A probabilistic approach to the estimation of regional photovoltaic power generation using meteorological data

In Germany the upscaling algorithm is currently the standard approach for evaluating the PV power produced in a region. This method involves spatially interpolating the normalized power of a set of reference PV plants to estimate the power production by another set of unknown plants. As little information on the performances of this method could be found in the literature, the first goal of this thesis is to conduct an analysis of the uncertainty associated to this method. It was found that this method can lead to large errors when the set of reference plants has different characteristics or weather conditions than the set of unknown plants and when the set of reference plants is small. Based on these preliminary findings, an alternative method is proposed for calculating the aggregate power production of a set of PV plants. A probabilistic approach has been chosen by which a power production is calculated at each PV plant from corresponding weather data. The probabilistic approach consists of evaluating the power for each frequently occurring value of the parameters and estimating the most probable value by averaging these power values weighted by their frequency of occurrence. Most frequent parameter sets (e.g. module azimuth and tilt angle) and their frequency of occurrence have been assessed on the basis of a statistical analysis of parameters of approx. 35 000 PV plants. It has been found that the plant parameters are statistically dependent on the size and location of the PV plants. Accordingly, separate statistical values have been assessed for 14 classes of nominal capacity and 95 regions in Germany (two-digit zip-code areas). The performances of the upscaling and probabilistic approaches have been compared on the basis of 15 min power measurements from 715 PV plants provided by the German distribution system operator LEW Verteilnetz. It was found that the error of the probabilistic method is smaller than that of the upscaling method when the number of reference plants is sufficiently large (>100 reference plants in the case study considered in this chapter). When the number of reference plants is limited (<50 reference plants for the considered case study), it was found that the proposed approach provides a noticeable gain in accuracy with respect to the upscaling method.

Entwurf und Betrieb von Regelungs- und Monitoringsystemen für dezentrale Energiesysteme auf der Basis von verteilten Embedded Systems

Nach einem einleitenden ersten Kapitel wird im zweiten Kapitel der Stand der Technik für Regelungs- und Monitoringsysteme mit vernetzten Systemen dargestellt. Daraus wird die Motivation zur Entwicklung neuer, kostengünstiger Systeme abgeleitet. Im dritten Kapitel folgt eine Darstellung der verschiedenen Arten marktverfügbarer Embedded Systems und dafür geeigneter Betriebs­systeme. Anforderungen an verteilte Regelungssysteme, unterschiedliche Strukturen dieser Systeme und deren Vor- und Nachteile sind Gegenstand des vierten Kapitels. Anhand von Beispielen aus den Bereichen Erzeugungsmanagement für den Betrieb von KWK-Anlagen, Energieverbrauchsmonitoring und Smart-Metering wird der Einsatz von verteilten Regelungs- und Monitoringsystemen im fünften Kapitel dargestellt. Im folgenden sechsten Kapitel wird die Bedeutung normierter Kommunikation für den Einsatz in verteilten Systemen sowie dafür vorhandene Standards aus der elektrischen Energieversorgungstechnik und der Automatisierungstechnik behandelt. Der Stand der Internet-Technik für verteilte Systeme ist Gegenstand des siebten Kapitels. Dabei werden zunächst die verschiedenen drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikationsmedien vorgestellt und ihre Eigenschaften und die Rand­bedingungen für ihren Einsatz erörtert. Ebenso werden technische Probleme beim Einsatz der Internet-Technik aufgezeigt und Lösungsmöglichkeiten für diese Probleme dargestellt. Es folgt eine Übersicht von Netzwerkdiensten, die für den Betrieb von verteilten Systemen notwendig sind. Außerdem werden Techniken zur Überwachung von verteilten Systemen behandelt. Kapitel acht zeigt Sicherheitsrisiken bei der Nutzung des Internets auf und bewertet verschiedene Techniken zur Absicherung des Netzwerkverkehrs. Kapitel neun stellt ein Internet-basiertes Client-Server-System zur Online-Visualisierung von Anlagendaten im Webbrowser mit Hilfe von Java-Applets und XML-RPC vor. Die Visualisierung von Anlagendaten auf Mobiltelefonen mit Hilfe des Wireless Application Protocol sowie die dafür notwendige Software und Infrastruktur ist Gegenstand des zehnten Kapitels. Im elften Kapitel wird eine neuartige Software für die Simulation von dezentralen Energiesystemen und deren Regelungs­systemen auf Basis von virtuellen Maschinen, virtuellen Netzwerken und einer thermischen Simulationsumgebung vorgestellt sowie deren Anwendung für die Reglerentwicklung erklärt. Verschiedene Techniken für die Installation von Betriebssystemen und Software für die Embedded Systems eines verteilten Systems werden im Kapitel zwölf untersucht. Im Kapitel 13 werden verschiedene Technologien zur Konfiguration und Parametrierung von Regelungssystemen in der industriellen Prozess- und Fertigungs­automatisierung hinsichtlich ihrer Eignung für dezentrale Energiesysteme analysiert. Anschließend wird eine Software zur Installation und Parametrierung von Monitoringsystemen sowie der dazugehörigen Infrastruktur vorgestellt. Kapitel 14 beschäftigt sich mit Anforderungen an die Hardware für verteilte Systeme und mit Maßnahmen zur Erhöhung der Betriebs- und der Datensicherheit. Im 15. Kapitel werden die in den bisherigen Kapiteln vorgestellten Techniken anhand eines großen verteilten Monitoringsystems und anhand eines Power Flow and Power Quality Management Systems auf Basis von verteilten Embedded Systems evaluiert. Kapitel 16 fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und enthält einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.

Managing Quality Properties of Web Service Compositions

Web services from different partners can be combined to applications that realize a more complex business goal. Such applications built as Web service compositions define how interactions between Web services take place in order to implement the business logic. Web service compositions not only have to provide the desired functionality but also have to comply with certain Quality of Service (QoS) levels. Maximizing the users' satisfaction, also reflected as Quality of Experience (QoE), is a primary goal to be achieved in a Service-Oriented Architecture (SOA). Unfortunately, in a dynamic environment like SOA unforeseen situations might appear like services not being available or not responding in the desired time frame. In such situations, appropriate actions need to be triggered in order to avoid the violation of QoS and QoE constraints. In this thesis, proper solutions are developed to manage Web services and Web service compositions with regard to QoS and QoE requirements. The Business Process Rules Language (BPRules) was developed to manage Web service compositions when undesired QoS or QoE values are detected. BPRules provides a rich set of management actions that may be triggered for controlling the service composition and for improving its quality behavior. Regarding the quality properties, BPRules allows to distinguish between the QoS values as they are promised by the service providers, QoE values that were assigned by end-users, the monitored QoS as measured by our BPR framework, and the predicted QoS and QoE values. BPRules facilitates the specification of certain user groups characterized by different context properties and allows triggering a personalized, context-aware service selection tailored for the specified user groups. In a service market where a multitude of services with the same functionality and different quality values are available, the right services need to be selected for realizing the service composition. We developed new and efficient heuristic algorithms that are applied to choose high quality services for the composition. BPRules offers the possibility to integrate multiple service selection algorithms. The selection algorithms are applicable also for non-linear objective functions and constraints. The BPR framework includes new approaches for context-aware service selection and quality property predictions. We consider the location information of users and services as context dimension for the prediction of response time and throughput. The BPR framework combines all new features and contributions to a comprehensive management solution. Furthermore, it facilitates flexible monitoring of QoS properties without having to modify the description of the service composition. We show how the different modules of the BPR framework work together in order to execute the management rules. We evaluate how our selection algorithms outperform a genetic algorithm from related research. The evaluation reveals how context data can be used for a personalized prediction of response time and throughput.

Entwicklung eines Bewertungssystems für die Aschuaiat-Gebiete mit Hilfe des Geographischen Informationssystems (GIS) am Beispiel des Stadtteils Manshiet Nasser in Kairo

Der Schwerpunkt dieser Arbeit handelt sich um die informelle Siedlungen in Kairo (die wir Asch- Gebiete nennen). Der Begriff "Aschuaiat" bezeichnet ganz speziell und treffend dieses Phänomen. Die Probleme der Aschuaiat haben seit den 70er Jahren auf ganz Ägypten und die Stadt Kairo sehr negative Auswirkungen, die im Laufe der Zeit zu massiven Problemen geworden sind. Die Entscheidungsträger versuchten für diese Schwierigkeiten Lösungen zu finden, aber die Ergebnisse waren nicht befriedigend. Dieses Phänomen sieht wie ein städtebauliches Problem aus, kann aber in Wirklichkeit nicht von den ökologischen und sozialen Verhältnisse einer Region getrennt werden. Die Aschuaiat entstehen normalerweise in städtebaulichen Zentren und in größeren Städten als Ergebnisse ihrer Anziehungskraft, da solche Städte ein gutes Angebot an Arbeitsplätzen, insbesondere im Bereich der Dienstleistungen, haben. Im Gegensatz dazu stehen die landwirtschaftlichen Gebiete: sie zeichnen sich insbesondere durch steigende Arbeitslosigkeit und Mangel an Dienstleistungen aus. Deshalb wandert ein Großteil der Bevölkerung vom Land in die Stadt ab, um hier auf die Suche nach einem Arbeitsplatz zu gehen und insgesamt bessere Lebensbedingungen vorzufinden. Die Zahl der Zuwanderer steigt stetig; die Städte können die Bedürfnisse der Bevölkerung an Angeboten für Wohnungen, Arbeitsplätzen und Dienstleistungen nicht erfüllen. Deswegen nimmt die Bevölkerung, ihre Probleme selbst in die Hand. Dies führt in den meisten Fällen zu einer klaren Form von Aschuaiat innerhalb und um die städtebaulichen Zentren herum. Die Anzahl der Aschuaiat, die sich rings um Kairo befinden, beträgt 76 Zonen mit einer Gesamtfläche von 23,10 km² und einer Einwohnerzahl von 2.098.469. Die Anzahl der illegalen Wohnungseinheiten beträgt 70 Prozent des Gesamtwertes legaler, staatlicher oder privater Wohneinheiten. Diese wurden im Zeitraum zwischen 1980 und 2000 erbaut. Jede Provinz in Ägypten hat Asch-Gebiete - mit Ausnahme der Provinzen Süd Sina und Neues Tal. Die meisten konzentrieren sich in den Provinzen El Dakahlia (121) und Dumiat (88). Die wenigsten Asch-Gebiete (jeweils nur eine Zone) gibt es in den Provinzen Rotes Meer und Nord Sina. In Ägypten wird die Einwohnerzahl der Aschuaiat auf 37 Prozent der Gesamtbevölkerung der städtebaulichen Gebiete geschätzt. Über die genaue Anzahl der Aschuaiat liegen jedoch keine zuverlässigen Informationen vor, die statistischen Daten der staatlichen Organisationen weisen unterschiedliche Resultate auf. Das Ministerium für lokale Entwicklung verkündete, dass die Zahl der Aschuaiat im Jahr 2000 ca. 916 und im Jahr 2003 ca. 1.228 Zonen betragen hat; das Informationszentrum zur Unterstützung von Sachentscheidungen registrierte jedoch für das Jahr 2000 eine Zahl von 1.034 Zonen; demgegenüber liegt die von CAPMAS registrierte Anzahl für 2000 bei 909 Zonen. Diese Unterschiede in der Erfassung der statistischen Daten kann darauf zurückgeführt werden, dass es in Ägypten keine einheitliche Definition für Aschuaiat gibt. Dieses Problem verstärkt den Bedarf an geeignetem Bewertungssystem für die Bewertung der Qualität solcher Gebiete in ganz Ägypten. Das vorgeschlagene Bewertungssystem basiert auf der Analyse und Bewertung der Hauptstrukturen, die die eigentliche Zusammensetzung einer Siedlung repräsentieren. Diese Strukturen spiegeln in der Regel die sozialen, städtebaulichen und infrastrukturellen Eigenschaften eines Gebietes wider. Konkret befasst sich diese Untersuchung mit den verschiedenen Strukturen, die die Lebens- und Siedlungsqualität in den Aschuaiat beeinflussen.