Operation of Modular Smart Grid Applications Interacting through a Distributed Middleware

IoT-functionality can broaden the scope of distribution system automation in terms of functionality and communication. However, it also poses risks regarding resource consumption and security. This article presents a field approved IoT-enabled smart grid middleware, which allows for flexible deployment and management of applications within smart grid operation. In the first part of the work, the resource consumption of the middleware is analyzed and current memory bottlenecks are identified. The bottlenecks can be resolved by introducing a new entity that allows to dynamically load multiple applications within one JVM. The performance was experimentally tested and the results suggest that its application can significantly reduce the applications' memory footprint on the physical device. The second part of the study identifies and discusses potential security threats, with a focus on attacks stemming from malicious software applications within the framework. In order to prevent such attacks a proxy based prevention mechanism is developed and demonstrated

Rapid control prototyping for networked Smart Grid systems based on an agile development process

Zsfassung in dt. SpracheEin nachhaltiges Energieversorgungssystem ist unentbehrlich um dem fortschreitenden Klimawandel erfolgreich entgegenzuwirken. Im Zuge der Entwicklung hin zu solch einem Energieversorgungssystem werden zunehmend erneuerbare Energiequellen zur verteilten Stromerzeugung eingesetzt. Regelungssysteme sind nötig, um diese verteilten Erzeugungsanlagen stabil in die elektrischen Energieversorgungssysteme integrieren und dort effizient betreiben zu können. Aufgrund der Neuheit dieser Regelung von aktiven Komponenten in elektrischen Verteilernetzen fehlt es an Methoden und Werkzeugen für eine durchgängige und konsistente Regelungssystementwicklung. Um dem zu begegnen, wird in der vorliegenden Arbeit ein Prozess zum Rapid Prototyping von Regelungssystemen für vernetzte, intelligente Stromnetze entwickelt, angewandt und validiert. Dazu wird zuerst ein Konzept des Prozesses zur Verbindung der einzelnen Regelungssystem-Entwicklungsschritte erstellt. Der Fokus liegt dabei auf der schnellen und Risiko-minimalen Entwicklung und Inbetriebnahme des Regelungssystems im Stromnetz. Für die Umsetzung des Konzepts wird eine spezielle Integrationskomponente entwickelt und eingesetzt die sich durch den gesamten Prozess, vom Entwurf des Regelungssystems bis hin zu dessen Betrieb, zieht und eine nahtlose Inbetriebnahme ermöglicht. Der Beitrag dieser Arbeit, der den vorgestellten Prozess auszeichnet, ist seine agile und flexible Struktur, die daraus resultierende schnelle Entwicklung und nahtlose Inbetriebnahme der Regelungssysteme, sowie die Risikoreduktion die während des gesamten Entwicklungsprozesses im Fokus steht. Der vorgestellte und umgesetzte Entwicklungsprozess wird in einem industriellen Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur Regelungssystementwicklung für intelligente Niederspannungsnetze ganzheitlich eingesetzt. Dies beinhaltet die gekoppelte Simulation des Strom- und Kommunikationsnetzes, die Controller-Hardware-in-the-Loop-Evaluierung, die nahtlose Feldintegration, sowie die einfache Verbesserung und Erweiterung der entworfenen Regelungssysteme. Mit dieser Methode wurden Regelungssysteme entwickelt mit dem Ziel der Beeinflussung aktiver Netzkomponenten zur Spannungsstabilisierung in drei österreichischen Niederspannungsnetzen mit hoher Dichte an verteilter Energieerzeugung aus erneuerbaren Ressourcen. Die Ergebnisse des Feldbetriebs dienen in dieser Arbeit zur Validierung des Entwicklungsprozesses. Die Beiträge dieser Arbeit sind in der Anwendung des Prozesses klar erkennbar. Der schnelle und nahtlose Entwicklungsprozess reduziert die Entwicklungszeit signifikant von sieben auf drei Jahre im Vergleich zur Regelungssystementwicklung eines vergleichbaren Projektes. Durch den Einsatz des Prozesses wurden kritische Fehler in den Regelungssystemen frühzeitig identifiziert. Somit wurde das Risiko eines fehlerhaften Regelungssystems im Feld deutlich reduziert und eine schnelle, sichere und erfolgreiche Regelungssystementwicklung ermöglicht.In order to counteract climate change, a more sustainable energy supply system is inevitable. Therefore, generation from renewable energy sources is currently being introduced into electric energy supply systems in a distributed manner. Automatic control systems are necessary to control these distributed generation units and to ensure a stable supply of electric energy. There is a lack in specific processes and tools for consistent control system engineering because automatic control is new compared to the currently used technology of passively operated distribution grids. In order to fill in this gap, a process for rapid control prototyping for networked smart grid systems is developed, implemented, and validated in this thesis. At first, a concept is elaborated that combines the single steps of control system development to produce a consistent development process, with a focus on rapidness and risk mitigation during the development and deployment process. This process is then implemented utilizing a specific middleware, which supports the whole development process from the first draft through to the final control system in the field. The major contributions of the developed rapid control prototyping process are its' agile structure, the rapid and seamless field deployment of the developed control algorithms, and the mitigation of risk along the development process. The developed process, together with its middleware, is used in an industrial research and development project to develop low voltage grid control systems by using the following: Co-simulation of power and communication network, controller-hardware-in-the-loop evaluation, seamless field deployment, and simple refactoring of the designed control systems. Several control systems have been developed and are successfully maintaining power quality in three rural Austrian low voltage grids with a high share of renewable energy sources. The field operation results are used for the validation of the developed process in this work. The characteristic contribution of the process is advantageously manifested also in the field application. The process's rapidness and seamless field deployment result in a remarkable reduction of the time-to-field, from seven to three years, in comparison to a related control development project. Further to this, the risk reduction-focused process identified various potentially detrimental malfunctions at an early stage before field deployment. Thus allowing for the successful, safe, rapid development and deployment of control systems.15

Coordinated charging system for battery electric vehicle

zahlr. Ill., graph. Darst.Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in engl. SpracheDer zunehmende Anteil von elektrisch betriebenen Fahrzeugen stellt erhöhte Anforderungen an die elektrischen Niederspannungs- und Verteilnetze. Analysen ergeben, dass es besonders in den Nachmittags- und Abendstunden zu einer starken Belastung bei unkoordinierter, gleichzeitiger Ladung der Fahrzeugbatterien kommt. Daraus resultiert eine weitere Erhöhung der bereits vorhandenen Lastspitzen und somit eine stärkere Beanspruchung der Energienetze. Es entstehen hohe Kosten durch den nötig werdenden Ausbau der Netzinfrastruktur. Diesen Auswirkungen kann mit Hilfe eines Systems für die koordinierte Ladung von Elektrofahrzeugen, welches im Zuge der Diplomarbeit exemplarisch entwickelt wurde, entgegengewirkt werden. Das Ladesystem erhält sowohl Informationen über die momentane Netzsituation, als auch über den Status der Elektrofahrzeuge. Zusätzlich wird es dem Fahrzeughalter ermöglicht, über verschiedenartige Interfaces, z. B. am Smartphone, seine Fahr- und Ladewünsche zu äußern. Aus all diesen Daten wird durch geeignete Algorithmen ein optimierter Ladungsplan erstellt. Somit können die negativen Auswirkungen auf die Netzqualität reduziert werden und es kann auf unvorhergesehene Ereignisse, wie plötzlicher starker dezentraler Einspeisung reagiert werden. Die Ergebnisse des Einsatzes des entwickelten Systems sind die Einbindung von Nutzerwünschen in die Ladungsplanung mit Hilfe der entwickelten Interfaces, sowie die Koordination der Fahrzeugladungen zur Vermeidung von Überlastungen und Spannungsabweichungen in den Energienetzen. Durch die Koordination der Ladung ist eine Verschiebung der zusätzlichen Netzbelastung von der Spitzenlastzeit auf Zeitpunkte geringer Netzauslastung möglich. Es ist auch möglich auf die stark fluktuierenden Einspeisungen durch dezentrale, alternative Energiequellen zu reagieren und diese somit effizienter zu nutzen. Durch den exemplarischen Systembetrieb können praktische Erkenntnisse für den zukünftigen Einsatz von Ladesystemen gewonnen werden. Der Betrieb eines solchen koordinierten Systems ebnet den Weg für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen und die großflächige Verwendung alternativer Energiequellen in den Energienetzen der nächsten Generation.The rising number of electrically powered vehicles (EV) challenges the distribution grid. Analyses revealed that the uncoordinated, simultaneous charging of vehicle batteries results in heavy load, especially in the afternoon and evening hours. This load leads to further increase of the already existing load peaks and thus to an even greater strain on the distribution grid. There are high costs resulting from the necessary expansion of network infrastructure. These effects can be counteracted by a system for coordinated vehicle charging which was developed as part of this thesis. This coordinating system receives information about the current network situation and the status of the vehicles. In addition, it enables the vehicle owner to express his driving and charging preferences via various interfaces. These interfaces are implemented by smart phones or as web page. Based on the information provided by customers, network operators, and energy suppliers, an optimized schedule for EV-charging is created. The charging process of the vehicle is thereby planned and coordinated in order to keep the power quality high despite the increasing burden to the grid. In addition to that, the system is able to react on unforeseen events like sudden strong decentralized generation from alternative energy sources. The results of the use of the developed system is the integration of user requirements in the planning process with the help of the developed interfaces, as well as coordination of vehicle charging to avoid overloads and voltage deviations in the power grid. Due to the coordination of charging, the necessary charging power can be shifted from peak load times to times of lower grid load. It is possible to react to the rapidly fluctuating, decentralized generation of alternative energy sources and thus to use them more efficiently.Because of the exemplary system operation, practical insights for future use of charging systems can be obtained. Due to the controllability of the charging process, it is possible to respond to the rapidly fluctuating generation of distributed alternative energy sources, such as wind energy and photovoltaic systems. Therefore, these sustainable energy sources can be used more efficiently which prepares the path for their future integration into the smart grid.6

The rock coast of the British Isles: cliffs

The aim of this chapter is to provide a review of the recent advances and innovations that have added to the understanding of the cliffs in the British Isles. The chapter introduces the key components of coastal cliff systems, what defines and shapes them and how they have been conceptualized in Britain. The review sets the context for academic research into British coastal cliffs and then focuses on the contributions made to monitoring and modelling cliff changes and the processes that drive them. The chapter concludes with a summary of forthcoming avenues of enquiry and opportunities that have the potential to further knowledge of coastal cliff behaviour in the British Isles and beyond

Simulation-based validation of smart grids – Status quo and future research trends

Smart grid systems are characterized by high complexity due to interactions between a traditional passive network and active power electronic components, coupled using communication links. Additionally, automation and information technology plays an important role in order to operate and optimize such cyber-physical energy systems with a high(er) penetration of fluctuating renewable generation and controllable loads. As a result of these developments the validation on the system level becomes much more important during the whole engineering and deployment process, today. In earlier development stages and for larger system configurations laboratory-based testing is not always an option. Due to recent developments, simulation-based approaches are now an appropriate tool to support the development, implementation, and roll-out of smart grid solutions. This paper discusses the current state of simulation-based approaches and outlines the necessary future research and development directions in the domain of power and energy systems. © Springer International Publishing AG 2017acceptedVersio