Dezentrales Energiemanagement für Chinas Energienetz über Edge-Server-Layer

Embedded-Server-Technologie für den Edge-Bereich von Smart Grids

Der Energy-IoT Partner von Tencent will das Management der dezentralen Energieerzeugungs- und Verbrauchsprozesse in der Volksrepublik China optimieren, indem er eine neue Überwachungs-, Management- und Steuerungsebene auf Basis von verteilten Edge-Servern einführt. Die kleinen und robusten High-Speed-Server stellen Echtzeitverbindungen zu allen relevanten Komponenten her, die für das dezentrale Energiemanagement erforderlich sind. Im Shanghai Business Park wurde diese neue Edge-Server-Layer erstmalig eingeführt. Die Server basieren auf echtzeitfähigen Server-on-Modules von congatec, die von Intel® Xeon® bis Intel® Atom® C3xxx-Prozessoren skalierbar sind. Sie decken damit ein breites Performance- und Schnittstellenspektrum ab, so dass sie die vor Ort gegebenen Automatisierungsanforderungen flexibel erfüllen können.

Die komplexe Netzwerktopologie eines dezentralen Energienetzes stellt hohe Ansprüche an Echtzeitinformationen und Synchronisation, um die Netzlast effizient und wirtschaftlich auszubalancieren. Aufgrund heterogener Anforderungen kommen weltweit viele, höchst unterschiedliche Lösungen für nahezu jeden speziellen Bedarf zum Einsatz, um die Energieunternehmen bei der Realisierung möglichst intelligenter Betriebsabläufe unterstützen zu können. Bis heute gibt es jedoch keinen Ansatz, der alle relevanten Energiemanagementgeräte ganzheitlich über lokale Edge-Server-Plattformen verbinden kann. Eine solcher neuer, lokaler Layer wäre in der Lage, das gesamte energetische Ökosystem aller beteiligten Energieerzeuger und -verbraucher zu verwalten.

Smart Grid Edge-Server
Smart Grid-Technologien kommen in den Bereichen Stromerzeugung, -verteilung und -verbrauch zum Einsatz. Viele neue Herausforderungen entstehen heute durch regenerative Energien und den sich daraus ergebenden Anforderungen eines dezentralen Energiemanagements. Die neuen Edge-Server-Plattformen sind so konzipiert, dass sie alle Funktionen bieten, die für das Energiemanagement vor Ort benötigt werden – von Mikro-Grids bis hin zu Smart Cities. Sie alle nutzen verschiedene regenerative Energiequellen und benötigen damit auch ein lokales Lastmanagement. Grafik: congatec AG

Dieser Layer könnte beispielsweise Kernapplikationen für die Multi-Energie-Versorgung bereitstellen, einen Rückkanal für verbraucherseitige Anforderungen anbieten, das komplette Umweltmanagement übernehmen und die Grundlage für ein effizientes Betriebs- und Wartungsmanagement bilden. Ebenfalls möglich wäre die Bereitstellung anwenderorientierter Energiedienstleistungen, wie sie beispielsweise Chinas regional eingebundene Energiedienstleister (Energy Service Companies, kurz: ESCOs) benötigen. Durch die Integration fortschrittlicher Technologien wie Tencents Distributed Service Framework (TSF) und Energy IOT sowie Big-Data-Analysen und -Visualisierungen würden die ESCOs zudem dabei unterstützt, ihre Betriebs- und Wartungseffizienz zu optimieren und Energie zu sparen.

Lokale Edge-Server für schnelleren Datenaustausch

Um einen derart umfangreichen Service anbieten zu können, haben die chinesischen Energiemarktexperten des Energie-IoT-Partners von Tencent die technischen Fähigkeiten der Tencent Cloud erheblich ausgebaut. Hierfür haben sie unter anderem intensiv mit Energieversorgern, branchenführenden Dienstleistern, Universitäten und Forschungsinstituten zusammengearbeitet, um den integrierten ESCOs eine serviceorientierte und multifunktionale Edgeserver-Infrastruktur zur Verfügung stellen zu können. Durch Innovation und die Integration neuster Informations- und Energiemanagementtechnologien soll letztlich die schnelle Transformation der noch traditionell aufgestellten Energiedienstleistungsunternehmen unterstützt werden. Ist der Dienst erst vollständig verfügbar, wird dieser Tausende Stromversorgungsgeräte und Hunderte Stromversorgungsprotokolle sowie die Online-Bearbeitung gängiger Standardprotokolle und die dynamische Konfiguration gängiger Standardgerätetypen unterstützen.

Tencent IoT Energy Platform
Die Edge-Server-Technologie wird von der Tencent Cloud und einem IoT-Hub flankiert und soll den neuen Edge-Server-Layer für Chinas smartes Energieversorgungsnetz bereitstellen. Durch die Unterstützung hunderter Protokolle ist sie in der Lage, Tausende unterschiedliche Erzeuger und Verbraucher anzubinden, um den Zugang zu Milliarden von Energieequipment-Installationen zu ermöglichen und Billionen von Nachrichten zu übertragen. Grafik: congatec AG

Solche Anforderungen lassen sich nicht über zentrale Clouds oder Server abbilden, da zur effektiven Steuerung eine schnelle Reaktionszeit unter 10 Millisekunden zwingend erforderlich ist. Nur so kann das Steuerungssystem akkurat auf variierende Stromquellen und Stromsenken reagieren. In einer zentralen Cloud-Topologie liegen die Datenlaufzeiten in der Regel jedoch bei 150 bis 200 Millisekunden von der Quelle zur zentralen Cloud und zurück. Lokal eingesetzte Edge-Server können die Datenaustauschzeiten zwischen Energieanlagen und Steuerungen auf 2 bis 5 Millisekunden reduzieren. Dadurch werden Latenz und Reaktionszeiten deutlich verkürzt, was die Leistungsfähigkeit von Smart-Grid-Anwendungen entsprechend optimiert.

Kapazitäten für die Übermittlung von Milliarden Nachrichten

Das Ziel des Entwicklungsprozesses ist es letztlich, die Cloud näher an das Edge des chinesischen Energienetzes zu bringen. Hierzu war es erforderlich, ein Edge-Server-System zu entwickeln, das in der Lage ist, alle heterogenen lokalen Protokolle und Verbindungen zu unterstützen. Auch muss es eine entsprechend hohe Rechenleistung bereitstellen, um Protokolltranscodierung, KI und die Echtzeitkontrolle der zahlreichen Geräte im Feld zu ermöglichen sowie die erforderliche Bandbreite bieten, um Milliarden von Nachrichten mit allen beteiligten Geräten austauschen zu können.

Eine weitere Anforderung war es, dass die neue Edge-Server-Technologie für die rauen Einsatzbedingungen im Feld ausgelegt sein sollte, also beispielsweise resistent sein muss gegen hohe und niedrige Temperaturen sowie gegen Stöße und Vibrationen. Auch sollte sie serverähnliche Fernverwaltungsfunktionen für zuverlässigen Betrieb und reduzierten Wartungsaufwand bieten. Da diese Systeme auch als lokale IoT-Gateways/Hubs für den Austausch mit der zentralen Tencent-Cloud dienen und darüber hinaus die schnelle Ausbringung von Energiegeräten über QR oder Barcode-Scans auf mobilen Geräten ermöglichen sollen, müssen sie auch eine leistungsfähige Uplink-Verbindung zur zentralen Cloud bereitstellen.

ESCO China Dashboard
Ein einziges Dashboard liefert alle Informationen, die Chinas regional integrierte Energiedienstleister (ESCOs) benötigen, um die Betriebs- und Wartungseffizienz zu optimieren und Energie zu sparen. Foto: congatec AG

Heute werden die Systemintegratoren durch einen One-Click-Scan Code unterstützt, um Stromversorgungsgeräte vor Ort rasch in Betrieb nehmen zu können. Mit einem solchen Scan-Code können sie jedes Device schnell mit dem Edge-Server und dessen Cloud (die auch als „Fog“ bezeichnet wird) verbinden und bedarfsgerecht parametrieren. Darüber hinaus kommen auch berührungslose Sensoren zum Einsatz, um im Deploymentmodus sowohl eine kontinuierliche Installation als auch die Fehlersuche zu ermöglichen.

Eine virtuelle Gerätebibliothek unterstützt den Anwender bei der Geräteauswahl und -evaluierung. Mit all diesen hilfreichen Funktionen und computergestützten Workflows wurde der Installations- und Bereitstellungszyklus von Geräten von einem Tag auf eine Stunde reduziert. Die obere Schicht der Installation verwendet Zertifikate oder Schlüssel-Authentifizierungsmethoden, um den sicheren Zugriff auf die Geräte zu gewährleisten.

Erste reale Anwendungen

Seit Mai 2018 sind die ersten Feldtests der neuen Energy-Edge-Server-Plattform abgeschlossen und die ersten realen Anwendungen kommen nun im Shanghai Business Park zum Einsatz. Dort wird auch die Echtzeit-Erfassung unterschiedlichster Daten durchgeführt – für dynamisches Monitoring, Energieanalyse, Kostenrechnung und Leistungsbewertung sowie für Berichtsfunktionen die für die Veröffentlichung des Verbrauchs, die Optimierung des Energiemanagements und für Energiesparaktionen erforderlich sind. Zum Leistungsspektrum zählen zudem Sicherheitsaufgaben sowie das Management von Ein- und Verkaufsverträgen – einschließlich Risiko- und Energieeffizienz-Management.

Noch beeindruckender sind die zukünftigen Ziele, die mit massiven, intelligenten und schnellen Querverbindungen möglich werden: Durch die Kombination der Rechenleistung des globalen Rechenzentrums der Tencent Cloud und mit leistungsstarken Edge-Computern, kann der neue Edge-Server-Layer Milliarden Zugangspunkte zum Energieequipment verwalten und zuverlässig Billionen von Nachrichten übertragen.

Um die Energieeffizienz von Haushalten über Mikrogrids bis hin zu Smart Cities und virtuellen Netzen zu maximieren, realisiert die dezentrale Edge-Server-Logik all dies in Echtzeit und zu extrem niedrigen Kosten. Um eine landesweite Edge-Server-Infrastruktur für China aufzubauen, sind ungefähr 1,26 Millionen Edge-Server erforderlich beziehungsweise ein Edge-Server pro 1.000 Einwohner. Der erste Grundstein wurde bereits mit der Installation im Shanghai Business Park gelegt.

Edge-Server-on-Module
Durch das Server-on-Module-Design ist die Edge-Server-Hardwareplattform bezüglich Prozessorleistung und I/O-Schnittstellen hoch skalierbar, ohne da Design ändern zu müssen. Die Module basieren auf der COM Express Type 7 Spezifikation der PICMG. Der Hardware-Anbieter ist congatec, der in Zusammenarbeit mit seinem chinesischen VAR sowie Intel die gesamte Hardware-Plattform inklusive aller erforderlichen Tests und Services bereitstellt. Foto: congatec AG

Bei der adaptiven Hardware der neuen Edge-Geräte-Klasse haben sich die Edge-Server-Designer für ein flexibles Systemdesign auf Basis von COM-Express-Type-7-Modulen entschieden. Diese Module bieten Leistung und Funktionalität auf Server-Niveau sowie einen standardisierten Formfaktor inklusive Kühllösung. Die Module sind applikationsfertige Komponenten, die Kernfunktionen wie CPU, Control Hub und Speicher sowie USB-, PCIe- und Ethernet-Konnektivität integrieren. COM-Express-Type-7-Module sind die ersten Module dieser Art, die mehrere 10-Gigabit-Ethernet-Verbindungen bieten. Für eine schnelle Konnektivität stehen zudem bis zu 32 PCIe Lanes bereit, um beispielsweise NVMe-Speicher einzubinden – oder auch GPGPUs für Künstliche Intelligenz, um die Logik komplexer neuronaler Netze zu unterstützen. Das applikationsspezifische Design wird auf einem individuellen Carrierboard realisiert, das entsprechende Konnektoren für die Anbindung der Peripheriegeräte bietet. So lässt sich ein Carrierboard-Design über verschiedene Leistungsklassen hinweg skalieren, indem man einfach nur das Modul austauscht.

Die ersten im Einsatz befindlichen Systeme basieren auf Modulen mit Intel®-Xeon®-D15xx-Prozessoren mit bis zu 16 Kernen und 32 Threads. Mit Intel® AVX2-Erweiterung bieten die Prozessoren eine hohe Performance pro Core, wenn bei mehreren Datenobjekten identische Operationen durchgeführt werden, was zum Beispiel für KI-Anwendungen relevant ist. Außerdem unterstützen die Prozessoren auch Intel® TSX-NI, das eine Skalierung der Multi-Thread Performance ermöglicht und womit parallele Operationen effizienter abgearbeitet werden. In der Summe führen diese Funktionen zu einer überlegenen Performance-pro-Watt bei hohem Datendurchsatz und einer Gesamtleistung auf Server-Niveau. Eine alternative Konfiguration wurde mit Intel® Atom® C3xxx Prozessoren umgesetzt. Mit bis zu 16 Kernen sind diese Prozessoren die ideale Lösung für all die Installationen, die mit kleineren Gehäusegrößen auskommen müssen und deren Energieverbrauch eine TDP von 11W nicht übersteigen darf. Beide Module bieten ECC-RAM für hohe Datenintegrität und unterstützen den erweiterten Temperaturbereich von -40°C bis +85°C für höchste Zuverlässigkeit auch unter extremen Bedingungen. congatec stellt in Zusammenarbeit mit seinem chinesischen Value Added Reseller (VAR) sowie Intel, die gesamte Hardware-Plattform als Boxsystem inklusive aller erforderlichen Tests und Dienstleistungen bereit.

“Es ist großartig, mit congatec an diesem Energy Edge Server-Projekt zu arbeiten, über das viele neue Dienstleistungen ermöglichen werden. Da uns congatec einen lokalen Ansprechpartner hier in China zur Verfügung stellt, ist es für uns sehr einfach und bequem, die jeweiligen Anforderungen zu synchronisieren. Zudem ist congatec führend bei der COM Express Type 7 Standardisierung, sodass wir keinen besseren Lieferanten hätten wählen können”, sagt Zhang Zhidong, CTO des Energy IOT Partner von Tencent.

www.congatec.com