CONSTRUCCIÓN Y ADAPTACIÓN DE UNA PUERTA DE ENLACE ENTRE UNA SIMULACIÓN Y UN DISPOSITIVO DE GESTIÓN DEL CONSUMO DOMÉSTICO DE ENERGÍA.

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1 CONSTRUCCIÓN Y ADAPTACIÓN DE UNA PUERTA DE ENLACE ENTRE UNA SIMULACIÓN Y UN DISPOSITIVO DE GESTIÓN DEL CONSUMO DOMÉSTICO DE ENERGÍA. Autor: Domecq Velarde, Eduardo José. Director: Kandler, Chrisitian. Entidad Colaboradora: Technische Universität München. RESUMEN DEL PROYECTO Introducción El proyecto de investigación Energieautarke Elektromobilität im Smart-Micro-Grid (Electromobilidad energéticamente autosuficiente en Micro Redes Inteligentes) se lleva acabo en el marco del Schaufenster Elektormobilität (Esparate de Electromobilidad), un proyecto impulsado por el Gobierno Federal Alemán para implementar la electromobilidad en Alemania. El objetivo de dicho proyecto es alcanzar la integración de la electromobilidad con las fuentes locales de producción de energía renovable. Como parte del proyecto, la Cátedra de Economía de la Energía y Tecnología Aplicada de la Universidad Técnica de Munich está desarrollando una simulación que modela el consumo de energía en una casa. La empresa SMA Solar Technology es responsable del llamado Home Manager, un dispositivo que trata de optimizar el consumo doméstico de energía. Para ello, distribuye las solicitudes de funcionamiento de los diferentes elctrodomésticos conforme a las horas de producción de energía renovable. En esta situación, un software es necesario para llevar a cabo la comunicación entre la simulación y el Home Manager. Este software es la llamada Puerta de Enlace. La simulación utiliza MATLAB como programa central de su desarrollo, es por ello, que la Puerta de Enlace ha de ser programada utilizando tanto MATLAB, como C++. Metodología Una manera de describir una Puerta de Enlace es como un programa que permite la comunicación entre sistemas que utilizan diferentes protocolos. En este caso, el objetivo es que la información generada viaje desde MATLAB hasta el Home Manager y vice versa. El primer paso es establecer cómo diferentes sistemas pueden transmitir información de manera fiable. Ello es posible utilizando una herramienta de programación llamada socket.

2 Todos los procesos de comunicación que aparecen en este trabajo siguen el llamado Protocolo de Control de Transmisión (Transmission Control Protocol, TCP) que forma parte del Protocolo de Internet (IP). Por este motivo, todos sockets utilizados en la Puerta de Enlace serán de la familia de Internet. Dentro de la familia de sockets de Internet, los sockets empleados son del tipo de flujo (stream sockets), ya que éstos permiten un flujo de datos fiable. En el protocolo TCP/IP, uno de los sistemas debe asumir el papel de servidor. En este trabajo, la Puerta de Enlace actúa como servidor tanto para MATLAB como para el Home Manager. Un servidor asocia su socket a una determinada dirección, que incluye la dirección local de IP y un determinado puerto. El servidor espera la conexión del posible cliente en la referida dirección, por este motivo, es necesario que el cliente conozca previamente la dirección del servidor. Para permitir la conexión entre un servidor y un cliente que desconoce la dirección del servidor, se recurre al Protocolo Simple de Descubrimiento de Servicios (Simple Service Discovery Protocol, SSDP). Este protocolo establece una dirección universal para la comunicación de los servicios ofrecidos por el servidor. Mediante este proceso, el Home Manager advierte la existencia de la Puerta de Enlace. MATLAB y la Puerta de Enlace son ejecutados en el mismo ordenador y usan la misma dirección de IP. Por lo tanto, no necesitan de un proceso de descubrimiento. Una vez finalizado el descubrimiento, la comunicación entre la Puerta de Enlace y el Home Manager se lleva a cabo utilizando el Protocolo de Transferencia de Hipertexto (Hypertext Transfer Protocol, HTTP). Arquitectura de la Puerta de Enlace El cuerpo de un mensaje HTTP se escribe utilizando el Lenguaje de Marcas Extensible (Extensible Markup Language, XML). La validez de dichos mensajes se verifica utilizando los correspondientes lenguajes de esquema (XML Schema) del Home Manager. MATLAB puede trabajar con objetos-xml, pero no son el tipo de variable óptimo para explotar todo el potencial que éste programa ofrece.

3 Power [W] Aquí subyace la segunda parte de este proyecto. Los objetos de MATLAB proporcionados por la simulación han de ser convertidos a objetos-xml. Para ello, se programan las funciones struct2xml y xml2struct. La equivalencia usada en este trabajo entre un objeto de MATLAB y su correspondiente mensaje en xml se explica en la siguiente imagen: Resultados Un fase de prueba se llevó a cabo para verificar el fiabilidad de la Puerta de Enlace. Simulando una generación fotovoltaica de energía, se esperaba que los mensajes de encendido y apagado fuesen enviados por el Home Manager. En el siguiente ejemplo, se puede comprobar como el Home Manager enciende y apaga un dispositivo con un perfil de carga constante (dibujado en azul). La energía generada por la placa solar corresponde a la línea verde. Por último, la línea roja indica la cantidad de energía comprada a la red Time [seconds]

4 En este ejemplo, el dispositivo debía funcionar durante 1800 segundos en la primera hora de la simulación. Dichas condiciones se cumplen en este ejemplo, así como en todos las otras pruebas realizadas. Conclusión Se puede decir que la Puerta de Enlace cumple con sus requisitos actuales: la correcta comunicación con el Home Manager. Se ha llevado a cabo un amplio proceso de verificación. En cualquier caso, si la configuración del Home Manager cambia durante su desarrollo, la Puerta de Enlace podrá necesitar ciertos ajustes. Referencias Gunkel, T. (2013): Simple Energy Management Protocol SEMP: Spezifikation. SMA Solar Technology AG. Bustamante, P.; Aguinaga, I.; Aybar, M.; Olaizola, L; Lazcano I. (2004): Aprenda C++ Básico, como si estuviera en primero. Universidad de Navarra. Bustamante, P.; Aguinaga, I.; Aybar, M.; Olaizola, L; Lazcano I. (2004): Aprenda C++ Avanzado, como si estuviera en primero. Universidad de Navarra. Pereira, A. (1999, 2000): Programacion de sockets en lenguaje C. Obtenido 11 de julio de 2013, desde Using TCP/IP Server Sockets. Obtenido 14 de julio de 2013 desde XML Tutorial. Obtenido 20 de julio de 2013 desde Importing XML Document Obtenido 5 de agosto de 2013 desde

5 BUILD-UP AND ADAPTATION OF A SOFTWARE COMMUNICATION GATEWAY BETWEEN SIMULATION AND HOME ENERGY MANAGER. Introduction The research project Energieautarke Elektromobilität im Smart-Micro-Grid (Energy Selfsufficient Electromobility in Smart-Micro-Grid) takes part in the frame of the Schaufenster Elektromobilität (Electromobiliy Showcase), a program of the Federal German Government to implement electromobility in Germany. The objective of this project is to approach an integration of the electric mobility with the local renewable power production. As part of this project, the Institute for Energy Economy and Application Technology of the Technische Universität München is developing a simulation that models the energy consumption in a house. The enterprise SMA Solar Technology is responsible for the Home Manager, a device that aims to optimize the domestic consumption of energy by matching the energy requests with the expected production of renewable energy. In this situation, a software tool is needed to allow the communication between the simulation and the Home Manager. The simulation uses MATLAB as central program, therefore the Gateway must be programmed in MATLAB, as well as in C++. Methodology A gateway can be described as an interface software that allows the communication between systems using different protocols. In this case the objective is to pass information from MATLAB to the Home Manager and backwards. The first step in this work is to describe how different systems can transfer data in a reliable way. The communication is possible using a programing tool called socket. The whole communication s process follows the Transmission Control Protocol (TCP) part of the Internet Protocol (IP); therefore all sockets used in the Gateway are Internet Sockets. Among the Internet Family, Stream Sockets are the type of sockets programed in the Gateway, as they can provide a reliable flow of data. In the TCP/IP protocol, one of the systems must assume the server s role. In this work, the Gateway acts as server for both, the Home Manager and MATLAB. A server binds its socket to a certain address (IP address and port) and waits until a client system is connected on the given socket s address. This means that the client must know previously the socket s address.

6 To allow the communication between a server and a client that ignores the server s address, the Simple Service Discovery Protocol (SSDP) is used. In this protocol both systems communicate over a designated address. This is the process used by the Gateway to discover the Home Manager. MATLAB and the Gateway run both in the same computer, the IP address is known to both systems. Therefore there is no discovery routine needed. Once the advertisement is over, the communication between the Gateway and the Home Manager takes place using the Hypertext Transfer Protocol (HTTP). Gateway s Architecture. The body of the HTTP messages is written using the Extensible Markup Language (XML). These messages are verified by the corresponding Schema Definition. MATLAB can work with xml-objects however it is not the optimal variable type to exploit the full potential this program offers. Here comes the second part of this thesis. The objects delivered by the simulation in MATLAB must be converted into xml objects. For this purpose, the functions struct2xml and xml2struct are programed. The equivalence between an object in MATLAB and its corresponding xml message used in this work can be seen in the following image:

7 Power [W] Results A test phase was carried out to prove the reliable working of the Gateway. Using a simulated photovoltaic generation of energy, the Home Manager was expected to start and stop the devices. In the following example, it can be seen how the Home Manager starts and stops a device with a constant load profile (drawn in blue). The energy generated by the solar cell corresponds to the green line. What is being purchased from the net is the red line Time [seconds] In this example, the device was expected to run for 1800 seconds in the first simulated hour. These conditions were met in this example; as well as, in all the other tests. Conclusions It can be said that the Gateway meets the current requests to fulfil a successful communication with the Home Manager. The communication processes have been widely tested. Nevertheless, if the configuration of the Home Manager changes among its developing process, the Gateway might need some adjustments. Literature and Sources Review Gunkel, T. (2013): Simple Energy Management Protocol SEMP: Spezifikation. SMA Solar Technology AG. Bustamante, P.; Aguinaga, I.; Aybar, M.; Olaizola, L; Lazcano I. (2004): Aprenda C++ Básico, como si estuviera en primero. Universidad de Navarra.

8 Bustamante, P.; Aguinaga, I.; Aybar, M.; Olaizola, L; Lazcano I. (2004): Aprenda C++ Avanzado, como si estuviera en primero. Universidad de Navarra. Pereira, A. (1999, 2000): Programacion de sockets en lenguaje C. Retrieved July 11, 2013, from Using TCP/IP Server Sockets. Retrieved July 14, 2013, from XML Tutorial. Retrieved July 20, 2013, from Importing XML Document. Retrieved August 5, 2013, from