4. Programmiertechnische Implementierung der Simulationsmodelle

Nun wird beschrieben, wie die mathematischen Modelle der einzelnen Verbrauchergruppen mit Hilfe einer objektorientierten Programmiersprache in einen Softwaresimulator implementiert werden können. Dazu werden zuerst die Grundlagen und einige Begriffe der objektorientierten Softwareentwicklung beschrieben.

Die objektorientierte Programmierung hat die rationelle Softwareentwicklung zum Ziel. Zu den Vorteilen dieser Programmierungsform gehören u. a. die dynamische Modellerzeugung, eine schnelle Anpassung an veränderte Randbedingungen, leichtes Ändern bzw. Einfügen neuer Eigenschaften und Methoden und die Wiederverwendung bereits entwickelter Modelle. Dazu werden die Modelle abstrahiert und in Klassen beschrieben. Die Daten der Objekte sind gekapselt. Klassen können ihre Datenstruktur und Methoden vererben und Funktionsabläufe dynamisch gewählt werden. Im Folgenden sind die benutzten Begriffe aufgelistet und definiert.

Abstraktion bedeutet, dass ein Objekt durch seine wesentlichen Eigenschaften beschrieben wird. Dabei kann ein Objekt ein Gegenstand aus der realen Welt, eine Methode oder ein Algorithmus sein. Mit der Abstraktion wird erreicht, diese Objekte im Rechner abbilden (simulieren) zu können. Die Abbildung wird Objekt genannt.

Die Beschreibung eines Objektes heißt Klasse. Sie besteht aus der inneren Datenstruktur und die darauf anwendbaren Funktionen oder Methoden. Zur Datenstruktur gehören die Namen und Formate der einzelnen Parameter. Objekte werden auch als Instanzen einer Klasse bezeichnet. Sie werden durch den Aufruf des Konstruktors initialisiert, d. h. benannt und im Rechner abgebildet. Erst die tatsächlich im Rechner abgebildeten Objekte besitzen konkrete Daten. Es können mehrere Objekte einer Klasse initialisiert werden.

Um unzulässige Zugriffe auf ein Objekt oder seine Variablen zu vermeiden, werden die Daten eines Objektes gekapselt. Durch die Kapselung wird der Zugriff auf die so genannten lokalen Variablen oder Membervariablen nur über definierte Schnittstellen zugelassen. Diese Schnittstellen sind meist Funktionen, denen bei ihrem Aufruf Parameter übergegeben werden. Das Objekt speichert diese übergebenen Daten, wenn nötig in lokalen Variablen. Danach führt es selbstständig die durch die Datenübergabe notwendigen Verarbeitungsschritte aus. Diese Vorgehensweise dient der Sicherheit der lokalen Daten und der Vermeidung versehentlicher Fehler. Auch die Abfrage der Membervariablen von außen erfolgt nach diesem Prinzip. Dabei wird die Funktion als Variable mit dem Datenformat des Rückgabewertes behandelt. Sie kann somit einer Variablen des gleichen Typs direkt zugewiesen werden.

Die Vererbung erlaubt es, eine neu zu entwickelnde Klasse von einer bereits vorhandenen Klasse (Oberklasse) abzuleiten. Dabei erbt die neue Klasse (Unterklasse) die Datenstruktur und die Funktionen der Oberklasse. Danach können weitere Parameter und Methoden hinzugefügt oder die geerbten Funktionen überschrieben werden. Durch die Vererbung ist es möglich, die Modellentwicklung hierarchisch aufzubauen. D. h., es wird eine Oberklasse mit den in allen Unterklassen notwendigen Parametern und Methoden entwickelt. Die Unter-klassen können dann wie ein Stammbaum mit einer "Ur-Klasse" aufgebaut werden. Somit ist es nicht mehr notwendig, in jeder Klasse die grundsätzlichen Daten und Funktionen neu zu definieren. Eine Klasse kann auch aus zwei oder mehr Vorgängern zusammengesetzt werden.

Die Funktionen eines Objektes können bei der objektorientierten Programmierung dynamisch festgelegt werden. Dabei ist der Aufruf einer Funktion mit ihrem Namen mehrdeutig. Das Objekt entscheidet anhand der Signatur des Aufrufs, welche Verarbeitungsweise ausgeführt werden soll. Die Signatur des Funktionsaufrufs besteht aus dem Format des Rückgabeparameters und aus der Reihenfolge bzw. dem Format der übergebenen Daten. Die Mehrdeutigkeit einer Funktion wird als Überladen bezeichnet. Mit dieser Vorgehensweise kann u. a. auch die Initialisierung eines Objektes durch das Überladen des Konstruktors dynamisch variiert werden.

Eine virtuelle Funktion wird verwendet, wenn in einer Oberklasse bereits eine Funktion festgelegt werden soll, die in allen Unterklassen mit derselben Signatur vorhanden ist. Dabei wird der entsprechende Programmablauf in jeder Unterklasse bestimmt. Die virtuelle Funktion kann dann mit dem Namen der Oberklasse aufgerufen werden. Es wird aber der Ablauf ausgeführt, der der Klasse des tatsächlich initialisierten Objektes entspricht. Wie bereits erwähnt, muss die Signatur in allen Klassen übereinstimmen. Wenn dies nicht der Fall ist, werden sie wie normale überladene Funktionen behandelt. Eine Klasse mit mindestens einer virtuellen Funktion ist eine virtuelle Klasse. Von einer virtuellen Klasse kann keine Instanz initialisiert werden.

Als erstes wird ein Hauptfenster als Objekt initialisiert, welches die Eingabe und Verarbeitung der vom Benutzer einzugebenden Daten sowie die Berechnung bzw. die Ausgabe des Lastgangs steuert. Zur Datenabfrage dienen Dialogfenster, die je nach gewünschter Eingabe (Lastgangdaten, Verbraucherdaten, usw.) aufgebaut werden. Diese Dialogfenster werden innerhalb eines Funktionsablaufs dynamisch erzeugt und kontrollieren die Eingaben selbst-ständig auf Fehler und Vollständigkeit. Nach der korrekten Eingabe erfolgt die Verarbeitung der Parameter in derselben Funktion. Die für die Simulation eines Lastgangs notwendigen Daten werden im Folgenden beschrieben.
Die Elektrogeräte, aus deren Energieverbrauch sich der Lastgang zusammensetzt, werden im Programmablauf dynamisch als Objekt initialisiert. Nach Kapitel 3.3 werden drei Klassen für die Darstellung der Verbraucher benötigt. Diese Verbraucherklassen werden von einer virtuellen Oberklasse abgeleitet und sind somit hierarchisch aufgebaut. Die "Ur-Klasse" heißt TVerbraucher, von der die Klassen der permanenten, der Ein-Aus und der Finite-State Verbraucher abgeleitet sind. Die für die Verbraucherklassen notwendigen Parameter und deren Methoden werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. Die weiteren im Programm integrierten Möglichkeiten (z. B.: Verbraucherdatenbank, Lastgang drucken u. ä.) werden in dieser Arbeit nicht weiter behandelt.

Zu Begin einer Simulation werden die allgemeinen Daten des Lastgangs benötigt. Diese sind hier aufgelistet und ihre Eingabe und Verarbeitung wird an Hand eines Struktogramms (siehe Abbildung 4.1) erläutert.

Die allgemeinen Daten des Lastgangs:

Abbildung 4.1: Funktion "Setze Lastgangeinstellungen" des Hauptprogramms

Mit diesen Angaben sind die charakteristischen Eigenschaften des Lastgangs festgelegt. Im Funktionsablauf werden sie nach der Eingabe initialisiert. Dabei setzt sich die Start- und Stoppzeit jeweils aus Datum und Uhrzeit zusammen. Wenn eine Stoppzeit - keine Dauer - eingegeben worden ist, muss die Dauer des Lastgangs berechnet werden. Die Schrittweite bestimmt die Abtastperiodendauer der Zeitdiskretisierung des zu simulierenden Lastgangs. Mit der Impulskonstante wird die Quantisierung der einzelnen zeitdiskreten Leistungswerte durchgeführt. Aus der Schrittweite und der Dauer wird vom Programm die Anzahl dieser Leistungswerte berechnet. Danach wird ein Feld mit der berechneten Anzahl an Gleitkommavariablen für die einzelnen Leistungswerte erstellt und im Speicher abgelegt. Ein Feld mit der gleichen Anzahl von Variablen wird benötigt, um die zufälligen Streuungen der Leistungswerte des Lastgangs festzulegen. Dies ist notwendig, weil diese Streuung für alle Verbraucher gleich sein soll. Mit der Streuung, die in % angegeben werden muss, wird dieses Feld mit zufälligen, nach der gaußschen Normalverteilung bestimmten Faktoren, gefüllt. Dieses Feld wird dem Verbraucher übergeben und dieser muss, soweit er der allgemeinen Streuung unterliegt, seine berechnete Last zum diskreten Zeitpunkt mit dem entsprechenden Faktor aus diesem Feld multiplizieren.

Um ein Verbraucher-Objekt initialisieren zu können, benötigt das Programm noch die charakteristischen Daten des Elektrogerätes, welches in den Lastgang einbezogen werden soll. Dazu gehören zunächst die Angaben, die für alle drei Verbraucherklassen gleich sind. Sie sind in der "Ur-Klasse" festgelegt.

Die Daten der "Ur-Klasse" TVerbraucher:

Abbildung 4.2: Funktion "Setze Verbrauchereigenschaften" des Hauptprogramms

Mit den im ersten Schritt eingegebenen Daten wird der Verbraucher eindeutig identifiziert. Das ist besonders im Hinblick auf die Verbraucherdatenbank wichtig. Die Art legt die Klasse fest, als dessen Instanz der Verbraucher initialisiert werden soll. Außerdem werden damit die objekttypischen Angaben, die noch benötigt werden, bestimmt. Die Schaltzeiten bestimmen die vier in Kapitel 3.3.1 beschriebenen Schaltmöglichkeiten aller Verbraucherklassen. Dabei muss als erstes definiert werden, ob der Verbraucher täglich mit den angegebenen Zeiten geschaltet werden soll oder nicht. Wenn nicht, dann muss nur die Start- und Stoppzeit mit Datum und Uhrzeit angegeben werden. Andernfalls wird die jeweilige Uhrzeit ohne Datum benötigt. Zusätzlich müssen dann die Streuungswerte der Startzeit und der Einschaltdauer bestimmt werden. Danach muss angegeben werden, ob der Verbraucher die in den allgemeinen Daten des Lastgangs definierte Streuung der Leistungswerte berücksichtigen soll. Es besteht auch die Möglichkeit, eine verbrauchereigene Streuung anzugeben. Als letztes wird die Leistungsaufnahme im ausgeschalteten Zustand, die nicht Null sein muss, benötigt.
Nun müssen noch die charakteristischen Parameter der gewählten Verbraucherklasse eingegeben werden. Die Klasse der permanenten Verbraucher benötigt nur noch die Angaben über die Eigenschaften des Ein-Zustands. Diese setzen sich bei dieser Klasse aus dem Verlauf, der Start-, der Endleistung und der Steigungsdauer zusammen. Der Verlauf kann dabei die in Kapitel 3.3.3 beschriebenen fünf Möglichkeiten annehmen.
Bei den Ein-Aus Verbrauchern müssen die Daten des 1. und 2. Zustands mit ihrem Verlauf, Start- und Endleistung, Steigungs- und Funktionsdauer und den Faktoren der ersten 3 Perioden angegeben werden. Zusätzlich wird noch die Streuung der Funktionsdauer benötigt. Diese kann direkt in Sekunden oder % eingegeben oder nach Vorgabe der Standardabweichung der Arbeit pro Tag oder pro Periode vom Programm berechnet werden.
Die Streuung der Funktionsdauer wird bei den Finite-State Verbrauchern gleichermaßen behandelt. Die Anzahl der Zustände (maximal 10 Zustände) und deren Eigenschaften sind wie zuvor bei den Ein-Aus Geräten anzugeben. Des Weiteren muss festgelegt werden, ob die Abfolge der Zustände periodisch wiederholt werden soll oder ob nach einem Durchlauf die Leistungsaufnahme bis zur Stoppzeit auf die dann vorzugebende Stand-By-Leistung gesetzt wird. Abbildung 4.2 zeigt das Struktogramm der Datenabfrage.

Im vorherigen Abschnitt, wurden die Parameter definiert, die ein Verbraucher-Objekt zur Simulation benötigt. Hier werden die Funktionen der Verbraucherklassen definiert. Eine Übersicht aller Funktionen zeigt die Tabelle 4.1. Sie zeigt auch, welche Funktionen in welcher Verbraucherklasse vorhanden sind. Virtuelle Funktionen der Klasse TVerbraucher sind mit einem V gekennzeichnet.

Tabelle 4.1: Funktionen der Verbraucher-Klassen

• Konstruktor:

Durch den Aufruf des Konstruktors wird ein Verbraucher-Objekt initialisiert. Nach der Initialisierung wird das Objekt vom Hauptprogramm in eine Liste mit allen Verbrauchern eingetragen. Im Funktionsablauf des Konstruktors werden die übergebenen Daten in lokalen Variablen gespeichert. Für die zeitdiskreten Leistungswerte des Verbrauchers wird ein Feld mit der benötigten Anzahl von Double-Werten initialisiert.

• Setze Lastgangzeiten:

Diese Methode wird aufgerufen, wenn die Eigenschaften des Lastgangs geändert worden sind. Den Verbraucher-Objekten werden damit die neuen Daten übergeben. Im Funktionsablauf wird das alte Feld der Leistungswerte aus dem Speicher entfernt. Danach wird ein Feld mit der neuen Anzahl initialisiert. Nach dem Aufruf dieser Methode muss auch die Funktion "Berechne Leistungswerte" erneut durchgeführt werden.

• Setze Schaltzeiten:

Die Methode "Setze Schaltzeiten" legt die übergebenen Parameter in lokalen Variablen ab.

• Setze Leistungsverläufe:

Die in dieser Methode übergebenen Parameter sind für die Verbraucherklassen unterschiedlich. Sie werden im Funktionsablauf in Membervariablen gespeichert.

• Berechne mittlere Arbeit (Double):

Die Funktion "Berechne mittlere Arbeit" ist in Abbildung 4.3 (Seite 43) dargestellt. Sie ist in allen Verbraucherklassen gleich. Ihr werden die Daten eines Funktionsverlaufs übergeben. Im Programmablauf wird das Integral dieser Funktion in den übergebenen Grenzen berechnet. Das Ergebnis dieser Berechnung wird als Double-Wert zurückgegeben.

• Berechne Leistungswerte:

Diese Funktion berechnet die zeitdiskreten Leistungswerte der Verbraucher. Dazu wird das Feld mit den Faktoren (zufällig nach der gaußschen Normalverteilung bestimmt) der allge-meinen Streuung der Leistungswerte übergeben. Diese Methode ist abhängig von der Art des Verbrauchers und ist in den Abbildungen 4.4 bis 4.7 (Seite 44 - 47) für die verschiedenen Klassen dargestellt.

• Lese Leistungswert (Double):

Beim Aufruf der Funktion "Lese Leistungswert" wird der Index des gewünschten, zeitdiskreten Leistungswertes übergeben. Das Verbraucher-Objekt gibt dann den entsprechenden Wert im Double-Format zurück. Die Abfrage der einzelnen Leistungswerte dient dazu, sie von allen Verbraucher-Objekten in einer Schleife von 1 bis zur Anzahl der Leistungswerte abzurufen und zum resultierenden Lastwert zu addieren.

• Lese Verbrauchereigenschaften (String):

Die Methode "Lese Verbrauchereigenschaften" gibt die charakteristischen Eigenschaften des Verbraucher-Objektes in einer festgelegten String-Form zurück. Sie benötigt keine Parameterübergabe.

• Lese berechnete Werte (String):

Die Methode "Lese berechnete Werte" dient dazu, bestimmte statistische Werte (z.B.: Energieverbrauch pro Tag oder während der Aus-Zustände) abzufragen. Die Werte werden bei der Berechnung der Leistungswerte bestimmt. Die Übergabe erfolgt auch mit Hilfe einer festgelegten String-Form. Die statistischen Werte können als Zusatzinformationen im Lastgang graphisch dargestellt werden. Die Berechnung dieser Werte ist in den Ablaufdiagrammen nicht berücksichtigt worden.

• Berechne Streuung der Funktionsdauer:

Diese Funktion ist nur in den Klassen der Ein-Aus und Finite-State Verbraucher vorhanden. Sie berechnet die prozentuale Streuung der Dauer der einzelnen Funktionsverläufe. Diese Berechnung erfolgt mit Gl. 3.15 - 17 & 3.19 - 20 (Seite 15 ff). Sie wird hier nicht näher erläutert.

• Berechne Funktionsdauer (Double):

Auch diese Methode ist nur in den Klassen der Ein-Aus und Finite-State Verbraucher vorhanden. Im Programmablauf wird mit den übergebenen Werten (mittleren Funktionsdauer und Streuung) die Zeit bis zum nächsten Zustandswechsel zufällig bestimmt und als Double-Wert zurückgegeben.

• Destruktor:

Der Destruktor wird aufgerufen, um ein nicht mehr benötigtes Objekt aus dem Speicher zu entfernen. Er sorgt dafür, dass der Speicherbereich aller im Konstruktor initialisierten lokalen Variablen wieder freigegeben wird.

In Abbildung 4.3 ist die Methode "Berechne mittlere Arbeit", die bei allen Verbraucherarten gleich ist, dargestellt. Es wird gezeigt, wie das Integral, mit den an die Methode übergebenen Zeiten, je nach Verlaufsform der Funktion bestimmt wird. Dabei werden die Formeln zur Berechnung aus Kapitel 3.4 nicht gesondert aufgeführt.
Die Berechnung der zeitdiskreten Leistungswerte bei einem permanenten Verbraucher zeigt die Abbildung 4.4 (Seite 44). Die Eingabe des Feldes der Streuungsfaktoren erfolgt - wie bereits erwähnt - mit dem Aufruf dieser Methode. Ob diese Faktoren berücksichtigt werden, wird danach entschieden. Wenn keine Verbraucher-Startzeit eingegeben wurde oder die eingegebene kleiner als die Startzeit des Lastgangs ist, wird sie gleich der Lastgang-Startzeit gesetzt. Da in diesem Fall der Verbraucher auch vor dem betrachteten Zeitraum bereits eingeschaltet war, darf sein Leistungsverhalten beim Start nicht berücksichtigt werden. Dazu wird er, wenn er keinen konstanten Lastverlauf besitzt, auf einen solchen mit der Endleistung gesetzt. Im Anschluss wird mit einer for-Schleife jeder einzelne Leistungswert berechnet. Es wird dabei zuerst die Start- ( T_i ) und Stoppzeit ( T_{i + 1} ) des Abtastintervalls in Abhängigkeit vom Index des Wertes berechnet. Bei täglich schaltenden Verbrauchern werden, wenn ein neuer Tag begonnen hat, die Start- und Stoppzeit mit den jeweiligen Mittelwerten und Streuungen neu zufällig bestimmt. Im Anschluss wird die mittlere Arbeit über den Abtastzeitraum berechnet. Dabei muss ein evtl. Zustandswechsel in diesem Intervall berücksichtigt werden. Wenn die Arbeit über den Zeitraum berechnet worden ist, wird diese durch die Schrittweite des Abtastintervalls dividiert. Der Quotient wird mit dem Feldwert, der dem Streuungsfaktor entspricht, multipliziert. Zum Schluss wird evtl. noch eine zufällige Abweichung vom Mittelwert (bei eigener Streuung) hinzuaddiert.
Bei den Ein-Aus und Finite-State Verbrauchern ist der Ablauf ähnlich. Der erste Teil ist bei beiden Arten gleich (Abbildung 4.5 / Seite 45). Dabei wird zusätzlich zum permanenten Verbraucher die prozentuale Streuung der Funktionsdauer berechnet. Der Zustand beim Start des Lastgangs wird zufällig gewählt bzw. berechnet, wenn keine Verbraucher-Startzeit vorgegeben wurde oder diese kleiner als der Lastgangstart ist. Die Start- ( T_Zein ) und Stoppzeit ( T_Zaus ) des beim Einschaltzeitpunkt des Verbrauchers aktuellen Zustands, werden mit seiner Dauer und der berechneten Streuung festgelegt.

Tabelle 4.3: Funktion "Berechne mittlere Arbeit" aller Verbraucherarten

Tabelle 4.4: Methode "Berechne Leistungswerte" der permanenten Verbraucher

Die Abbildung 4.6 (Seite 46) zeigt die Fortsetzung der Methode "Berechne Leistungswert" der Ein-Aus Verbraucher. Auch bei dieser Verbraucherart wird jeder einzelne zeitdiskrete Leistungswert in einer for-Schleife berechnet. Dazu wird wiederum der Abtastzeitraum mit Start- ( T_i ) und Stoppzeit ( T_i+1 ) bestimmt. Wenn ein neuer Tag begonnen hat, wird bei den täglich schaltenden Verbrauchern die Einschaltzeit und -dauer zufällig bestimmt und der Verbraucher in den ersten Zustand geschaltet. Dabei wird die Startzeit des Zustands ( T_Zein ) auf die neue Einschaltzeit gesetzt. Die Stoppzeit ( T_Zaus ) wird mit der Funktionsdauer-Streuung zufällig, nach der gaußschen Normalverteilung, festgelegt. Danach wird die mittlere Arbeit über den gesamten Abtastzeitraum ermittelt. Wenn der Abtaststart nach der Ausschaltzeit des Verbrauchers oder der Abtaststopp vor der Einschaltzeit liegt, befindet sich das simulierte Elektrogerät über die gesamte Abtastperiode im Aus-Zustand. Die Berechnung der mittleren Arbeit erfolgt dann mit den Parametern der Abtaststart- und -stoppzeit und der Aus-Leistung. Andernfalls liegt das Abtastintervall ganz oder teilweise innerhalb der Einschaltzeit und die mittlere Arbeit muss ggf. aus unterschiedlichen Zuständen addiert werden. Zuerst wird kontrolliert, ob der Abtaststart vor der Einschaltzeit des Verbrauchers liegt. In diesem Fall muss die Arbeit im Aus-Zustand von T_i bis zum Einschaltzeitpunkt berechnet und als Zwischenwert gespeichert werden. T_i wird dann gleich der Einschaltzeit gesetzt. Wenn T_i+1 nach dem Ausschaltzeitpunkt liegt, wird die mittlere Arbeit des Aus-Zustands von der Ausschaltzeit bis T_i+1 zum Zwischenwert addiert. T_i+1 muss in dem Fall gleich der Ausschaltzeit gesetzt werden. Jetzt wird die Arbeit über den Zeitraum der evtl. neu bestimmten Zeitpunkten T_i bis T_i+1 je nach Zustand, in dem der Verbraucher sich befindet, berechnet. Die berechneten Werte der Arbeit werden zum Zwischenwert aufaddiert. Es wird solange zwischen beiden Zuständen des Ein-Aus Verbrauchers hin und her geschaltet, bis T_i+1 vor dem nächsten Zustandswechsel liegt. Der Zwischenwert wird durch die Schrittweite dividiert. Der Quotient ergibt die mittlere Leistung und wird mit dem entsprechenden Faktor des Feldes der allgemeinen Streuungen multipliziert. Eine evtl. eigene Streuung wird zum Schluss berücksichtigt. Bei einem Finite-State Verbraucher (Abbildung 4.7 / Seite47) erfolgt die Berechnung der einzelnen Leistungswerte ähnlich. Nur sind bei dieser Verbraucherart mehr Zustände zu berücksichtigen. Auch hier wird solange auf den nächsten Zustand geschaltet, bis T_i+1 vor dem folgenden Wechsel liegt. Wenn der letzte Zustand erreicht ist, muss der Verbraucher entweder in den Stand-By- oder in den ersten Zustand geschaltet werden.

Tabelle 4.5: 1.Teil "Berechne Leistungswerte" der Ein-Aus und Finite-State Verbraucher

Tabelle 4.6: 2. Teil der Methode "Berechne Leistungswerte" der Ein-Aus Verbraucher

Tabelle 4.7: 2. Teil der Methode "Berechne Leistungswerte" der Finite-State Verbraucher