenkung durch. Das zweite Subsystem mit vorzugsweise komplexer Software und einem Internetanschluss — das Energieoptimierungssystem— errechnet den zum jeweiligen Zeitpunkt optimalen Energieeinsatz. Die Übergabe der Soll-Daten und der Ist-Daten des Energieeinsatzes erfolgt durch die Übertragung von wohldefinierten Nachrichten zwischen diesen beiden Subsystemen. Eine Nachricht ist wohldefiniert, wenn ihre Struktur und die erlaubten Wertebereiche der Daten a priori spezifiziert sind.

Erfindungsgemäß sind beide Subsysteme Fault-Containment Units (FCU). Eine Fault-Containment Unit (FCU) ist ein abgeschlossenes Computer System bestehend aus Hardware und Software, das mit seiner Umgebung über wohl-definierte Nachrichten kommuniziert. Ein interner Fehler einer FCU, unabhängig davon ob er durch einen vorübergehenden oder bleibenden Hardwareausfall, durch einen Entwurfsfehler in der Software oder eine Intrusion verursacht wird, führt in den meisten Fällen zu einem Ausfall einer erwarteten Nachricht und in einigen wenigen Fällen zur Übermittlung einer Nachricht, die nicht plausible Daten enthält. Aus der Sicht der Zuverlässigkeit stellt jede aktive Internetverbindung ein nicht zu unterschätzendes Risiko dar, da über eine solche aktive Internetverbindung eine Intrusion stattfinden kann. Mit aufwendigen intrusion-detection Algorithmen kann dieses Risiko reduziert, jedoch nicht ganz ausgeschaltet werden. Über die wohldefinierten Nachrichten, die über die Schnittstelle zwischen dem Energieoptimierungssystem und dem Energielenkungssystem gesendet werden, kann keine Intrusion in das Energielenkungssystem stattfinden. Erfindungsgemäß kann eine vorhandene Internetverbindung des Energielenkungssystems, die für Wartungszwecke benötigt wird, durch einen Schalter am Energielenkungssystem deaktiviert werden, so dass im Normalbetrieb keine Intrusion in das Energielenkungssystem über das Internet stattfinden kann.

Ein zeitgesteuertes Kommunikationssystem erkennt den Ausfall einer Nachricht innerhalb einer minimalen Fehlererkennungslatenz. Durch eine Plausibilitätsüberprüfung der empfangenen Daten beim Empfänger können fehlerhafte Daten erkannt werden. Erfindungsgemäß greift das zuverlässige Energielenkungssystem nach Ausfall einer Nachricht oder dem Empfang von fehlerhaften Daten auf einen statischen Notlaufplan zu, der im Energielenkungssystem vorhanden ist. Auf diese Weise wird die Energieversorgung beim Endverbraucher auch im Fall eines Fehlers oder eines Einbruchs (Intrusion) in das Energieoptimierungssystems aufrechterhalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen erläutert.

Es kann zweckmäßig sein, wenn die zeitgesteuerten Nachrichten, die zwischen den Subsystemen ausgetauscht werden, die Daten von mindestens drei aufeinanderfolgenden Perioden enthalten.

Von Vorteil kann es sein, wenn der Datenverkehr zwischen dem Energielenkungssystem und dem Energieoptimierungssystem über einen leitungsgebundenen oder drahtlosen Kommunikationskanal abgewickelt wird.

Es kann zweckmäßig sein, dass der Datenverkehr auf der Schnittstelle zwischen dem Energielenkungssystem und dem Energieoptimierungssystem von einem unabhängigen Monitor beobachtet wird, wobei diese Beobachtung den Ablauf und das Zeitverhalten des Datenverkehrs zwischen dem Energielenkungssystem und dem Energieoptimierungssystem nicht beeinflusst.

Weiters kann es von Vorteil sein, wenn das Energieoptimierungssystem eine direkte oder indirekte Mensch/Maschine Schnittstelle bedient, über die der Energieverbrauch abgefragt werden kann und auf der, falls in einem festgelegten Zeitintervall keine Nachricht mit den Ist-Daten des Energieeinsatzes vom Energielenkungssystem beim Energieoptimierungssystem eintrifft, vom Energieoptimierungssystem eine Alarmnachricht an die Mensch/Maschine Schnittstelle gesendet wird.

Günstig kann es sein, wenn das Energieoptimierungssystem den Energieverbrauch von einem oder mehreren Geräten bei einem Endverbraucher steuert.

Schließlich kann es noch von Vorteil sein, wenn das Energieoptimierungssystem über einen Internetanschluss und über intrusion detection Algorithmen verfügt.

Erklärung von verwendeten Begriffen

Im Folgenden wird die angenommene Bedeutung von wichtigen Begriffen, die in der Beschreibung verwendet werden, dargelegt.

Energielenkungssystem: Eine Fault-Containment Unit die im Normalbetrieb die Energieverteilung entsprechend den vom Energieoptimierungssystem empfangenen Soll-Daten durchführt. Ein Energielenkungssystem entspricht im Wesentlichen einem handelsüblichen PV-Wechselrichter mit dem entscheidenden Unterschied, dass ein eventuell vorhandener Internetanschluss im Normalbetrieb durch einen Schalter deaktiviert werden kann.

Energieoptimierungssystem: Eine Fault-Containment Unit, die über einen Internetanschluss verfügt und unter den gegebenen Marktbedingungen, dem vorhergesagten Wetterbedingungen und dem geplanten Energieverbrauch beim Endverbraucher den optimalen Einsatz der Energie errechnet und die entsprechenden Soll-Daten über eine wohldefinierte Datenschnittstelle periodisch an das Energielenkungssystem sendet.

Fault-Containment Unit: Ein abgekapseltes Computersystem bestehend aus Hardware und Software, das mit seiner Umgebung wohldefinierte Nachrichten austauscht.

Fehlererkennungslatenz: Das Zeitintervall zwischen dem Auftreten eines Fehlers und dem Erkennen eines Fehlers.

Fehlerfall: Ausfall der Kommunikation zwischen dem Energieoptimierungssystem und dem Energielenkungssystem. Ist-Daten: Die Daten über den stattgefundenen Energieeinsatz in einer spezifizierten Periode.

Intrusion: Ein Einbruch (erfolgreicher Hackerangriff) in ein Computersystem. intrusion-detection Algorithmus: Ein Algorithmus, mit dem eine Intrusion erkannt werden kann.

Normalbetrieb: Ein Zustand, während dem das Energielenkungssystem, das Energieoptimierungssystem und die Datenübertragung zwischen diesen Systemen spezifikationsgemäß funktionieren.

Notlaufplan: Eine Datenstruktur im Energielenkungssystems, die angibt, wie die Energieverteilung im Energielenkungssystem abgewickelt werden soll, wenn keine plausiblen Soll-Daten vom Energieoptimierungssystem empfangen werden.

Plausible Daten: Daten, die innerhalb der erlaubten Wertebereiche einer wohldefinierten Nachricht liegen. Daten, die nicht innerhalb der erlaubten Wertebereiche einer wohldefinierten Nachricht liegen, sind fehlerhaft.

Signalleitung: leitungsgebundener oder drahtloser Kanal zur Übertragung von Daten.

Steuerungssignal: Ein Signal zur Steuerung eines Geräts.

Soll-Daten: Daten, die die Energielenkung in einer spezifizierten Periode vorgeben.

Stromleitung: Leitung zur Übertragung elektrischer Energie. wohldefinierte Nachricht: Eine Nachricht, in der die Struktur und die erlaubten Wertebereiche der Daten a priori spezifiziert sind. wohldefinierte zeitgesteuerte Nachricht: Eine wohldefinierte Nachricht, deren periodische Empfangszeitpunkte spezifiziert sind.

Im Folgenden ist die Erfindung an Hand der einzigen Figur 1 näher erörtert. Figur 1 zeigt eine mögliche Realisierung eines Energie-Management-System bei einem Energieendverbraucher. Die gezeigte und beschriebene konkrete Realisierung stellt nur eine von vielen Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt in der Mitte links ein Energielenkungssystem 110, das über den drahtlosen oder leitungsgebundenen Kommunikationskanal 140 mit dem Energieoptimierungssystem 150 in der Mitte rechts der Fig. 1 verbunden ist. Über diesen Kommunikationskanal 140 werden die periodisch wohldefinierten Nachrichten mit den Ist-Daten 141 und den Soll-Daten 142 übertragen. Um den transienten Ausfall von zwei aufeinanderfolgenden Nachrichten tolerieren zu können, beinhaltet die Nachricht 141 die Ist-Daten von mindestens drei der vergangenen Perioden und die Nachricht 142 die Soll-Daten für mindestens drei der folgenden Perioden.

Erfindungsgemäß können die Ist-Daten 141 und Soll-Daten 142 auf dem Kommunikationskanal 140 von einem unabhängigen Monitor beobachtet werden, ohne den Ablauf und das Zeitverhalten des Datenverkehrs zwischen dem Energielenkungssystem 110 und dem Energieoptimierungssystem 150 zu beeinflussen.

Vom Energielenkungssystem 110 führen die Stromleitungen 111, auf denen elektrische Energie übertragen werden kann, zu einer Batterie 112, zum öffentlichen elektrischen Netz 113, zu einer Photovoltaik (PV) Anlage 114 und zu den Endverbrauchern 115. Die gewünschte Leistung der Endverbraucher 115 kann über die drahtlose oder leitungsgebundene Signalleitung 153 vom Energieoptimierungssystem 150 dynamisch festgelegt werden. Am Energielenkungssystem 110 befindet sich der Schalter 116, mit dem die Internetverbindung im Normalbetrieb deaktiviert werden kann.

Vom Energieoptimierungssystem 150 führen drahtlose oder leitungsgebundene Signalleitungen 153, auf denen Nachrichten übertragen werden können, zu der Cloud 151, in der die langfristige Speicherung der Daten erfolgt, zu einer Mensch/Maschine Schnittstelle 152 und zu den Endverbrauchern 115.

Die Mensch/Maschine Schnittstelle 152 kann über ein mobiles Telefon hergestellt werden. Über die Mensch/Maschine Schnittstelle 152 können der Energieverbrauch abgefragt und die geplante Energieleistungen der Endverbraucher festgelegt werden. Falls in einem festgelegten Zeitintervall keine Nachricht mit den Ist-Daten des Energieeinsatzes vom Energielenkungssystem 110 beim Energieoptimierungssystem 150 eintrifft, wird vom Energieoptimierungssystem 150 eine Alarmnachricht an die Mensch/Maschinen Schnittstelle gesendet.

Im Normalbetrieb holt sich das Energieoptimierungssystem 150 über die Signalleitung 153 die aktuellen Wetterdaten und die Preisdaten der Netz-Energie und bekommt vom Benutzer über die Mensch/Maschinen Schnittstelle 152 den gewünschten Energieeinsatz. Über den Kommunikationskanal 140 werden die Ist-Daten 141 der Energieerzeugung und des Energieeinsatzes in der vergangenen Periode vom Energielenkungssystem 110 geliefert. Aus all diesen Daten errechnet das Energieoptimierungssystem 150 den optimalen Energieeinsatz in der folgenden Periode und sendet diese Soll-Daten 142 an das Energielenkungssystem 110, das die spezifizierte Energieverteilung vornimmt.

Um eine versuchte Intrusion in das Energieoptimierungssystem 150 erkennen und abwehren zu können, enthält das Energieoptimierungssystem 150 intrusion-detection Algorithmen.

Ein Fehlerfall liegt vor, wenn das Energieoptimierungssystem 150 oder der Kommunikationskanal 140 zwischen dem Energielenkungssystem 110 und dem Energieoptimierungssystem 150 ausgefallen ist oder wenn das Energielenkungssystem 110 Nachrichten 142 mit Werten, die außerhalb der spezifizierten Wertebereiche der wohldefinierten Nachrichten liegen, empfängt. In diesem Fall übernimmt das Energielenkungssystem 110 die Soll-Daten aus einem Notlaufplan des Energielenkungssystems 110 und steuert den Energiefluss entsprechend diesem Notlaufplan.