Industry grade residential energy management as a service

Abstract

A new law in Germany facilitates sharing solar panels in multi-party residential buildings. An energy management service provider (either a person or a company) can now maintain the appliances and distribute the produced energy within the building. For that, they need software to read metering data, perform automation, and handle invoicing. Additionally, future smart grids will allow extending Demand Side Management (DSM) to private households by connecting to this software, stabilizing the energy grid through dynamic demand adjustment in smart homes. One key challenge for such a system is the heterogeneous landscape of smart objects and network protocols-a problem that existing open source home automation software has already solved through ecosystems of plugins. This thesis investigates whether one of these existing products can serve as a basis for an industry-grade, multi-tenant Software as a Service (SaaS) product that energy management service providers can sell to many buildings. We contribute by combining existing research to derive requirements and a system design for the new scenario, and implement the most critical components in a prototype. We start by reviewing existing scenarios, standards, architectures and best practices for Internet of Things (IOT), smart home, smart grid, multi-tenant architectures, SaaS, and DevOps from literature. Then, we derive requirements and create a system design. After that, we implement a residential energy management platform based on existing open source technologies. The platform can collect sensor data at the edge using the home automation software openHAB and send it to the cloud. It can be deployed with almost no manual interaction through terraform, using configuration and infrastructure as code, and an edge optimized version of Kubernetes for orchestration of workloads. Additionally, we give detailed designs, access control patterns, and data flow sequences, and integrate the most relevant parts into the platform to show how the system can process collected data and achieve multi-tenancy. Eventually, we can show with our results that using existing open source home automation software in the given scenario is possible, but running it at scale for many tenants requires significant maintenance effort. We conclude by presenting a decision matrix with key decision criteria that influence the feasibility of the presented approach and some alternatives. This matrix helps decide under which circumstances home automation software should be reused and when another approach is probably the better choice. Ein neues Gesetz in Deutschland erleichtert die gemeinsame Nutzung von Solaranlagen in Mehrparteienwohngebäuden. Ein Energiemanagement-Dienstleister (entweder eine Person oder ein Unternehmen) kann nun die Anlagen warten und die erzeugte Energie innerhalb des Gebäudes verteilen. Dafür benötigen sie Software, um Messdaten auszulesen, Automatisierungen durchzuführen und die Rechnungsstellung zu übernehmen. Zusätzlich werden zukünftige Smart Grids die Ausweitung des Demand Side Management (DSM) auf private Haushalte ermöglichen, indem sie sich mit dieser Software verbinden und das Stromnetz durch dynamische Anpassung des Strombedarfs in Smarthomes stabilisieren. Eine zentrale Herausforderung für ein solches System ist die heterogene Landschaft von Smart Objects und Netzwerkprotokollen – ein Problem, das bestehende Open-Source Software für die Smart-Home-Automatisierung bereits durch Ökosysteme von Plug-ins gelöst hat. Diese Arbeit untersucht, ob eines dieser bestehenden Produkte als Grundlage für ein industrietaugliches Multi-Tenant-Software-as-a-Service-Produkt (SaaS) dienen kann, das Energiemanagement-Dienstleister an viele Gebäude verkaufen können. Wir leisten einen Beitrag, indem wir bestehende Forschungsergebnisse kombinieren, um Anforderungen und ein Systemdesign für das neue Szenario abzuleiten, und die wichtigsten Komponenten in einem Prototyp implementieren. Wir beginnen mit einer Überprüfung bestehender Szenarien, Standards, Architekturen und empfohlener Vorgehensweisen für das Internet der Dinge (IoT), Smarthome, Smart Grid, Multi-Tenant-Architekturen, SaaS und DevOps aus der Literatur. Anschließend leiten wir Anforderungen ab und erstellen ein Systemdesign. Danach implementieren wir eine Plattform für das Energiemanagement in Wohngebäuden, basierend auf bestehenden Open-Source-Technologien. Die Plattform kann Sensordaten am Edge mithilfe der Hausautomationssoftware openHAB sammeln und in die Cloud senden. Sie kann mit geringer manueller Interaktion durch Terraform bereitgestellt werden, unter Verwendung von Konfiguration und Infrastruktur als Code, sowie einer edge-optimierten Version von Kubernetes für die Orchestrierung von Arbeitslasten. Zusätzlich zeigen wir detaillierte Designs, Zugriffskontrollmuster und Datenflusssequenzen und integrieren die relevantesten Teile in die Plattform, um zu zeigen, wie das System gesammelte Daten verarbeiten und Multi-Tenancy erreichen kann. Schließlich können wir mit unseren Ergebnissen zeigen, dass die Verwendung bestehender Open-Source-Hausautomationssoftware im gegebenen Szenario möglich ist, aber ihr Betrieb im großen Maßstab für viele Häuser erheblichen Wartungsaufwand erfordert. Abschließend stellen wir eine Entscheidungsmatrix mit wichtigen Entscheidungskriterien vor, die die Machbarkeit des vorgestellten Ansatzes und einige Alternativen beeinflussen. Diese Matrix hilft zu entscheiden, unter welchen Umständen Hausautomationssoftware wiederverwendet werden sollte und wann ein anderer Ansatz wahrscheinlich die bessere Wahl ist.