Adaptive and Resilient Electricity Grid Management with Smart Buildings

Die Energiewende von großen Kraftwerken hin zu dezentralisierter und meist erneuerbarer Energieerzeugung sowie die Elektrifizierung der Verkehrs- und Wärmesektoren stellen Stromverteilnetze vor neue Herausforderungen. Probleme wie die Überlastung von Netzleitungen und Transformatoren sowie Spannungsbandabweichungen können hierdurch häufiger auftreten, da die bestehenden Netze für kleinere Lasten ausgelegt wurden.

Eine Möglichkeit die Belastung von Stromverteilnetzen zu senken ist die Nutzung der energetischen Flexibilität moderner Wohngebäude. Im Gebäudekontext beschreibt energetische Flexibilität die Möglichkeit zur Anpassung des Energieerzeugungs- und -verbrauchsprofils durch die Anpassung von Einstellungen und Laufzeiten steuer- oder programmierbarer Geräte und Anlagen. ... mehrGebäudeenergiemanagementsysteme und mit Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) aufgewertete Stromverteilnetze (Smart Grids) können diese Flexibilität auch zur Netzunterstützung abrufbar machen. Smart Grids bieten umfangreiche Überwachungs- und Steuerungsmöglichkeiten, machen die Stromnetze allerdings auch anfällig für IKT-Störungen, wie Kommunikationsabbrüche und Cyberangriffe. In der existierenden Literatur fehlen umfassende Ansätze zur Erreichung eines resilienten Stromverteilnetzbetriebs trotz störungsanfälliger IKT-Infrastruktur.

Der wesentliche Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluation eines adaptiven Stromnetzmanagementsystems. Durch die Nutzung der energetischen Flexibilität und Intelligenz von Wohngebäuden mit Gebäudeenergiemanagementsystemen schafft dieses System Resilienz sowohl gegenüber elektrischen als auch IKT-Störungen. Das System wird durch Erweiterung des Gebäudeenergiemanagementsystems Organic Smart Home implementiert, welches auf der Observer/Controller-Architektur aus dem Organic Computing basiert und die Selbstorganisation der Systemteilnehmer erlaubt. Um das System erstellen und evaluieren zu können, werden eine Definition der Resilienz von intelligenten Stromverteilnetzen, Metriken zur Quantifizierung dieser Resilienz sowie geeignete Maßnahmen gegen elektrische und IKT-Störungen entwickelt. Neuentwickelte Algorithmen zur Spannungshaltung, adaptiven Photovoltaikabregelung, und Nutzung von Wirkleistungsflexibilität schaffen Resilienz gegen Spannungs-, Transformator-, und Leitungs-basierte Störungen. Um Resilienz gegen IKT-Störungen zu erzielen, werden zentralisierte, verteilte und dezentralisierte Netzmanagementstrategien entwickelt, zwischen denen die Systemteilnehmer selborganisiert wechseln, falls Kommunikationsabbrüche, Teilnehmerfehlverhalten (systemintern oder durch Cyberangriffe) oder Sensorausfälle auftreten.

Nach umfassenden Parameterstudien, werden sowohl eine vergleichende Evaluation der verschiedenen Netzmanagementstrategien und -maßnahmen, als auch individuelle Studien zur Bewertung der Leistung des Systems bei Auftreten von IKT-Störungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Evaluation zeigen, dass das entwickelte Netzmanagementsystem und jede Netzmanagementstrategie für sich Stromausfälle und Schäden an den Netzbetriebsmitteln sogar in extremen Lastszenarien vollständig verhindert, sofern eine ungestörte IKT-Infrastruktur angenommen wird. Die verwendeten Netzmanagementmaßnahmen limitieren die Notwendigkeit zur Lastabregelung zudem effektiv. Durch den Wechsel zwischen den drei Strategien, kann das Netzmanagementsystem den Netzbetrieb in fast allen evaluierten Szenarien zu Kommunikationsabbrüchen und Teilnehmerfehlerverhalten aufrechterhalten. Allerdings kann das Fehlverhalten mehrerer Gebäude nur bis zu einem gewissen Punkt durch die übrigen Gebäude kompensiert werden.

Zusammenfassend erweitern die Entwicklung und Evaluation des vorgestellten adaptiven Netzmanagementsystems nicht nur die Forschung im Kontext resilienter Smart Grids, sondern auch die Forschungsfelder Organic Computing und Energieinformatik.

The transition from large power plants to decentralized and mostly renewable energy generation as well as the electrification of the transportation and heating sectors entail new challenges for electricity distribution grids. Issues such as the overloading of grid lines and transformers as well as voltage range deviations can become more common, as existing grids were designed for smaller, unidirectional, and less synchronous loads.

One way to reduce the burden on distribution grids is to utilize the energy flexibility of modern residential buildings. In the context of buildings, energy flexibility is the possibility of changing the profile of energy consumption and generation by adjusting the settings and run times of controllable or programmable devices. ... mehrBuilding energy management systems and distribution grids enhanced with information and communication technology (ICT), called smart grids, can make the flexibility of a building usable for grid support. While smart grids provide comprehensive and detailed monitoring and control options, they also make electricity grids subject to ICT disturbances, such as communication disruptions or cyberattacks. The existing literature with regard to ICT disturbances in smart grids only addresses specific issues. It lacks comprehensive approaches for achieving resilient distribution grid operation in the presence of diverse ICT disturbances.

The main contribution of this thesis is the development and evaluation of an adaptive grid management system. This system provides resilience with regard to both electrical as well as ICT disturbances by leveraging the energy flexibility and intelligence of smart residential buildings. We implement it by extending the building energy management system Organic Smart Home, which is based on the Observer/Controller architecture stemming from the research initiative Organic Computing. This allows for the self-organization of the system participants. To build and evaluate the system, we develop a resilience definition and resilience quantification metrics for smart electricity distribution grids as well as appropriate countermeasures to a range of electrical and ICT disturbances. Newly developed voltage maintenance, adaptive photovoltaic system curtailment, and active power flexibility use algorithms provide resilience against voltage-, transformer-, and grid-line-related disturbances. To achieve resilience against ICT disturbances, the system participants switch between newly developed centralized, distributed, and decentralized grid management strategies in a self-organized manner to mitigate the effects of communication disruption, participant misconduct (system-internal or due to cyberattacks), and sensor failure.

After comprehensive parameter studies, we conduct a comparative evaluation of the developed grid management measures and strategies as well as individual studies evaluating the performance of the system with regard to mitigating communication disruption and participant misconduct. Our evaluation results show that the developed grid management system and each individual grid management strategy fully prevents electricity outages and equipment damage even in extreme scenarios if undisturbed ICT infrastructure is assumed. The employed grid management measures are effective in limiting the need for load curtailment. By switching between the three strategies, the grid management system is able to uphold grid operation in almost all evaluated communication disruption and participant misconduct scenarios. However, misconduct by multiple buildings at once can only be compensated by the remaining buildings up to a certain point.

In conclusion, the presented and evaluated adaptive grid management system not only adds to the research area concerned with resilient smart grids, but also contributes to the research fields Organic Computing and Energy Informatics.