Enera war unter der Konsortialleitung der EWE AG, eins der fünf durch das Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekte des Förderprogramms „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“ (SINTEG). Im Projekt wurden Lösungen zu den drei Themenschwerpunkten Netz, Markt und Daten in der Modellregion im Nordwesten Niedersachsens entwickelt und erprobt.

OFFIS hat enera in verschiedenen Themenbereichen vorangetrieben, die wir Ihnen im Folgenden genauer beschreiben:

1. Untersuchung von Resilienz für die digitale Konnektivität im CyberResilience-Labor
2. Evaluation des enera Smart Grid Operators im SESA-Labor
3. Feldtest eines agentenbasierten Flexibilitätsmanagementsystems für dezentrale Batteriespeicher
4. Neue Geschäftsmodelle im Kontext des digitalen Energiesystems: Szenario- und modellbasierte Simulation eines Bürgerspeichers
5. enera Qualifizierungszentrum: Spielerisches Heranführen an Informationssicherheit durch Point-and-Click-Adventure
6. enera Gesamtarchitektur und Informationssicherheit in enera

 

1. Untersuchung von Resilienz für die digitale Konnektivität

Für die Digitalisierung des Energiesystems wurden in Arbeitspaket 1 (AP1) vermehrt Sensorik und Aktorik kommunikationsunterstützt angebunden, damit eine bessere Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit im Energiesystem erreicht werden kann.

OFFIS hatte in enera AP1 die Kommunikationstechnologien CDMA 450 und LTE-Advanced unter verschiedenen Kommunikationsstörungen anhand des Anwendungsfalls "Liefern von regionalisierten Systemdienstleistungen am enera-Markt durch verteilte Erzeugungsanlagen" untersucht.  Die Evaluation erfolgte über eine Simulationsumgebung bestehend aus dem Kommunikationssimulator EXata und dem Framework für Multiagentensysteme ISAAC, in dem COHDA umgesetzt wurde. In EXata wurden die Kommunikationstechnologien und die Kommunikationsstörfälle (bspw. Ausfall eines Kommunikationsknotens, Aktivierung eines Störsenders oder Überlastung durch Kommunikation anderer Kommunikationsteilnehmer) modelliert und simuliert. Die dadurch ermittelten Kommunikationsverzögerungen wurden in das Agentenframework integriert, sodass sie bei der Berechnung der Umplanung beachtet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Optimierungsdauer von COHDA durch die zugrundeliegende Kommunikationsinfrastruktur und die Störfälle beeinflusst wird und dass die Gesamtberechnungszeit der Umplanung bei der Produktauslieferung am enera-Markt besonders beachtet werden muss.

Links zu weiterführenden Informationen:

• Veröffentlichung „Evaluation of Communication Infrastructures for Distributed Optimization of Virtual Power Plant Schedules”, https://www.offis.de/offis/publikation/evaluation-of-communication-infrastructures-for-distributed-optimization-of-virtual-power-plant-schedules.html
• enera Projektmagazin: AP1, S. 74 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektmagazin.pdf
• enera Projektkompendium: Lösungselement „IKT-Infrastruktur und Roll-out intelligente Messsysteme“ S. 18 ff, https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektkompendium.pdf

 

2. Evaluation des enera Smart Grid Operators in SESA-Labor

Der Ausbau der Stromnetze hält nicht Schritt mit der wachsenden Erzeugungsleistung der Erneuerbaren Energien. Smart Grids helfen, mehr Grünstrom aufzunehmen. Die Schaltmeister in den Leitstellen bekommen dadurch eine neue Rolle – und immer komplexere Aufgaben. Bei deren Bewältigung helfen automatisierte Prozesse und Werkzeuge, die im Arbeitspaket 3 definiert und demonstriert wurden.

OFFIS hat dabei intelligente dezentrale Steuerungslösungen für das Management von Wirk- und Blindleistungsanlagen im Netz getestet und bewertet. Zu diesem Zweck wurde zunächst ein Kommunikationsnetz für den Netzbetrieb modelliert und mit empirischen Daten validiert. In einem zweiten Schritt wurde im SESA-Labor am OFFIS das Zusammenspiel des Kommunikationsnetzes mit dem elektrischen Netz simuliert. Dabei wurden die intelligenten Steuerungslösungen hinsichtlich verschiedener Qualitätsattribute, hauptsächlich die Kommunikation betreffend, evaluiert.

Links zu weiterführenden Informationen:

• Veröffentlichung „Grid Function Virtualization for Reliable Provision of Services in Cyber-Physical Energy Systems“, https://www.offis.de/offis/publikation/grid-function-virtualization-for-reliable-provision-of-services-in-cyber-physical-energy-systems.html
• enera Projektmagazin: AP3, S. 82 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektmagazin.pdf
• enera Projektkompendium: Lösungselement „Konzept für die Validierung und Prüfung von Kommunikationsnetzen“ S. 102 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektkompendium.pdf

 

3. Feldtest eines agentenbasierten Flexibilitätsmanagementsystems für dezentrale Batteriespeicher erfolgreich abgeschlossen

Batteriespeicher stellen wertvolle Flexibilität für ein Energieversorgungssystem bereit, das vorrangig auf der Nutzung erneuerbarer Energien basiert. Sie gleichen Schwankungen in der Einspeisung elektrischer Energie aus dargebotsabhängigen Wind- und Photovoltaikanlagen aus und bieten zunehmend auch Systemdienstleistungen wie etwa Primärregelleistung an. Das Management der Flexibilität insbesondere kleiner, dezentraler Batteriespeicher in Privathaushalten und Gewerbe- oder Industrieunternehmen ist dabei allerdings eine technische Herausforderung. Um effektiv und effizient an Marktprozessen teilnehmen zu können, muss die verteilt vorliegende Flexibilität aggregiert werden. Dabei müssen aber auch lokale Nutzungsziele von Batteriespeichern wie beispielsweise Peak Shaving berücksichtigt werden.

Im Rahmen von Arbeitspaket 5 begleitete OFFIS daher den an das Projekt enera angelehnten Feldtest eines agentenbasierten Flexibilitätsmanagementsystems für dezentrale Batteriespeicher. Dabei wurden einzelne Batteriespeicher durch intelligente Softwareagenten repräsentiert, die die lokalen Nutzungsziele und -präferenzen berücksichtigen, priorisiert umsetzen und verbleibende Flexibilität für einen Aggregator bereitstellen . Der Fokus der Arbeiten von OFFIS lag dabei auf der Frage, welche Vor- und Nachteile ein agentenbasiertes System im Kontext des Flexibilitätsmanagements bietet, und welche technisch-organisatorischen Hindernisse einer Nutzung von intelligenten Agenten in der Energieversorgung entgegenstehen. Dabei hat sich gezeigt, dass Agentensysteme, an denen seit mehr als einem Jahrzehnt im Kontext der Energiewirtschaft geforscht wird, einerseits nun vor dem Sprung in die Praxis stehen. Andererseits besteht bei Aggregatoren bzw. Betreibern von virtuellen Kraftwerken oft aber noch Skepsis bezüglich der technischen Realisierbarkeit und der wahrgenommenen Komplexität verteilter Optimierungsansätze – hier ist es nach wie vor Aufgabe der anwendungsorientierten Forschung, das Potenzial verteilter Ansätze anschaulich zu vermitteln und den Transfer in die Praxis aktiv zu gestalten.

Links zu weiterführenden Informationen:

• enera Projektmagazin: AP5, S. 102 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektmagazin.pdf

 

4. Neue Geschäftsmodelle im Kontext des digitalen Energiesystems: Szenario- und modellbasierte Simulation eines Bürgerspeichers

Ziele des Arbeitspakets 9 waren die Identifikation und Demonstration neuer datengetriebener Geschäftsmodelle und neuer Energieprodukte auf Basis des digitalisierten Energiesystems. Dazu wurde ein unterstützender Innovationsprozess rund um das Energiesystem aufgebaut und über die Projektlaufzeit kontinuierlich mit den Partnern durchgeführt. Mit diesem Innovationsprozess wurden zahlreiche neue Geschäftsmodelle sowie neue Produkte ermittelt. Nach Identifikation und Potenzialanalyse wurden ausgewählte Ideen in Form eines Demonstrators weitergeführt.

OFFIS hat hier die Idee eines Bürgerspeichers verfolgt und dabei ein Modell für die nachbarschaftliche Nutzung eines Stromspeichers untersucht. Durch die gemeinschaftliche Nutzung eines größer dimensionierten Speichers können Installationskosten und Eigenverbrauch der sich unterschiedlich verhaltenden Haushalte optimiert werden. In dem Use Case Bürgerspeicher wurde der Fokus auf die Erstellung eines Simulationsmodells gelegt, um den Eigenverbrauch eines Quartiers bestehend aus Haushalten, Haushalten mit PV-Anlage und einer oder mehreren Batterien zu optimieren. Das Simulationsmodell wurde mit Hilfe der mosaik-Plattform (ein flexibles Smart Grid Co-Simulationsframework, siehe http://mosaik.offis.de/) umgesetzt. Der entwickelte Prototyp soll es Fachexperten erlauben, eigene Szenarien nach eigenen Bedürfnissen zu gestalten. Die Gestaltung der Szenarien erfolgt durch ein interaktives Geo-Dashboard. Jede Komponente kann für die jeweilige Simulation angepasst werden. Zum Beispiel können bei einem Haushalt die Merkmale wie Jahresverbrauch, Personen im Haushalt und Hausfläche angepasst werden. Für die PV-Anlagen und Batterien stehen Stammdaten und technische Kennzahlen im Vordergrund. Im Regelfall werden mehrere Szenarien untersucht, um eine Vergleichsgrundlage zum Beispiel für die Installation von verschiedenen Batterien für eine nachgelagerte Analyse zu erschaffen.

Wesentliche Ergebnisse dabei waren:

• Die Simulation verschiedener Szenarien dient der Optimierung des Einsatzes eines zentralen und nachbarschaftlich genutzten Bürgerspeichers.
• Die Softwarelösung des Bürgerspeicher Use Cases hilft Fachexperten eigene Szenarien zu entwickeln, um die beste individuelle Konfiguration für einen zu installierenden Bürgerspeicher in einem Quartier zu ermitteln und damit die Installationskosten und weitere Kosten zu senken.
• Die durch die Softwarelösung des Bürgerspeicher Use Cases erstellten Szenarien werden mit Hilfe der mosaik-Plattform simuliert.
• Der Vergleich der simulierten Daten aus einem bestimmten Szenario sollte zur Optimierung des Eigenverbrauchs in einem Quartier beitragen

Links zu weiterführenden Informationen:

• enera Projektmagazin: AP9, S. 122 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektmagazin.pdf
• enera Projektkompendium: Lösungselement „Bürgerspeicher“ S. 298 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektkompendium.pdf

 

5. enera Qualifizierungszentrum: Spielerisches Heranführen an Informationssicherheit durch ein Point-and-Click-Adventure

Innovative Technologien bringen für alle Beschäftigen der Branche viele Aufgaben mit sich. Neue Werkzeuge, Prozesse und Methoden erfordern eine umfassende Qualifizierung, für die im Arbeitspaket 10 ein Qualifizierungszentrum mit diversen Formaten entwickelt wurde.

Mit der weiterhin stetig zunehmenden Digitalisierung wächst der Bedarf sowie Anspruch an die informationstechnische Sicherheit. Dieser Bedarf spiegelt sich unter anderem in gesetzlichen Anforderungen wie der Datenschutz-Grundverordnung oder auch in Standards wie der ISO/IEC 27000-Normreihe wieder. Dies stellt jedoch sowohl Organisationen, Unternehmen als auch Angestellten vor neue Herausforderungen, denn Daten- und IT-Sicherheit lässt sich als eine sozio-technische Problemstellung nicht allein durch technische oder organisatorische Maßnahmen, wie bspw. Kryptographie realisieren. Neben den Maßnahmen stellt hier das Problembewusstsein für Informationssicherheit einen essentiellen Baustein einer erfolgreichen Sicherheitsstrategie dar.

Um dieses nötige Bewusstsein sowie die Aufmerksamkeit für die vielfältigen Gefahren zu schärfen, wurde in enera im Rahmen von AP 10 und AP12 ein spielerischer Ansatz gewählt und ein sogenanntes Point-and-Click Adventure Spiel als Software-Prototyp, unter Berücksichtigung von Empfehlungen des BSI, entwickelt und implementiert. Lucia als Protagonistin des Spiels durchläuft in verschiedenen Szenen mögliche Vorgehensweisen eines Angreifers spielerisch. Im Fokus stehen vielfältige sicherheitsrelevante Hinweise wie bspw. Informationen zum Passwortmanager, zur Passwortsicherheit oder Computersperre, welche sich über das Spiel hinweg auffinden lassen. Das PC-Spiel wurde dabei vorrangig auf Basis der Unity Spiele-Engine, C# als zugrundliegende Programmiersprache sowie dem Unity-Plugin „Adventure Creator“ realisiert.

Links zu weiterführenden Informationen:

• enera Projektmagazin: AP10, S. 90 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektmagazin.pdf

 

6a. enera Gesamtarchitektur

Das Arbeitspaket 12 innerhalb von enera beschäftigte sich mit der informationstechnischen Entwicklung der enera Gesamtarchitektur inklusive eines Informationssicherheitskonzepts. OFFIS hat dabei mit einem weiteren enera-Projektpartner die Projektleitung für dieses AP übernommen. Im Folgenden werden verschiedene Inhalte und Ergebnisse des AP12 mit dem Schwerpunkt enera Gesamtarchitektur und OFFIS Beteiligung beschrieben.

In einem Teilarbeitspaket wurde die enera-Gesamtarchitektur erfasst und dokumentiert. Zunächst wurden, teilweise bereits vor offiziellem Projektbeginn, insgesamt 76 Use Cases zusammen mit allen Projektpartner erfasst, davon 52 ausführlich inklusive Schritt-für-Schritt-Analyse. Dabei wurde die Use Case-Methodik gemäß IEC 62559-2 mit standardisiertem Use Case Template verwendet, um standardisiert die Anwendungsfälle zu erfassen. Als Tool wurde hier ein Use Case Management Repository (UCMR), das durch OFFIS bereitgestellt und auch währenddessen weiterentwickelt wurde. Zusätzlich wurde bei der Analyse und Dokumentation der Gesamtarchitektur das SGAM (Smart Grid Architecture Model) zusammen mit der SGAM 3D Visualisierung, zur Visualisierung von Smart Grid Architekturen, sowie die Guidelines for Smart Grid Cybersecurity gemäß NIST IR 7628, für die Integration von Informationssicherheitsaspekten, angewendet. Nach der Erfassung wurde zusätzlich, um das Thema Sicherheitin Smart Grid Architekturen einpflegen zu können, ein SGAM Visualisierungstool namens NISTViz entwickelt. Hiermit besteht die Möglichkeit an SGAM-Darstellungen von Akteuren und deren Verbindungen die jeweiligen Logical Interface Categories gemäß NIST IR 7628 zu annotieren, aus denen sich aus dem NIST IR 7628 eine erste Einschätzung der Schutzbedarfe zu Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit ergibt.

Im Rahmen eines Teilarbeitspakets wurde ein Kennzahlensystem entwickelt, dass sich auf systemübergreifende Smart Grid-Architekturen anwenden lässt und so eine Architekturbewertung ermöglicht. Die Basis für die Anwendung des Kennzahlensystems bilden dabei standardisierte Use Cases gemäß IEC 62559 sowie deren Darstellung im Smart Grid Architektur Modell (SGAM). Diese können in ein KPI Dashboard importiert und durch die Ergänzung von nur wenigen Zusatzinformationen ausgewertet werden.

Zum Ende des Projekts wurde im Rahmen von AP12 mit ca. zwanzig bis dreißig Interviewpartnern die Use Case Erfassung und SGAM Modellierung in enera reflektiert und dabei gesammelte Erfahrungen ausgetauscht. Hintergrund dieser Interviews sind soziotechnische Fragestellungen bei der Nutzung und Anwendung der Use Case Methodik und des SGAMs in der Projektzusammenarbeit. Es wurde dabei die soziale Ebene der kollaborativen Projektarbeit untersucht und dabei, welchen Einfluss die Nutzung von standardisierten Architekturmodellen auf die Zusammenarbeit und Gestaltung der Projekte sowie die Innovationsaktivitäten hat. Ziel war es, neben der Gewinnung von organisationssoziologischen Erkenntnissen, gleichermaßen praktische Hinweise für die Ausgestaltung und Anwendung von Use Cases und SGAM in weiteren Projekten abzuleiten. Die Ergebnisse sollen dann in das Use Case Template und das SGAM eingearbeitet werden.

Links zu weiterführenden Informationen:

• Veröffentlichung „Addressing Quality Properties In Use Case Descriptions – Adding Assurance To A Use Case Process“, wird im Fraunhofer Verlag veröffentlicht
• enera Projektmagazin: AP12, S. 94 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektmagazin.pdf
• enera Projektkompendium: Lösungselement „Anpassungen des Use-Case-Templates hinsichtlich Security-by-Design“ S. 130 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektkompendium.pdf
• enera Projektkompendium: Lösungselement „Assurance Cases als Leitfaden für die Use-Case-Erhebung“ S. 180 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektkompendium.pdf

 

6b. Informationssicherheit in enera

Das Arbeitspaket 12 innerhalb von enera beschäftigte sich mit der informationstechnischen Entwicklung der enera Gesamtarchitektur inklusive eines Informationssicherheitskonzepts. OFFIS hat dabei mit einem weiteren enera-Projektpartner die Projektleitung für dieses AP übernommen. Im Folgenden werden verschiedene Inhalte und Ergebnisse des AP12 mit dem Schwerpunkt Informationssicherheit und OFFIS Beteiligung beschrieben.

Ein Arbeitsschritt setzte sich damit auseinander, welche nationalen und internationalen Regularien, also Gesetze, Richtlinien, Verordnungen, Normen und Standards in Bezug auf Informationssicherheit für das Projekt relevant sind. Dafür wurden entsprechende Gesetze, Standards, usw. sowie Zertifizierungen zu Informationssicherheitsaspekten analysiert und deren Relevanz für alle enera-Arbeitspakete aufgezeigt. Weiterhin wurde hier das Thema „Informationssicherheit in der Software Entwicklung“ bearbeitet.

Auf Basis der erfassten Use Cases und der daraus erstellten enera-Gesamtarchitektur wurde dafür gemeinsam mit den Projektpartnern aus AP12 eine Sicherheitsanalyse nach BSI-Grundschutz für die Einführung eines Informationssicherheitsmanagementsystems (ISMS) durchgeführt. Hierfür wurde ein identifizierter Scope mit dem Titel „Messen und Steuern via Smart Meter Gateway“, der mehrere Anwendungsfälle in diesem Themenfeld beinhaltet, ausgewählt und analysiert. Auf dieser Basis wurde dann die Strukturanalyse, Schutzbedarfsfeststellung, Modellierung, sowie die Risikoanalyse durchgeführt, so dass hiermit für diesen Scope ein ISMS eingeführt werden könnte.

Für das Schaufensterprojekt enera wurden, teilweise bereits vor Projektbeginn, alle Anwendungsfälle im Gesamtprojekt mit dem Use-Case-Template (UC-Template) aus dem Standard IEC 62559 systematisch erfasst. Für einen Schwerpunkt des Arbeitspakets AP12, die Informationssicherheit, erwies sich das Template allerdings als nicht ausreichend, um ein ISMS zu erstellen. Daher wurden im letzten Jahr der Projektlaufzeit Erfahrungen aus dem Projekt gesammelt, um daraus Empfehlungen für die Erweiterung des UC-Templates zu erarbeiten. Mit diesen Empfehlungen soll das UC-Template nach IEC 62559 in der Art angepasst werden, dass Informationssicherheitsaspekte bereits bei der Anwendungsfallerfassung mitberücksichtigt und dokumentiert werden können. Somit kann in der Systementwicklung mit der Verwendung des IEC 62559 ein Security-by-Design-Vorgehen etabliert werden.

Es wurde auch eine Gap-Analyse mit verschiedenen Fragestellungen erarbeitet. Hier ging es um bestehende Lücken, die in den Themenfeldern von AP12 identifiziert wurden: wie beispielsweise Lücken in Regularien; die Use Case Methodik nach IEC 62559, in der Sicherheitsaspekte noch nicht ausreichend erfasst werden können; das Thema Informationssicherheit contra Funktionssicherheit; das Zusammenführen des Notfallmanagements im Informationssicherheitsbereich und dem Energiesektor; Informationssicherheit bzw. das Erstellen eines ISMS im Projekt und bei vielen Projektpartnern; sowie das Durchsetzen einer kontinuierlichen Informationssicherheit. Diese und weitere Themen sowie die dazugehörigen Lücken wurden in einem Ergebnisdokument identifiziert und diskutiert.

Im Rahmen eines Unterauftrages in AP12 mit dem Fraunhofer IESE wurde das Use Case-Template nach IEC 62559 um Assurance Cases erweitert. Assurance Cases dienen der Absicherung, dass ein System, zum Beispiel in Bezug auf Sicherheitsmerkmale, in einer entsprechenden Umgebung betrieben werden kann und weist damit die Erfüllung von Qualitätsmerkmalen nach. Somit findet die Erfassung von kritischen Qualitätseigenschaften Eingang in die Use Case-Erfassung. In diesem Zusammenhang ist eine Veröffentlichung in Zusammenarbeit von OFFIS und dem Fraunhofer IESE entstanden.

Aus einer Masterarbeit in Zusammenarbeit mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wurden Voraussetzungen geschaffen ein IT-Grundschutzprofil nach BSI für virtuelle Kraftwerke zu erstellen. Hierfür wurde ein Ergebnisdokument erstellt, das der Struktur eines IT-Grundschutzprofils entspricht, und somit Verantwortliche im Scope virtuelle Kraftwerke unterstützt ein ISMS zu erstellen. OFFIS hat bei der Erstellung des Ergebnisdokuments und der Qualitätssicherung unterstützt.

Links zu weiterführenden Informationen:

• Veröffentlichung „Addressing Quality Properties In Use Case Descriptions – Adding Assurance To A Use Case Process“, wird im Fraunhofer Verlag veröffentlicht
• enera Projektmagazin: AP12, S. 94 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektmagazin.pdf
• enera Projektkompendium: Lösungselement „Anpassungen des Use-Case-Templates hinsichtlich Security-by-Design“ S. 130 ff., https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektkompendium.pdf
• enera Projektkompendium: Lösungselement „Assurance Cases als Leitfaden für die Use-Case-Erhebung“ S. 180 ff.,
• https://projekt-enera.de/wp-content/uploads/enera-projektkompendium.pdf

 

Zum Abschluss des Projekts wurde von allen Projektpartnern zum einen ein Projektmagazin, in dem näher auf die Ziele des Projekts und die Arbeitspakete eingegangen wird, und zum anderen ein Projektkompendium, das viele Ergebnisse – genannt Lösungselemente – der einzelnen Arbeitspakete präsentiert, erstellt. Auch die OFFIS Ergebnisse sind dort zu finden. Beide Dokumente finden Sie hier:

https://projekt-enera.de/enera-projektmagazin-projektkompendium/