Distribution Grid Restoration using Microgrids: Interdependencies between Power, Water, and Communication Networks

The resilience of urban infrastructure systems—particularly power, water, and communication networks—is crucial for maintaining society's functions during and after crises such as natural disasters or cyber-attacks. Traditional approaches to dealing with disasters often treat power, water, and communication networks independently, overlooking dependencies and synergies that could be critical during crises. In this dissertation we propose new methods to improve the recovery process in this context. All those methods have three strategies in common, which are applied to different problems: The dynamic formation of decentral microgrids (MGs), the integration of renewable energy sources and the mutual benefit of the interdependencies of electricity, water and communication networks in the restoration process.

We start by integrating water networks with electrical MGs. Using the backup generators of the pumps of the water network to initiate local MGs, we can use renewable energy sources in the surrounding neighborhood to reduce fuel consumption during a crisis. Optimizing additional valves and switches in each network further allows us to evenly distribute and schedule the limited available resources.

After ensuring the local restoration of individual MGs, we address how merging them can further enhance overall system stability. We therefore develop a novel framework to merge individual MGs, considering the explicit need for an active communication link between the MGs generators as a second contribution. Here, the communication network depends on a functioning power supply to keep a connection online. Merging MGs enhances the operation stability and allows the restoration of larger electrical loads within the network.

In case of damaged communication hardware, we extend our approach to cover gaps in the communication network via unmanned aerial vehicles (UAVs) and optimize their placement considering close renewable battery charging stations. Strategic placement of UAVs ensures continuous communication capability, which is vital for coordinated restoration efforts and efficient management of distributed resources. However, as the optimization of the UAV placement can lead to large combinatorial problems, we increase computation speed by introducing the feasibility query algorithm (FQA), excluding infeasible solutions beforehand.

Finally, we propose a community-power-sharing model, allowing distributed renewable energy resources to support nearby communication infrastructure via MGs using the distribution grid during outages, ensuring critical service continuity. We demonstrate this approach on two smart buildings at the campus Lichtwiese in Darmstadt and show how power sharing can be implemented in a real-life setup.

All problems are formulated as mixed-integer linear programs (MILP) and represent different ways to model the interdependencies between power, water, and communication networks. This allows for explicit decision-making and scheduling of the restoration process.

Overall, this dissertation aims to enhance urban infrastructure resilience by leveraging MGs and renewable energy resources to integrate and restore interdependent power, water, and communication networks. By introducing integrated solutions that leverage these interdependencies and exploit renewable energies, the research not only enhances the resilience of individual networks but promotes a holistic and mutually beneficial approach to urban crisis management. Our findings offer practical implications for policy making, for shaping economic incentives and the design of resilient urban energy systems and point towards a range of opportunities for future research and further practical implementations.

Die Resilienz städtischer Infrastruktursysteme – insbesondere von Strom-, Wasser- und Kommunikationsnetzen – ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der gesellschaftlichen Funktionen während und nach Krisen wie Naturkatastrophen oder Cyberangriffen. Traditionelle Ansätze zur Bewältigung von Katastrophen behandeln Strom-, Wasser- und Kommunikationsnetze oft unabhängig voneinander und übersehen dabei Abhängigkeiten und Synergien, die in Krisenzeiten entscheidend sein können. In diesem Kontext schlagen wir in dieser Dissertation neue Methoden zur Verbesserung des Wiederherstellungsprozesses vor. Dabei verbinden alle Methoden drei Strategien, die in verschiedenen Fragestellungen angewendet werden: Das dynamische Formen von Microgrids (MGs), die Integration von erneuerbaren Energiequellen, und der gegenseitige Nutzen von Interdependenzen von Strom-, Wasser- und Kommunikationsnetzen im Wiederherstellungsprozess.

Zuerst betrachten wir die Integration von Wassernetzen und elektrischen MGs. Durch die Verwendung von Notstromgeneratoren von Pumpen des Wassernetzes zur Initiierung lokaler MGs können wir erneuerbare Energiequellen in der umliegenden Nachbarschaft nutzen, um den Kraftstoffverbrauch während einer Krise zu reduzieren. Die Optimierung bezüglich zusätzlicher Ventile und Schalter in den beiden Netzwerken ermöglicht es uns zudem, begrenzte Ressourcen gleichmäßig zu verteilen und den Schaltbetrieb zeitlich zu planen.

Nachdem die lokale Wiederherstellung einzelner MGs sichergestellt ist, befassen wir uns mit der Frage, wie die Zusammenführung mehrerer MGs die Gesamtstabilität des Systems weiter verbessern kann. Hierzu entwickeln wir eine Methodik zum Vereinen einzelner MGs, wobei eine aktive Kommunikationsverbindung zwischen den MG-Generatoren eine notwendige Bedingung darstellt. Dabei hängt das Kommunikationsnetz von einer funktionierenden Stromversorgung ab, um eine Verbindung aufrechtzuerhalten. Das Zusammenführen von MGs verbessert die Betriebsstabilität und ermöglicht es uns größerer elektrische Lasten innerhalb des Netzes wiederherzustellen.

Für den Fall eines Ausfalls von Kommunikationsnetzhardware erweitern wir diesen Ansatz, um Lücken im Kommunikationsnetz durch unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) zu schließen und deren Platzierung unter Berücksichtigung nahe gelegener, durch erneuerbare Energien versorgte Ladestationen zu optimieren. Die strategische Platzierung von UAVs gewährleistet eine kontinuierliche Kommunikationsfähigkeit, die für koordinierte Wiederherstellungsmaßnahmen und eine effiziente Verwaltung verteilter Ressourcen unerlässlich ist. Da die Optimierung der UAV-Platzierung jedoch zu großen kombinatorischen Problemen führen kann, erhöhen wir die Berechnungsgeschwindigkeit durch die Einführung des Feasibility Query Algorithm (FQA), der unzulässige Lösungen von vornherein ausschließt.

Schließlich schlagen wir ein Community-Power-Sharing-Model vor, welches es dezentralen erneuerbaren Energieressourcen ermöglicht, die nahegelegene Kommunikationsinfrastruktur über MGs zu unterstützen, indem sie das Verteilungsnetz bei Ausfällen nutzen und so die Kontinuität kritischer Dienste sicherstellen. Wir demonstrieren diesen Ansatz an zwei intelligenten Gebäuden auf dem Campus Lichtwiese in Darmstadt und zeigen, wie Power-Sharing in einem realen Szenario umgesetzt werden kann.

Alle Probleme werden als gemischt-ganzzahlige lineare Programme (MILP) formuliert und stellen verschiedene Methoden dar, die Abhängigkeiten zwischen Strom-, Wasser- und Kommunikationsnetzen zu modellieren. Dies ermöglicht jeweils eine explizite Entscheidungsfindung und Betriebsplanung für den Wiederherstellungsprozess.

Mit dieser Dissertation verfolgen wir das Ziel, einen Beitrag zur Resilienzerhöhung städtischer Infrastrukturen zu liefern, indem MGs und erneuerbare Energieressourcen genutzt werden, um voneinander abhängige Strom-, Wasser- und Kommunikationsnetze wiederherzustellen. Durch die Einführung kombinierter Lösungen, die diese Abhängigkeiten nutzen und erneuerbare Energien sowie eine gleichmäßige Verteilung der Ressourcen umsetzten, verbessert diese Forschung nicht nur die Resilienz einzelner Netze, sondern fördert auch einen ganzheitlichen und für die drei Infrastrukturen vorteilhaften, synergetischen Ansatz für das städtische Krisenmanagement. Die gewonnenen Erkenntnisse bieten praktische Anregungen für die Weiterentwicklung politischer Rahmenbedingungen, die Gestaltung wirtschaftlicher Anreize und den Entwurf resilienter städtischer Energiesysteme und weisen auf eine Reihe von Möglichkeiten für künftige Forschung und praktische Umsetzungen hin.