TU Darmstadt / ULB / TUprints

Resilience in Critical Infrastructures

Egert, Rolf (2021):
Resilience in Critical Infrastructures. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019961,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Resilience in Critical Infrastructures
Language: English
Abstract:

To the present day, the resilient operation of energy grids relies on the continuous supply of electricity provided by conglomerates of power plants, which adjust their production to the demand of the consumers. Transregional and international connections enable these conglomerates to maintain large amounts of reserve capacities for mitigating deviations from the crucial balance between demand and supply.

However, for years, energy grids have been undergoing drastic changes as part of the energy transition towards more economic and ecological smart grids. As a result, a growing amount of electricity is produced by increasingly volatile producers that are distributed throughout the energy grid. Furthermore, formerly passive consumers evolve to so-called prosumers capable of producing electricity locally. Whilst these changes support the goals of the energy transition, they also exacerbate the already challenging task of maintaining a continuous balance between the demand and supply of electricity and threaten the resilient operation of energy grids. This thesis makes the following three main contributions to improve the resilient operation of smart energy grids:

We propose a semi-formal model for structuring energy distribution grids as holarchies—dynamic hierarchies that facilitate the autonomous operation of sub-parts (holons). The resilient operation of these holons is improved by involving heterogeneous stakeholders into processes for mitigating the impact of hazardous situations on the continuous supply of electricity. Towards this end, our model empowers stakeholders to offer local resources dynamically as so-called flexibilities to support compensating deviations from the balance between demand and supply. We demonstrate our model by integrating it as a discrete-time simulation environment called HOLEG, which was developed as a part of this thesis. To assess the willingness of people to be increasingly involved in processes for mitigating hazardous situations in energy grids, an online survey was conducted. The results show that people are indeed willing to be more involved; however, numerous concerns related to IT-security and privacy remain.

The second main contribution addresses the combined technical challenge of organizing holons within holarchies and allocating available flexibilities to mitigate demand and supply deviations. First, we specify the joint challenge (In this work referred to as the Holon Problem) as a multivariate optimization problem and customize three prominent metaheuristic optimization approaches based on particle swarm optimization (PSO), genetic algorithms (GAs), and ant colony optimization (ACO) to find near-optimal solutions to the problem at hand. Towards this end, we propose and formalize a cost function that allows assessing the quality of solutions to the Holon Problem quantitatively, taking into account operational constraints of holonic energy grids as well as numerous ecological, economic, and resilience criteria. The three metaheuristics are evaluated within a simulated large-scale holonic distribution grid using the HOLEG simulation environment. The results show that metaheuristics are well-suited to find near-optimal solutions to the Holon Problem in situations with both, strict and relaxed time constraints. The final contribution deals with social challenges that emerge from operating energy grids as holarchies and involving people into processes for mitigating hazardous situations. First, we emphasize that knowledge about energy grid topics is a crucial component for people to become more aware and take on an increasingly responsible role within holonic energy grids. Second, we provide reasons why laypersons currently lack energy grid knowledge and discuss the potential benefits of increasing their domain knowledge about the resilient operation of energy grids. Third, we stress that knowledge—by itself—is insufficient to motivate people to become increasingly active and highlight strategies to increase their motivation based on monetary and non-monetary incentives. Finally, we propose a serious game prototype as a means to increase the knowledge of people about energy grid topics. The evaluation results show that the serious game prototype is well-suited to educate people about energy grid topics. Moreover, people experience the serious game as significantly more exciting, motivating, and entertaining compared to a text-based learning approach. In conclusion, this dissertation addresses both technical and social challenges that emerge from the transition of energy grids towards smart grids. Our contributions aid the understanding of sociotechnical interdependencies within future energy grids and advance concepts and methods to facilitate their resilient operation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der resiliente Betrieb von Stromnetzen basiert heutzutage größtenteils auf der kontinuierlichen Bereitstellung von Strom durch Konglomerate von Kraftwerken, die ihre Produktion kontinuierlich an die Nachfrage der Verbraucher anpassen. Durch überregionale und internationale Vernetzung sind diese Konglomerate in der Lage große Mengen an Reservekapazitäten vorzuhalten, um Abweichungen vom Gleichgewicht zwischen der Produktion und dem Bedarf an Strom entgegenzuwirken. Durch das Voranschreiten der Energiewende werden Stromnetze seit Jahren starken Veränderungen unterzogen. Diese dienen dazu konventionelle Stromnetze zu wirtschaftlicheren und ökologischeren “Smart Grids” weiterzuentwickeln. Dabei wird Strom von zunehmend volatilen Erzeugern produziert, die über das gesamte Stromnetz verteilt sind. Außerdem entwickeln sich ehemals passive Verbraucher zu so genannten Prosumern, die zunehmend in der Lage sind, Strom vor Ort zu produzieren. Diese Veränderungen unterstützen zwar die Ziele der Energiewende, verschärfen aber auch gleichzeitig die ohnehin schon schwierige Aufgabe, ein kontinuierliches Gleichgewicht zwischen Strombedarf und -produktion aufrechtzuerhalten, und gefährden damit den resilienten Betrieb der Stromnetze. Die vorliegende Thesis liefert die folgenden drei Hauptbeiträge zur Verbesserung des resilienten Betriebs intelligenter Stromnetze: Wir schlagen ein semi-formales Modell zur Strukturierung von elektrischen Verteilnetzen als Holarchien vor—dynamische Hierarchien, die den autonomen Betrieb von Teilnetzen (Holonen) ermöglichen. Der resiliente Betrieb dieser Holone wird anschließend durch das Einbeziehen heterogener Netzteilnehmer in Prozesse zur Abmilderung der Auswirkungen von Gefahrensituationen auf das Gleichgewicht zwischen der Produktion und dem Bedarf an Strom verbessert. Zu diesem Zweck befähigt unser Modell die Netzteilnehmer dazu, einen Beitrag zu den Abmilderungsprozessen zu leisten, indem sie lokale Ressourcen als sogenannte Flexibilitäten dynamisch zur Verfügung stellen, um Bedarfs- und Produktionsabweichungen zu kompensieren. Wir demonstrieren unser Modell, indem wir es in eine zeitdiskrete Simulationsumgebung namens HOLEG integrieren, die im Rahmen dieser Thesis entwickelt wurde. Um die Bereitschaft der Menschen zu beurteilen, sich als Netzteilnehmer in Prozesse zur Abschwächung von Gefahrensituationen in Energienetzen einzubringen, wurde eine Online-Umfrage durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Menschen bereit sind, sich stärker zu engagieren; allerdings bestehen weiterhin zahlreiche Bedenken in Bezug auf IT-Sicherheit und Datenschutz.

Der zweite Hauptbeitrag befasst sich mit der kombinierten technischen Herausforderung, Holone innerhalb von Holarchien zu organisieren und verfügbare Flexibilitäten zu allokieren, um Bedarfs- und Produktionsabweichungen zu reduzieren. Zunächst spezifizieren wir die gemeinsame Herausforderung (in dieser Arbeit als Holon-Problem bezeichnet) als ein multivariates Optimierungsproblem und passen drei bekannte metaheuristische Optimierungsansätze an, die auf Verfahren zu Partikel-Schwarm-Optimierung, Genetischen Algorithmen und Ameisen-Kolonie-Optimierung basieren, um nahezu optimale Lösungen für das vorliegende Problem zu finden. Zu diesem Zweck schlagen wir eine Kostenfunktion vor und formalisieren sie. Die Kostenfunktion ermöglicht es, die Qualität von Lösungen für das Holon-Problem quantitativ zu bewerten, wobei betriebliche Beschränkungen holarer Stromnetze sowie zahlreiche ökologische, ökonomische und Resilienz-Kriterien berücksichtigt werden. Die drei Metaheuristiken werden in einem simulierten, großen holaren Verteilnetz unter Verwendung der Simulationsumgebung HOLEG evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Metaheuristiken gut geeignet sind, um sowohl in Situationen mit strengen als auch mit lockeren Zeitbeschränkungen nahezu optimale Lösungen für das Holon-Problem zu finden. Der letzte Beitrag befasst sich mit sozialen Herausforderungen, die sich aus dem Betrieb von Energienetzen als Holarchien und der Einbeziehung von Menschen in Prozesse zur Abmilderung von Gefahrensituationen ergeben. Erstens betonen wir, dass Wissen über Stromnetz-Themen eine entscheidende Komponente ist, damit Menschen aufmerksamer werden und eine zunehmend verantwortungsvolle Rolle innerhalb von Stromnetzen einnehmen können. Zweitens nennen wir Gründe, warum es den meisten Menschen derzeit an Wissen über Stromnetze mangelt, und erörtern die potenziellen Vorteile von mehr Fachwissen für den resilienten Betrieb von Stromnetzen. Drittens betonen wir, dass vermehrtes Fachwissen nicht ausreicht, um Menschen zu motivieren, zunehmend aktiv zu werden, und präsentieren Strategien, um deren Motivation durch monetäre und nicht-monetäre Anreize zu steigern. Schließlich schlagen wir einen Serious-Game-Prototypen vor, um das Wissen der Menschen über Stromnetzthemen zu steigern. Die Evaluierungsergebnisse zeigen, dass der Prototyp gut geeignet ist, um Menschen über Stromnetz-Themen aufzuklären, und dass die Menschen ihn im Vergleich zu einem textbasierten Lernansatz als wesentlich spannender, motivierender und unterhaltsamer beurteilen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich diese Dissertation sowohl mit den technischen als auch mit den sozialen Herausforderungen befasst, die sich aus der Entwicklung von Stromnetze hin zu “Smart Grids” ergeben. Unsere Beiträge tragen zum Verständnis der sozio-technischen Interdependenzen innerhalb zukünftiger Stromnetze bei und fördern Konzepte und Methoden, die deren resilienten Betrieb ermöglichen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xviii, 230 Seiten
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science > Telecooperation
Date Deposited: 01 Dec 2021 13:32
Last Modified: 01 Dec 2021 13:33
DOI: 10.26083/tuprints-00019961
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-199614
Referees: Mühlhäuser, Prof. Dr. Max ; Marsh, Prof. Dr. Stephen
Refereed: 15 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19961
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