Edge-Server mit deutscher Technik für das chinesische Energienetz

| Autor / Redakteur: Zeljko Loncaric * / Margit Kuther

Stets im Blick: Ein einziges Dashboard liefert alle Infos für Chinas regional integrierte Energiedienstleister, um die Betriebs- und Wartungseffizienz zu optimieren.
Stets im Blick: Ein einziges Dashboard liefert alle Infos für Chinas regional integrierte Energiedienstleister, um die Betriebs- und Wartungseffizienz zu optimieren. (Bild: congatec)

Im Shanghai Business Park stellen leistungsstarke High-Speed-Server die Echtzeitverbindungen zu allen relevanten Komponenten des dezentralen Energiemanagements her – mit Technik aus Deutschland.

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, robusten und leistungsstarken High-Speed-Server stellen Echtzeitverbindungen zu allen relevanten Komponenten her, die für das dezentrale Energiemanagement erforderlich sind.

Im Shanghai Business Park wurden diese 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.

Das Energienetz der Zukunft ist dezentral und fragmentiert

In der industriellen Datenverarbeitung sind die Erzeugung und der Austausch von Daten von entscheidender Bedeutung, da diese beiden Faktoren die Produktivität und Wertschöpfung bestimmen. Das gilt umso mehr für den Energiesektor, da hier ein massiver Trend weg von der zentralen Stromerzeugung hin zu einem dezentralen, stark fragmentierten Energienetz mit verschiedensten Energieverbrauchern und -erzeugern zu verzeichnen ist.

Eine derart komplexe Netzwerktopologie stellt zunehmend hohe Ansprüche an Echtzeitinformationen und Synchronisation, um die Netzlast bestmöglich auszubalancieren. Hinzu kommt der Bedarf nach Energieeinsparungen zur Schonung der Umwelt und zum Klimaschutz sowie die Anforderung, die Kosten energiehungriger Produktionen zu senken. All diese Anforderungen erhöhen den Bedarf an Informationen, denn nur mit Informationen kann die Energieeffizienz von Haushalten, Fabriken und Städten bis hin zu kompletten Staaten optimiert werden.

Zudem besteht Bedarf nach einem besseren Managementsystem für die Energieversorgung einer jeden Versorgungseinheit, was die Einrichtung neuer Dienste, wie das kostensparende Remote-Management von Stromzählern erfordert. Unter Verwendung künstlicher Intelligenz können dann beispielsweise volumenbasierte Tarife mit speziellen Spitzenlastkontrollen angeboten werden. Auf diese Weise lässt sich der Gesamtstromverbrauch über den Tag effizienter verteilen.

Aufgrund all dieser heterogenen Anforderungen kommen weltweit viele, 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. Ein solcher neuer, lokaler Layer wäre in der Lage, das gesamte energetische Ökosystem aller beteiligten Energieerzeuger und -Verbraucher zu verwalten.

Ein lokaler Layer verwaltet das energetische Ökosystem

Dieser Layer könnte beispielsweise Kernapplikationen für die Multi-Energieversorgung bereitstellen, einen Rückkanal für verbraucherseitige Anforderungen anbieten, das komplette Umweltmanagement übernehmen und die Grundlage für ein effizientes Betriebs- und Wartungsmanagement bilden. Durch die Integration fortschrittlicher Technologien wie Big-Data-Analysen und -Visualisierungen würden die Energy Service Companies (ESCOs) zudem dabei unterstützt, ihre Betriebs- und Wartungseffizienz zu optimieren und Energie zu sparen.

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 ms. Lokal eingesetzte Edge-Server können die Datenaustauschzeiten zwischen Energieanlagen und Steuerungen auf 2 bis 5 ms reduzieren. Dadurch werden Latenz und Reaktionszeiten deutlich verkürzt, was die Leistungsfähigkeit von Smart-Grid-Anwendungen entsprechend optimiert.

Smart Grid-Technologien in der Stromerzeugung und -verteilung: Die Edge-Server-Plattformen bieten alle Funktionen, die für das Energiemanagement vor Ort benötigt werden – von Mikro-Grids bis hin zu Smart Cities.
Smart Grid-Technologien in der Stromerzeugung und -verteilung: Die Edge-Server-Plattformen bieten alle Funktionen, die für das Energiemanagement vor Ort benötigt werden – von Mikro-Grids bis hin zu Smart Cities. (Bild: congatec)

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 verschiedenen 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.

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 Gerät 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.

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 Energiemanagements und für Energiesparaktionen erforderlich sind. Zum Leistungsspektrum zählen zudem Sicherheitsaufgaben sowie das Management von Ein- und Verkaufsverträgen – einschließlich Risiko- und Energieeffizienz-Management.

Neuer Edge-Server-Layer überträgt Billionen von Nachrichten

Logik/Schnittstellen: Die Edge-Server-Technologiemit dem neuen Layer für Chinas smartes Energieversorgungsnetz wird von der Tencent Cloud und einem IoT-Hub flankiert. Durch die Unterstützung hunderter Protokolle lassen sich Tausende unterschiedlicher Erzeuger und Verbraucher anbinden.
Logik/Schnittstellen: Die Edge-Server-Technologiemit dem neuen Layer für Chinas smartes Energieversorgungsnetz wird von der Tencent Cloud und einem IoT-Hub flankiert. Durch die Unterstützung hunderter Protokolle lassen sich Tausende unterschiedlicher Erzeuger und Verbraucher anbinden. (Bild: congatec)

Noch beeindruckender sind 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 1000 Einwohner. Bis dieses Ziel erreicht ist, müssen in den kommenden Jahren also eine ganze Reihe von Edge-Servern in Betrieb genommen werden. Der erste Grundstein wurde bereits mit der Installation im Shanghai Business Park gelegt.

COM-Express-Type-7-Module für die neue Edge-Klasse

Bei der adaptiven Hardware der neuen Edge-Geräte-Klasse haben sich die Edge-Server-Entwickler 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 Superkomponenten, 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 Verbindung stehen zudem bis zu 32 PCIe Lanes bereit, um beispielsweise schnellen NVMe-Speicher einzubinden – oder auch General Purpose Computation on Graphics Processing Unit (GPGPUs) für Künstliche Intelligenz, um die Logik komplexer neuronaler Netze zu unterstützen. Das applikationsspezifische Design wird bei auf einem individuellen Carrierboard realisiert, das entsprechende Anschlüsse für Peripheriegeräten biete. So lässt sich ein und dasselbe 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 Intels 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 Intel TSX-NI, das eine Skalierung der Multi-Thread-Performance ermöglicht, welches parallele Operationen effizienter abarbeiten kann. In der Summe führen diese Funktionen zu einer beeindruckenden Performance-pro-Watt bei hohem Datendurchsatz und einer Gesamtleistung auf Server-Niveau.

Eine alternative Konfiguration wurde mit Intels Atom-C3xxx-Prozessoren umgesetzt. Mit bis zu 16 Kernen sind diese Prozessoren eine gute Lösung für all die Installationen, die mit kleineren Gehäusegrößen auskommen müssen und deren Energieverbrauch eine TDP von 11 W nicht übersteigen darf. Beide Module bieten ECC-RAM für hohe Datenintegrität und unterstützen den erweiterten Temperaturbereich von -40°C bis 85 °C für 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.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2019 (Download PDF)

* Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei congatec

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