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Ebook: Semantic Service Integration for Smart Grids
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The scope of the research presented in this publication includes semantic-based integration of data services in smart grids achieved through following the proposed (S²)In-approach developed corresponding to design science guidelines. This approach identifies standards and specifications, which are integrated in order to build the basis for the (S²)In-architecture.
A process model is introduced in the beginning, which serves as framework for developing the target architecture. The first step of the process stipulates to define requirements for smart grid ICT-architectures being derived from established studies and divided into two classes: architecture and non-functional requirements (NFR). Based on the architecture requirements, the following specifications have been basically selected: The IEC CIM representing a domain-specific data model, the OPC UA being a communication standard with special respects to information modeling, and WSMO as an approach to realize the concept of Semantic Web Services.
The next step specifies to develop both, a semantic information model (integration of CIM and OPC UA) and semantic services (integration of CIM and WSMO). These two components are then combined to obtain the target architecture, which allows precise descriptions of services as well as their combination and semi-automatic execution.
Finally, the NFR are considered in order to evaluate the architecture based on simulated, representative use cases.
Das Energieversorgungssystem der Zukunft, das so genannte Smart Grid, ist ein stark IT-gestütztes, hochdynamisches und multidimensionales System. Eine Herausforderung, die sich daraus ergibt und die durch den Einsatz von IT bewältigt werden kann, fokussiert den Datenaustausch in verschiedenen, bisher unabhängigen Bereichen wie z.B. zwischen der Geschäftsebene und den Geräten im Feld. In diesen Bereichen haben sich in der Vergangenheit Datenmodelle und Kommunikationsschnittstellen für den Datenaustausch etabliert. Um nun jedoch eine nahtlose Kommunikation der Akteure untereinander zu ermöglichen, ist es notwendig, die unterschiedlichen Sichten in Bezug auf den Datenaustausch zu integrieren, eine geeignete Informations- und Kommunikationsarchitektur (IKT) zu identifizieren und zu realisieren.
Im Rahmen dieser Arbeit wird daher der (S2)In-Ansatz (Semantic Service Integration) zur semantischen Serviceintegration für Smart Grids präsentiert. Im Rahmen der angestrebten Lösung sind auf Basis von umfangreichen Anforderungen, Standards und Spezifikationen identifiziert und so integriert worden, dass sie die Grundlage für eine IKT-Architektur bilden, welche automatisierte Kommunikationsabläufe in zukünftigen Smart Grids ermöglicht.
Es wird daher zu Beginn der Arbeit ein Vorgehensmodell vorgestellt, das den Rahmen für die Entwicklung der (S2)In-Architektur bereitstellt. Im ersten Schritt des Prozesses werden, basierend auf einer detaillierten Literaturrecherche, Anforderungen an IKT-Architekturen für Smart Grids erhoben. Diese werden in zwei Gruppen unterteilt: Die erste Gruppe umfasst Anforderungen an die Architektur an sich und die zweite Gruppe enthält nicht-funktionale Anforderungen (NFA), die zur späteren Evaluation herangezogen werden. Ausgehend von den Architekturanforderungen werden im nächsten Schritt Standards und Spezifikationen in den Bereichen Informationsmodell, Domänenmodell, und Services als weitere Basis selektiert. Für die (S2)In-Architektur sind dies das IEC Common Information Model (CIM) als domänenspezifisches Datenmodell, die OPC Unified Architecture (UA) als Kommunikationsstandard, und die Web Service Modeling Ontology (WSMO) als Ansatz zur Realisierung semantischer Web Services. Im nächsten Vorgehensschritt werden parallel, sowohl ein semantisches Informationsmodell (Integration von CIM und OPC UA) als auch semantische Services (Integration von CIM und WSMO) entwickelt. Im finalen Schritt werden diese beiden Komponenten zur Zielarchitektur, der (S2)In-Architektur, zusammengeführt. Diese Architektur ermöglicht eine genaue Beschreibung gesuchter/angebotener Dienste sowie deren Kombination und semi-automatische Ausführung. Durch die gemeinsame semantische Basis und die plattformunabhängige Architektur der OPC UA ist es somit möglich, Service-Sichten zu integrieren. Die anschließende Evaluation der (S2)In-Architektur greift auf die erhobenen NFA zurück. Für jede der allgemeinen Anforderungen werden bewertbare Anforderungen abgeleitet. Diese dienen nun dazu, Anwendungsfälle zu spezifizieren, die im Rahmen einer prototypischen Implementierung der einzelnen Architekturkomponenten simulationsbasiert ausgeführt werden. Anhand der Ergebnisse der einzelnen Testfälle wird eine abschließende Bewertung der (S2)In-Architektur durchgeführt.