INTERNATIONAL

ELECTROTECHNICAL

COMMISSION

Lösungen aus CIM-Sicht:

Ein Überblick über konkrete Anwendungen

gbuchweitz@psi.de

tatjana.kostic@ch.abb.com (Vortrag)

reinhard.kuessel@de.abb.com

rainer.ruediger@siemens.com

kai.schlabitz@schneider-electric.com

DKE/VDE Workshop “CIM in der Praxis”

14. Oktober 2015

Frankfurt am Main

2

Über CIM

Anwendungsbeispiele

Netzmodell Austausch (CGMES bei ENTSO-E, BE)

Integration DMS / GIS (DONG Energy, DK)

Integration DMS / Smart Meters / Markt (MeRegio, DE)

Zum Abschluss

Allgemeine Erfahrungen

Ausblick

Kurzfassung

CIM: Common Information Model

CGMES: Common Grid Model Exchange Standard

DMS: Distribution Management System

GIS: Geographic Information System

MeRegio: Minimum Emission Regions

ÜBER CIM

Kurze Kontextbeschreibung, was ist CIM und was nicht, Profile

3

Über CIM:

CIM @ IEC TC57

4

Communication Bus

EMS apps

Control Centre B

IT system - 1 IT system - n

Substation / Plant,Field device

61970

6197061970

61968 61

96

8

61850

61

96

8

61850

60

87

0-6

(TA

SE.2

)

61

33

4

60

87

0-5

-1

01

/10

4

60

87

0-5

-10

2

60870-6(TASE.2)

DMS apps

SCADA Inter-CC data-link Inter-CC data-link

61970

Protection, Control, Metering

RTU

60834

Switchgear, Transformers, Instrumental transformers

Protection, Control, Metering

Substation Automation System

60870-5-103

61970

61968

61850

DMS/IT: WG14 (CIM)

EMS: WG13 (CIM)

SAS: WG10, WG17, WG18, TC88

Substation Automation System,Distributed Energy Resources,

Hydro plants,Wind generation

61850

61850

MMS apps

62325 MMS: WG16 (CIM)6

23

25

61970

61968

62325

www61968

623253rd party IT system/app

61

85

0

Control Centre A

OtherBusiness

Über CIM:

Was ist CIM und was nicht

IST das Konzept für die Definition

von Softwareschnittstellen

IST ein abstraktes Datenmodell

(Canonical Data Model)

Nicht implementierbar ohne

Beschränkungen (Profile)

IST Basis für Semantik, Struktur

und Format/Syntax für

Datenaustausch5

IST KEIN konkretes Modell

CIM UML ist Ontologie (d.h., ein allgemeines Netz von abstrakten Objekten)

IST NICHT geeignet als internes Anwendungsdatenmodell oder Objektmodell

Wird trotzdem als solches verwendet...

Konzipiert für Datenaustausch

Suboptimal für viele Anwendungen

IST KEIN Kommunikationsprotokoll

Datenübertragung ist offen (absichtlich)

Empfohlene Mechanismen sind JMS (Java Message Service) und Web Services

Integration bus

Über CIM:

Von CIM UML bis zu Nutzdaten

CIM UML

Abstraktes Modell mit ~1600 UML Klassen!

Profil

Untermenge von CIM UML für einen spezifischen Datenaustausch (z.B., 5-50 CIM Klassen)

Nutzdaten Schema

XSD (XML Schema) oder RDFS (RDF Schema) Austauschformat («serialisation»)

Wird benötigt für die Implementierung

Nutzdaten Instanz

Daten, die eine Anwendung erzeugt oder benötigt

Konformität

CIM (UML) Konformität existiert nicht

Nur die Instanzdaten können mit dem CIM Profil XYZ/ABC/… konform sein

6

Informationsmodelle

Kontext

Datensyntax

Nutzdaten

CIM UML

Profil

Nutzdaten Schema

(XSD, RDFS, …)

Nutzdaten Instanz

(XML, RDF, …)

abgeleitet von

abgeleitet von

validiert gegen

UML: Unified Modeling Language

XML: Extensible Markup Language

XSD: XML Schema Definition

RDF: Resource Description Framework

RDFS: RDF Schema

Über CIM:

Profile / Schemata Definition

7

*

Die Daten:• Nutzdaten in der Message

• Validiert gegen Schema

Profil = Spezifizierung• Untermenge von CIM UML

(nur 4 von ~25 Klassen)

• Wird übersetzt in ein Schema

Über CIM:

Anwendungen

In Deutschland / Schweiz / Österreich bisher keine bzw. kaum

umfassende Anforderungen, CIM zu verwenden

Das ändert sich aber derzeit

EMS/DMS und andere Systeme verfügen über die

Schnittstellen

Dateienaustausch im CIM-Format

Datenimporte / -exporte bei Übertragungs- / Verteilnetzbetreibern

Betriebsmittel, Sachdaten, Zustände

Messaging basiert auf CIM-abgeleiteten Nutzdaten

Intelligente Zähler und Kundenmanagementsysteme

Outage-, Asset- und Work- Management

Austausch mit Strommarkt

…

Unterstützung von Standard- so wie nicht-standardisierte

Erweiterungsprofilen und Anwendungen (z.B., Model-

Repository) 8

NETZMODELL AUSTAUSCH

(CGMES BEI ENTSO-E, BE)

Anwendungsbeispiel 1

9

CGMES: Common Grid Model Exchange Standard

Für Datenkonsistenz ist Excel nicht genug!

Common Grid Model Exchange Standard

(CGMES), von CIM abgeleitet

Austauschformat für den paneuropäischen Raum

Löst das bisher benutzte Format UCTE-DEF ab

Alle TSO liefern „ihre Netze“ im gleichen Format;

ENTSO-E kann diese Netze dann zu einem

Gesamtnetz „zusammensetzen“

Gemeinsame Datenaustauschsprache

Bessere Datenkonsistenz zwischen Planung-,

Betriebs- und Marktsystemen

Bessere gemeinsame Studien

Häufiger und zuverlässiger Austausch immer

wichtiger zwischen den ENTSO-E Netzbetreibern

Zielsetzung: Gleiche Projektresultate (z.B.

Leistungsfluss) aus gemeinsamen CIM und

verschiedenen Softwareanwendungen

Netzmodell Austausch:

Einsatz von CIM bei der ENTSO-E

10Content reused and adapted with permission of Ch. Ivanov of ENTSO-E.

TSO: Transmission System Operator

NMD: Network Modelling Database

ENTSO-E NMD

TSO TSO TSO

CIM

CIMCIM

Netzmodell Austausch:

CIM Implementierung – das Positives

2015: Jeder TSO hat Software, die das Langzeitplanungsmodell in CGMES exportiert

Jedoch, nicht jede Software hat die ENTSO-E CGMES Konformität erreicht

11

2007-2008 UCTE

planning model

2013 ENTSO-E

RG CE TYNDP* model

Target CGMES

with CIM16

Data collection +

validation7 months (UCTE DEF,

PSS/E, Excel,…)2 months (CIM) -71%

Minutes (use for

operational

planning)

Model assemblingManual process – 3

months

NMD – 20 min

Effort to reach load

flow in one tool 10 hours -99.6%

Model size Nodes: 10800,

Lines: 14400,

Loads: 6300,

Generators: 2050,

Transformers: 3200.

Nodes: 19000, +76%

Lines: 17600, +22%

Loads: 10700, +70%

Generators: 14600, +232%

Transformers (2w): 5100,

Transformers (3w): 1300, +100%

Breakers: 2100, New !

Content reused and adapted with permission of Ch. Ivanov of ENTSO-E.

*RG CE TYNDP: Regional Group Continental Europe Ten-Year Network Development Plan

Netzmodell Austausch:

Einsatz von CIM bei den TSO

Export des betreffenden Netzdatenmodells

– statisch + dynamisch – an ENTSO-E

(Schnappschüsse, Vorschaudaten)

Import der Nachbarnetze,

um Netzberechnungen im eigenen Netz mit

Berücksichtigung der Nachbarnetze

durchführen zu können

Berechnet wird

„das eigene Netz“ mit „1. + 2. Masche“ der

angrenzenden Fremdnetze

Zielsetzung:

Prognosen (IDCF, DACF, D2CF, …) für

betroffenen ÜNB, mit Engpassuntersuchung

Bilddatenaustausch für Netzgrafik

Verwendung auch beim Datenaustausch

zwischen eigenen Anwendungen (EMS/DMS

und externen Softwarepaketen)

12ÜNB: Übertragungsnetzbetreiber (TSO)

IDCF, DACF, D2CF: Intraday, day ahead and 2-day ahead Congestion Forecast

ENTSO-E NMD

TSO TSO TSO

CIM

CIMCIM

INTEGRATION DMS / GIS

(DONG ENERGY, DK)

Anwendungsbeispiel 2

13

Integration DMS / GIS:

DONG Energy Sales & Distribution

DONG versorgt über 1.000.000 private, öffentliche und

gewerbliche Kunden in Dänemark mit Strom und/oder Erdgas

Das elektrische Verteilnetz konzentriert sich um Kopenhagen und

dem nordöstlichen Teil von Seeland

Die Kabel- und Freileitungslänge beträgt ungefähr 19.000 km, im

Netz befinden sich ungefähr 10.000 Trafostationen

Ungefähr 970.000 Entnahmestellen werden mit Strom versorgt,

das entspricht 30% der Entnahmestellen in Dänemark

Die Gesamtmenge an verteilter Elektrizität betrug im Jahre 2010

ca. 9.100 GWh

Projekt Erneuerung der Netzleittechnik (Start 2012)

Integration der Daten aus Unternehmenssystemen in die

Netzleittechnik, z.B. der GIS-Daten mit Hilfe von CIM

14Quelle: DistribuTECH, Präsentation von Jesper Vinther Christensen, Similix und Signe Bramming Andersen, DONG Energy

Integration DMS / GIS:

Kopplung von Netzbetrieb, Instandhaltung und

Investitionsplanung

15

Esri ArcGIS

•Unterstützt Planungs- und Wartungsprozesse

•Führendes System für das statische Netz und Besitzer des

Normalschaltzustandes

•Visualisierung und kartographische Darstellung

Schneider Electric ADMS

•Betriebsführungsperspektive

•Führendes System für den dynamischen Netzzustand und

Besitzer des aktuellen Netzzustandes

•Fehler- und Alarmbehandlung

•Trainings – und Playback-Szenarios

DONG Energy/Schneider GridHub

•Risiko-, Eventualitäts- und Investitionsplanung

•Zeitreihenanalyse

•Momentaufnahme des dynamischen Modells

•4 Milliarden neue Datensätze pro Jahr

Quelle: DistribuTECH, Präsentation von Jesper Vinther Christensen, Similix und Signe Bramming Andersen, DONG Energy

Integration DMS / GIS:

Kundenmotivation für die Auswahl von CIM

Das CIM-Model wird entwickelt und unterstützt von

wichtigen internationalen Versorgern und Herstellern

CIM ist ein Domänenmodel für Versorger mit detaillierten

Definitionen von Objekten und Eigenschaften

Die eindeutigen und detaillierten Definitionen dienen als

Validierungstool und Austauschformat

Als Teil der Erstellung der Schnittstelle zum neuen

Netzleitsystem wurden mehr als 600 Datenelemente aus

GIS und SAP auf CIM abgebildet

Jedes integrierte System hat einen oder mehrere CIM-

Adapter

CIM ist als Model-Repository mit Versionskontrolle

implementiert und ermöglicht jedem System den Wechsel

auf eine neue Version wenn es in die Roadmap passt

CIM-Integration ist der sichere Weg, um mehrere

Projektänderungen gleichzeitig in unterschiedlichen

Systemen zu verwalten

Da ein bestimmtes Datenelement nur einmal abgebildet

werden muss, reduziert CIM die Kosten für zukünftige

Integrationen, natürlich nur, wenn diese auch auf CIM

basieren 16Quelle: DistribuTECH, Präsentation von Jesper Vinther Christensen, Similix und Signe Bramming Andersen, DONG Energy

MDM: Meter Data Management

WFM: Workforce Management

OMS/LV: Outage Management

System / Low Voltage

INTEGRATION DMS / SMART

METERS / MARKT (MEREGIO, DE)

Anwendungsbeispiel 3

17

MeRegio: Minimum Emission Regions

Smart Meters:

Kopplung von Erneuerbaren Ressourcen

und Energiehandel (Verteilnetz)

Einrichtung

~1’000 Pilotkunden von EnBW :

800 Verbraucher (Häuser, Industrie)

150 dezentrale Erzeuger von erneuerbaren

Energien

50 Speicher

Durch den Einbau von Smart Metern und

Fernwirktechnik (RTU) wurde die smart

grid Infrastruktur hergestellt

Projektzielsetzung

Entwicklung einer Energiehandels-

Plattform auch auf Verteilnetz Ebene

Erhöhung der Energieeffizienz durch

Kopplung von Verbrauchern und lokaler

Erzeuger im Energiemarkt

Kopplung von IT, Netzleitsystem und

Intelligenten Zählern durch CIM;

Anwendungen; Analyse

18

ConsumptionGeneration / Storages

Distribution Autom.RTU, communication

Interface to

Smart Meters

Network ControlSCADA and

network application

Market Placebalancing power / energy

Market Placeancillary services

Accountingnetwork usage and

ancillary services

Accounting

CORE

PlattformMiddleware

Smart MetersSmart Meters

Web-Services / E-MailWeb-Services / E-Mail

Kontext

MeRegio Konsortium Projekt

Eins von 6 E-Energy Projekten

(Okt. 2008-Okt. 2012)

Smart Meters:

Was wurde durch CIM-Profile ausgetauscht?

Alle 15min, Zählerdaten und Last/Erzeugung Prognosen für die nächsten 24h

Alle 15min, vorausschauende Lastflussrechnungen für die nächsten 6h

Engpassbeseitigung dank der Resultate der vorausschauenden Lastflussrechnungen

19Quelle: Cigre Bologna Symposium, 2011, Präsentation von C. Franke, T. Kostic, K. von Sengbusch, I. Stoyanova

Versionen von «PrioritySignal-s» zur Beseitigung von Netzengpässen.

Kommunikation mit Zählern

und RTUs mit Standard

Profilen (nicht gezeigt).

Smart Meters:

Erweiterter Profil Beispiel

20

XML Schema (Format / Struktur) XML Nutzdaten

Quelle: Cigre Bologna Symposium, 2011, Präsentation von C. Franke, T. Kostic, K. von Sengbusch, I. Stoyanova

ZUM ABSCHLUSS

Was Sie von diesem Beitrag mitnehmen sollen

21

Zum Abschluss:

Allgemeine Erfahrungen (1)

CIM ist heute die Basis für Datenaustausch und

Systemintegrationen bei den Versorgern auf allen Ebenen:

Von der Höchstspannung bis zum Intelligenten Zähler;

Vom SCADA-System inklusive Netzapplikationen (in fast Echtzeit) bis

Enterprise Analytics, Planungsanwendungen und B2B (business to

business) Messaging

Nutzung einer Untermenge der CIM-Objektbeschreibungen

Die Objektbeschreibungen müssen zwischen Beteiligten genau

spezifiziert werden: „CIM-Profil“

Teilweise komplexe Definitionsarbeit !

Viele Standardprofile existieren; Erweiterungen auch

z.B., «CIM-Format» primär für den Austausch statischer Daten

(Objektdaten), d.h. Import/Export von Netzmodellen

Bei CGMES: Vorgabe durch ENTSO-E

Weltweit: Vorgabe von Standard-CIM-Profilen

22

Zum Abschluss:

Allgemeine Erfahrungen (2)

CIM als internes Datenmodell (Hersteller, Anwender)?

Normalerweise nicht, keine Verwendung bei interner Verarbeitung

Standardprofile sind optimiert für Datenaustausch

Manche verwenden es, entgegen der Empfehlung

OK, so lange diese nicht zum Standard werden (weil zu spezifisch!)

CIM-Einführungsprozess

Hilft bei der Bereinigung von existierenden Daten

Hilft bei der Reduktion von Integrationskosten

Schnittstellen: N x (N-1) N x 1

Es lohnt sich ab N=3 Schnittstellen

UML hilft bei IT und OT Konvergenz

Businessprozess-Analyse

Anforderungen

Datenaustauschmodell

23IT: Information Technologies

OT: Operations Technologies

Zum Abschluss:

Ausblick

Erhöhter Kostendruck bei EVUs allgemein und

Mengenanforderungen (Objektanzahlen, vielfältige

Schnittstellen,...) infolge der Aufgabenstellungen der

Energiewende erfordern den verstärkten Einsatz genormter

Schnittstellen.

Komplexität bedingt entsprechend sorgfältige, zwischen den

Beteiligten abgestimmte Definitionen, die dann umzusetzen

sind.

Betroffenes Personal muss entsprechend ausgebildet werden !

CIM Ökosystem ist dynamisch und für Wachstum und

Erweiterungen gut geeignet – bitte einsteigen !

24

INTERNATIONAL

ELECTROTECHNICAL

COMMISSION

25

Danke!