An integrated pan-European research infrastructure for validating smart grid systems

A driving force for the realization of a sustainable energy supply in Europe is the integration of distributed, renewable energy resources. Due to their dynamic and stochastic generation behaviour, utilities and network operators are confronted with a more complex operation of the underlying distribution grids. Additionally, due to the higher flexibility on the consumer side through partly controllable loads, ongoing changes of regulatory rules, technology developments, and the liberalization of energy markets, the system’s operation needs adaptation. Sophisticated design approaches together with proper operational concepts and intelligent automation provide the basis to turn the existing power system into an intelligent entity, a so-called smart grid. While reaping the benefits that come along with those intelligent behaviours, it is expected that the system-level testing will play a significantly larger role in the development of future solutions and technologies. Proper validation approaches, concepts, and corresponding tools are partly missing until now. This paper addresses these issues by discussing the progress in the integrated Pan-European research infrastructure project ERIGrid where proper validation methods and tools are currently being developed for validating smart grid systems and solutions.This work is supported by the European Community’s Horizon 2020 Program (H2020/2014-2020) under project “ERIGrid” (Grant Agreement No. 654113). Further information is available at the corresponding website www.erigrid.eu

Validating Intelligent Power and Energy Systems { A Discussion of Educational Needs

Traditional power systems education and training is flanked by the demand for coping with the rising complexity of energy systems, like the integration of renewable and distributed generation, communication, control and information technology. A broad understanding of these topics by the current/future researchers and engineers is becoming more and more necessary. This paper identifies educational and training needs addressing the higher complexity of intelligent energy systems. Education needs and requirements are discussed, such as the development of systems-oriented skills and cross-disciplinary learning. Education and training possibilities and necessary tools are described focusing on classroom but also on laboratory-based learning methods. In this context, experiences of using notebooks, co-simulation approaches, hardware-in-the-loop methods and remote labs experiments are discussed.Comment: 8th International Conference on Industrial Applications of Holonic and Multi-Agent Systems (HoloMAS 2017

Real-time simulation and hardware-in-the-loop approaches for integrating renewable energy sources into smart grids : challenges & actions

The integration of distributed renewable energy sources and the multi-domain behaviours inside the cyber-physical energy system (smart grids) draws up major challenges. Their validation and roll out requires careful assessment, in term of modelling, simulation and testing. The traditional approach focusing on a particular object, actual hardware or a detailed model, while drastically simplifying the remainder of the system under test, is no longer sufficient. Real-time simulation and Hardware-in-the-Loop (HIL) techniques emerge as indispensable tools for validating the behaviour of renewable sources as well as their impact/interaction to with the cyber-physical energy system. This paper aims to provide an overview of the present status-quo of real-time and HIL approaches used for smart grids and their readiness for cyber-physical experiments. We investigate the current limitations of HIL techniques and point out necessary future developments. Subsequently, the paper highlights challenges that need specific attention as well as ongoing actions and further research directions

Hardware-in-the-Loop Co-Simulation Based Validation of Power System Control Applications

Renewables are key enablers for the realization of a sustainable energy supply but grid operators and energy utilities have to mange their intermittent behavior and limited storage capabilities by ensuring the security of supply and power quality. Advanced control approaches, automation concepts, and communication technologies have the potential to address these challenges by providing new intelligent solutions and products. However, the validation of certain aspects of such smart grid systems, especially advanced control and automation concepts is still a challenge. The main aim of this work therefore is to introduce a hardware-in-the-loop co-simulation-based validation framework which allows the simulation of large-scale power networks and control solutions together with real-world components. The application of this concept to a selected voltage control example shows its applicability.Comment: 2018 IEEE 27th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE

Towards the next generation of smart grids: semantic and holonic multi-agent management of distributed energy resources

The energy landscape is experiencing accelerating change; centralized energy systems are being decarbonized, and transitioning towards distributed energy systems, facilitated by advances in power system management and information and communication technologies. This paper elaborates on these generations of energy systems by critically reviewing relevant authoritative literature. This includes a discussion of modern concepts such as ‘smart grid’, ‘microgrid’, ‘virtual power plant’ and ‘multi-energy system’, and the relationships between them, as well as the trends towards distributed intelligence and interoperability. Each of these emerging urban energy concepts holds merit when applied within a centralized grid paradigm, but very little research applies these approaches within the emerging energy landscape typified by a high penetration of distributed energy resources, prosumers (consumers and producers), interoperability, and big data. Given the ongoing boom in these fields, this will lead to new challenges and opportunities as the status-quo of energy systems changes dramatically. We argue that a new generation of holonic energy systems is required to orchestrate the interplay between these dense, diverse and distributed energy components. The paper therefore contributes a description of holonic energy systems and the implicit research required towards sustainability and resilience in the imminent energy landscape. This promotes the systemic features of autonomy, belonging, connectivity, diversity and emergence, and balances global and local system objectives, through adaptive control topologies and demand responsive energy management. Future research avenues are identified to support this transition regarding interoperability, secure distributed control and a system of systems approach

Integrated Planning of Multi-energy Grids: Concepts and Challenges

In order to meet ever-stricter climate targets and achieve the eventual decarbonization of the energy supply of German industrial metropolises, the focus is on gradually phasing out nuclear power, then coal and gas combined with the increased use of renewable energy sources and employing hydrogen as a clean energy carrier. While complete electrification of the energy supply of households and the transportation sector may be the ultimate goal, a transitional phase is necessary as such massive as well as rapid expansion of the electrical distribution grid is infeasible. Additionally, German industries have expressed their plans to use hydrogen as their primary strategy in meeting carbon targets. This poses challenges to the existing electrical, gas, and heating distribution grids. It becomes necessary to integrate the planning and developing procedures for these grids to maximize efficiencies and guarantee security of supply during the transition. The aim of this paper is thus to highlight those challenges and present novel concepts for the integrated planning of the three grids as one multi-energy grid.Comment: NEIS 2022; Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage System

A novel soft computing approach based on FIR to model and predict energy dynamic systems

Tesi en modalitat compendi de publicacionsWe are facing a global climate crisis that is demanding a change in the status quo of how we produce, distribute and consume energy. In the last decades, this is being redefined through Smart Grids(SG), an intelligent electrical network more observable, controllable, automated, fully integrated with energy services and the end-users. Most of the features and proposed SG scenarios are based on reliable, robust and fast energy predictions. For instance, for proper planning activities, such as generation, purchasing, maintenance and investment; for demand side management, like demand response programs; for energy trading, especially at local level, where productions and consumptions are more stochastics and dynamic; better forecasts also increase grid stability and thus supply security. A large variety of Artificial Intelligence(AI) techniques have been applied in the field of Short-term electricity Load Forecasting(SLF) at consumer level in low-voltage system, showing a better performance than classical techniques. Inaccuracy or failure in the SLF process may be translated not just in a non-optimal (low prediction accuracy) solution but also in frustration of end-users, especially in new services and functionalities that empower citizens. In this regard, some limitations have been observed in energy forecasting models based on AI such as robustness, reliability, accuracy and computation in the edge. This research proposes and develops a new version of Fuzzy Inductive Reasoning(FIR), called Flexible FIR, to model and predict the electricity consumption of an entity in the low-voltage grid with high uncertainties, and information missing, as well as the capacity to be deployed either in the cloud or locally in a new version of Smart Meters(SMs) based on Edge Computing(EC). FIR has been proved to be a powerful approach for model identification and system ’s prediction over dynamic and complex processes in different real world domains but not yet in the energy domain. Thus, the main goal of this thesis is to demonstrate that a new version of FIR, more robust, reliable and accurate can be a referent Soft Computing(SC) methodology to model and predict dynamic systems in the energy domain and that it is scalable to an EC integration. The core developments of Flexible FIR have been an algorithm that can cope with missing information in the input values, as well as learn from instances with Missing Values(MVs) in the knowledge-based, without compromising significantly the accuracy of the predictions. Moreover, Flexible FIR comes with new forecasting strategies that can cope better with loss of causality of a variable and dispersion of output classes than classical k nearest neighbours, making the FIR forecasting process more reliable and robust. Furthermore, Flexible FIR addresses another major challenge modelling with SC techniques, which is to select best model parameters. One of the most important parameters in FIR is the number k of nearest neighbours to be used in the forecast process. The challenge to select the optimal k, dynamically, is addressed through an algorithm, called KOS(K nearest neighbour Optimal Selection), which has been developed and tested also with real world data. It computes a membership aggregation function of all the neighbours with respect their belonging to the output classes.While with KOS the optimal parameter k is found online, with other approaches such as genetic algorithms or reinforcement learning is not, which increases the computational time.Ens trobem davant una crisis climàtica global que exigeix un canvi al status quo de la manera que produïm, distribuïm i consumim energia. En les darreres dècades, està sent redefinit gràcies a les xarxa elèctriques intel·ligents(SG: Smart Grid) amb millor observabilitat, control, automatització, integrades amb nous serveis energètics i usuaris finals. La majoria de les funcionalitats i escenaris de les SG es basen en prediccions de la càrrega elèctrica confiables, robustes i ràpides. Per les prediccions de càrregues elèctriques a curt termini(SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivell de consumidors al baix voltatge, s’han aplicat una gran varietat de tècniques intel·ligència Artificial(IA) mostrant millor rendiment que tècniques estadístiques tradicionals. Un baix rendiment en SLF, pot traduir-se no només en una solució no-òptima (baixa precisió de predicció) sinó també en la frustració dels usuaris finals, especialment en nous serveis i funcionalitats que empoderarien als ciutadans. En el marc d’aquesta investigació es proposa i desenvolupa una nova versió de la metodologia del Raonament Inductiu Difús(FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), anomenat Flexible FIR, capaç de modelar i predir el consum d’electricitat d’una entitat amb un grau d’incertesa molt elevat, inclús amb importants carències d’informació (missing values). A més, Flexible FIR té la capacitat de desplegar-se al núvol, així como localment, en el que podria ser una nova versió de Smart Meters (SM) basada en tecnologia d’Edge Computing (EC). FIR ja ha demostrat ser una metodologia molt potent per la generació de models i prediccions en processos dinàmics en diferents àmbits, però encara no en el de l’energia. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesis és demostrar que una versió millorada de FIR, més robusta, fiable i precisa pot consolidar-se com una metodologia Soft Computing SC) de referencia per modelar i predir sistemes dinàmics en aplicacions per al sector de l’energia i que és escalable a una integració d’EC. Les principals millores de Flexible FIR han estat, en primer lloc, el desenvolupament i test d’un algorisme capaç de processar els valors d’entrada d’un model FIR tot i que continguin Missing Values (MV). Addicionalment, aquest algorisme també permet aprendre d’instàncies amb MV en la matriu de coneixement d’un model FIR, sense comprometre de manera significativa la precisió de les prediccions. En segon lloc, s’han desenvolupat i testat noves estratègies per a la fase de predicció, comportant-se millor que els clàssics k veïns més propers quan ens trobem amb pèrdua de causalitat d’una variable i dispersió en les classes de sortida, aconseguint un procés d’aprenentatge i predicció més confiable i robust. En tercer lloc, Flexible FIR aborda un repte molt comú en tècniques de SC: l’òptima parametrització del model. En FIR, un dels paràmetres més determinants és el número k de veïns més propers que s’utilitzaran durant la fase de predicció. La selecció del millor valor de k es planteja de manera dinàmica a través de l’algorisme KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que s’ha desenvolupat i testat també amb dades reals. Mentre que amb KOS el paràmetre òptim de k es calcula online, altres enfocaments mitjançant algoritmes genètics o aprenentatge per reforç el càlcul és offline, incrementant significativament el temps de resposta, sent a més a més difícil la implantació en escenaris d’EC. Aquestes millores fan que Flexible FIR es pugui adaptar molt bé en aplicacions d’EC. En aquest sentit es proposa el concepte d’un SM de segona generació basat en EC, que integra Flexible FIR com mòdul de predicció d’electricitat executant-se en el propi dispositiu i un agent EC amb capacitat per el trading d'energia produïda localment. Aquest agent executa un innovador mecanisme basat en incentius, anomenat NRG-X-Change que utilitza una nova moneda digital descentralitzada per l’intercanvi d’energia, que s’anomena NRGcoin.Estamos ante una crisis climática global que exige un cambio del status quo de la manera que producimos, distribuimos y consumimos energía. En las últimas décadas, este status quo está siendo redefinido debido a: la penetración de las energías renovables y la generación distribuida; nuevas tecnologías como baterías y paneles solares con altos rendimientos; y la forma en que se consume la energía, por ejemplo, a través de vehículos eléctricos o con la electrificación de los hogares. Estas palancas requieren una red eléctrica inteligente (SG: Smart Grid) con mayor observabilidad, control, automatización y que esté totalmente integrada con nuevos servicios energéticos, así como con sus usuarios finales. La mayoría de las funcionalidades y escenarios de las redes eléctricas inteligentes se basan en predicciones de la energía confiables, robustas y rápidas. Por ejemplo, para actividades de planificación como la generación, compra, mantenimiento e inversión; para la gestión de la demanda, como los programas de demand response; en el trading de electricidad, especialmente a nivel local, donde las producciones y los consumos son más estocásticos y dinámicos; una mejor predicción eléctrica también aumenta la estabilidad de la red y, por lo tanto, mejora la seguridad. Para las predicciones eléctricas a corto plazo (SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivel de consumidores en el bajo voltaje, se han aplicado una gran variedad de técnicas de Inteligencia Artificial (IA) mostrando mejor rendimiento que técnicas estadísticas convencionales. Un bajo rendimiento en los modelos predictivos, puede traducirse no solamente en una solución no-óptima (baja precisión de predicción) sino también en frustración de los usuarios finales, especialmente en nuevos servicios y funcionalidades que empoderan a los ciudadanos. En este sentido, se han identificado limitaciones en modelos de predicción de energía basados en IA, como la robustez, fiabilidad, precisión i computación en el borde. En el marco de esta investigación se propone y desarrolla una nueva versión de la metodología de Razonamiento Inductivo Difuso (FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), que hemos llamado Flexible FIR, capaz de modelar y predecir el consumo de electricidad de una entidad con altos grados de incertidumbre e incluso con importantes carencias de información (missing values). Además, Flexible FIR tiene la capacidad de desplegarse en la nube, así como localmente, en lo que podría ser una nueva versión de Smart Meters (SM) basada en tecnología de Edge Computing (EC). En el pasado, ya se ha demostrado que FIR es una metodología muy potente para la generación de modelos y predicciones en procesos dinámicos, sin embargo, todavía no ha sido demostrado en el campo de la energía. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis es demostrar que una versión mejorada de FIR, más robusta, fiable y precisa puede consolidarse como metodología Soft Computing (SC) de referencia para modelar y predecir sistemas dinámicos en aplicaciones para el sector de la energía y que es escalable hacia una integración de EC. Las principales mejoras en Flexible FIR han sido, en primer lugar, el desarrollo y testeo de un algoritmo capaz de procesar los valores de entrada en un modelo FIR a pesar de que contengan Missing Values (MV). Además, dicho algoritmo también permite aprender de instancias con MV en la matriz de conocimiento de un modelo FIR, sin comprometer de manera significativa la precisión de las predicciones. En segundo lugar, se han desarrollado y testeado nuevas estrategias para la fase de predicción de un modelo FIR, comportándose mejor que los clásicos k vecinos más cercanos ante la pérdida de causalidad de una variable y dispersión de clases de salida, consiguiendo un proceso de aprendizaje y predicción más confiable y robusto. En tercer lugar, Flexible FIR aborda un desafío muy común en técnicas de SC: la óptima parametrización del modelo. En FIR, uno de los parámetros más determinantes es el número k de vecinos más cercanos que se utilizarán en la fase de predicción. La selección del mejor valor de k se plantea de manera dinámica a través del algoritmo KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que se ha desarrollado y probado también con datos reales. Dicho algoritmo calcula una función de membresía agregada, de todos los vecinos, con respecto a su pertenencia a las clases de salida. Mientras que con KOS el parámetro óptimo de k se calcula online, otros enfoques mediante algoritmos genéticos o aprendizaje por refuerzo, el cálculo es offline incrementando significativamente el tiempo de respuesta, siendo además difícil su implantación en escenarios de EC. Estas mejoras hacen que Flexible FIR se adapte muy bien en aplicaciones de EC, en las que la analítica de datos en streaming debe ser fiable, robusta y con un modelo suficientemente ligero para ser ejecutado en un IoT Gateway o dispositivos más pequeños. También, en escenarios con poca conectividad donde el uso de la computación en la nube es limitado y los parámetros del modelo se calculan localmente. Con estas premisas, en esta tesis, se propone el concepto de un SM de segunda generación basado en EC, que integra Flexible FIR como módulo de predicción de electricidad ejecutándose en el dispositivo y un agente EC con capacidad para el trading de energía producida localmente. Dicho agente ejecuta un novedoso mecanismo basado en incentivos, llamado NRG-X-Change que utiliza una nueva moneda digital descentralizada para el intercambio de energía, llamada NRGcoin.Postprint (published version