Cyber-Physical Virtual Power Plants: Modeling, Operation, and Control
- 2025
- Buch
- Verfasst von
- Cheng Feng
- Hongye Guo
- Kedi Zheng
- Qixin Chen
- Chongqing Kang
- Buchreihe
- Power Systems
- Verlag
- Springer Nature Singapore
Über dieses Buch
Cyber-physische Virtuelle Kraftwerke (VPPs), ein revolutionäres Rahmenwerk zur Nutzung des kollektiven Potenzials dezentraler Energieressourcen (DERs) über Kommunikationstechnologien, sind von entscheidender Bedeutung für die sichere und kostengünstige Integration großer erneuerbarer Stromerzeuger in zukünftige Energienetze. Dies ist das bahnbrechende Buch, das den Betrieb und die Kontrolle von VPPs systematisch aus einer cyber-physikalischen Perspektive erklärt und untersucht. Dieses Buch, das aus der kontinuierlichen Forschungs- und Entwicklungspraxis der Autoren auf dem Gebiet der VPPs hervorgegangen ist, legt die theoretische Grundlage für das Thema und präsentiert gründlich einfache Lösungen für die Herausforderungen, vor denen virtuell-physische VPPs stehen. Dieses Buch ist eine nützliche Referenz für Forscher, Absolventen und Ingenieure, die sich für VPPs, cyber-physikalische Systemdesigns und Anwendungen des Internets der Dinge interessieren und daran arbeiten.
Mit KI übersetzt
Über dieses Buch
Cyber-physical Virtual Power Plants (VPPs), a revolutionary framework designed to harness the collective potential of distributed energy resources (DERs) via communication technologies, are crucial for integrating large of renewable generators into future energy grids securely and cost-effectively. This is the pioneering book that systematically explains and explores the operation and control of VPPs from a cyber-physical perspective. Born out of the authors’ continuous research and engineering practice in the field of VPPs, this book lays the theoretical foundation for the topic and thoroughly presents straightforward solutions to the challenges encountered in cyber-physical VPPs. This book is a useful reference for researchers, graduates, and engineers interested in and working on VPPs, cyber-physical system designs, and Internet of Things applications.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Physical Model for VPPs
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Frontmatter
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Chapter 1. Introduction About VPP and Engineering Case Highlights
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDie Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien in die Stromnetze ist von entscheidender Bedeutung für das Erreichen signifikanter CO2-Reduktionsziele. In den letzten zehn Jahren haben große Volkswirtschaften eine erhebliche Zunahme der Durchdringung mit erneuerbaren Energien erlebt, wobei Europa, die Vereinigten Staaten und Japan führend waren. Dieser Wandel hin zu erneuerbaren Energiequellen, insbesondere Wind- und Solarenergie, stellt sowohl Chancen als auch Herausforderungen für Netzstabilität und -flexibilität dar. Virtuelle Kraftwerke (VPPs) erweisen sich als vielversprechende Lösung, indem sie dezentrale Energieressourcen (DER) zu einem sauberen, kohlenstoffarmen und effizienten Energiemanagementsystem zusammenführen. VPPs können an den Strommärkten teilnehmen und sowohl Energiedienstleistungen als auch Nebendienstleistungen anbieten und werden je nach ihren Funktionen in kommerzielle VPPs (CVPPs) und technische VPPs (TVPPs) eingeteilt. Das Kapitel untersucht die Betriebsstrukturen von VPPs, einschließlich zentralisierter, verteilter und vollständig dezentralisierter Architekturen, und ihre Rolle bei der Verbesserung der Netzstabilität. Fallstudien aus Deutschland, den Vereinigten Staaten, Australien und China veranschaulichen die vielfältigen Anwendungs- und Regulierungsumgebungen von VPPs und verdeutlichen ihr Potenzial, die Energielandschaft zu revolutionieren. Das Kapitel untersucht auch die technologischen Fortschritte wie Big Data Analytics, IoT und Cloud Computing, die den Einsatz von VPPs in der realen Welt ermöglichen. Indem erfolgreiche VPP-Projekte und ihre Auswirkungen auf die Energiemärkte untersucht werden, bietet das Kapitel einen umfassenden Überblick über den aktuellen Stand und die zukünftigen Aussichten von VPPs auf dem Weg zu einem nachhaltigen und flexiblen Energiesystem.KI-Generiert
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AbstractVPPs represent a new business model emerging alongside the rapid development of renewable energy. We begin by introducing the concept of a VPP, including its origins, definition, functions, and architecture. Given that VPPs originated in Europe and North America, we will examine mature VPP projects from recent years in Germany, the United States, and Australia to illustrate how various VPPs operate. Additionally, drawing on personal engineering experience, the author will discuss the development and implementation of VPPs within China, providing insights into their construction and practical applications in China. -
Chapter 2. Unified Steady DER Model: Polytope and Projection
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDie zunehmende Verbreitung erneuerbarer Energiequellen stellt den Betrieb von Stromnetzen vor erhebliche Herausforderungen, insbesondere bei der Bewältigung der Flexibilität dezentraler Energieressourcen (DER). Herkömmliche Methoden zur Modellierung und Aggregation von DERs führen häufig zu höchst heterogenen und komplexen mathematischen Formen, was deren Integration in übergeordnete Netzwerkoptimierungen erschwert. Dieses Kapitel befasst sich mit diesen Herausforderungen, indem es einen einheitlichen Ansatz zur Modellierung und Aggregation von Polytopien vorschlägt. Die Methode führt die Netzleistung als Schnittstellenvariable ein und verwendet eine Koordinatentransformation, um mit variabler Redundanz umzugehen, wodurch die Dimensionalität des Polytops deutlich reduziert wird. Bei der DER-Aggregation wird die Minkowski-Summe der Polytope-Aggregation in ein Projektionsproblem umgewandelt, wobei eine Monte-Carlo-Methode verwendet wird, um eine Annäherung des aggregierten Ergebnisses zu erzielen. Dieser Ansatz vermeidet die Anhäufung von Fehlern, die durch vorausgesetzte Formen verursacht werden, wodurch er für hochdimensionale Fälle höchst effektiv ist. Numerische Tests belegen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode und zeigen eine erhebliche Reduzierung der Berechnungszeit und der Volumenfehlerraten. Das Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über Polytope-Modellierung, Aggregationstechniken und ihre Anwendung zur Verbesserung der Flexibilität und Effizienz des Stromnetzbetriebs.KI-Generiert
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AbstractDERs introduce a substantial number of variables and constraints, making their direct integration into high-level dispatch processes highly complex. To address this issue, VPPs have emerged as an effective solution by treating diverse DERs as a single entity and employing aggregated flexibility envelopes to reduce the dimensionality of variables and constraints, thereby streamlining upper-level optimization. This chapter presents a steady-state model to represent the flexibility regions of heterogeneous DERs in VPPs, also called the polytope model or the flexibility envelope model. A coordination transformation is applied to eliminate redundant variable dimensions while preserving the interface characteristics of the DERs. Furthermore, a sample-based projection method is developed to remove all state variables, resulting in a unified representation of the flexibility region. This method is then employed to compute the Minkowski sums of individual flexibility polytopes, enabling effective aggregation. -
Chapter 3. Unified Dynamic DER Model: Step Response and Laplace Transform
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDie Integration erneuerbarer Energiequellen in das Stromnetz stellt erhebliche Herausforderungen dar, insbesondere bei der Aufrechterhaltung der Frequenzstabilität während Eventualfällen. Dieses Kapitel widmet sich diesen Herausforderungen, indem es sich auf die dynamische Reaktion dezentraler Energieressourcen (DER) und ihre Rolle bei der Bereitstellung von Frequenzunterstützung konzentriert. Es führt ein einheitliches dynamisches DER-Modell ein, das Laplace-Transformationen und Schrittreaktionsanalysen nutzt, um das transiente Verhalten von DER zu charakterisieren. Das Kapitel beleuchtet die Entwicklung eines äquivalenten Aggregationsmodells, das die Interaktion zwischen Virtuellen Kraftwerken (VPPs) und Systembetreibern vereinfacht, indem es die kollektive Reaktion der DER mit einem prägnanten, aber präzisen Modell darstellt. Dieser Ansatz reduziert die Komplexität und erhöht die Privatsphäre, was ihn zu einer praktikablen Lösung für die großflächige Integration von DER macht. Darüber hinaus wird in diesem Kapitel der Aufbau einer Performance-to-Cost-Karte untersucht, die ein entscheidendes Werkzeug für Systembetreiber darstellt, um Kosten und Leistung aggregierter Frequenzreserven zu verstehen. Die Karte wurde mit leichten Optimierungsprogrammen erstellt, die online aktualisiert werden können, um ihre Relevanz unter dynamischen Marktbedingungen zu gewährleisten. Fallstudien und numerische Experimente bestätigen die Effektivität der vorgeschlagenen Methoden und zeigen ihr Potenzial, die Zuverlässigkeit und Effizienz von Notfallfrequenzunterstützungsdiensten zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractThis chapter introduces the dynamic model for DERs in VPPs. Most current methods for VPP participation in power stability support services rely on emergency responses, where DERs quickly adjust their output upon receiving activation commands. Given that VPPs often encompass thousands of DERs with varying characteristics and response latencies, this chapter proposes using equivalent aggregation models to enable VPPs to participate effectively in contingency reserve services. An equivalent aggregation model is first developed to characterize the VPP’s aggregated frequency response, accurately and concisely representing the ability of the DER aggregation to arrest system frequency decline. Based on this model, a performance-to-cost map is constructed, detailing the minimum cost required to achieve equivalent performance for various aggregation models. Numerical case studies validate the effectiveness of the proposed equivalent aggregation model. -
Chapter 4. Individual DER Model Parameter Identification
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDas Kapitel geht der kritischen Notwendigkeit einer genauen Lastmodellierung in Virtuellen Kraftwerken (VPPs) nach, um die Flexibilität des Energieverbrauchs der industriellen Anwender voll auszuschöpfen und gleichzeitig negative Auswirkungen zu minimieren. Sie konzentriert sich auf den industriellen Sektor, wo der Energieverbrauch in Produktionsprozessen einen Schwerpunkt darstellt. Der Text führt das State-Task Network (STN) -Modell ein, das Materialien und Produktionsprozesse in einem einheitlichen mathematischen Ausdruck darstellt und im Vergleich zu einfacheren Lastmodellen eine größere Allgemeingültigkeit und Rechenpraktikabilität bietet. Eine bedeutende Herausforderung ist die Sensitivität und Eigenart der für die Lastmodellierung erforderlichen Parameter, auf die Drittparteien aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Privatsphäre häufig nicht zugreifen können. Das Kapitel stellt PSI vor, ein auf inverser Optimierung basierendes Rahmenwerk, das historische Smart-Meter-Daten verwendet, um diese internen Parameter zu identifizieren. Dieser Ansatz nutzt die Verbreitung intelligenter Stromzähler, die in groben zeitlichen Abständen aggregierte Informationen liefern, und minimiert so Bedenken hinsichtlich der Privatsphäre. Das PSI-Rahmenwerk wird durch numerische Tests unter Verwendung von Datensätzen eines Stahlpulverherstellers und eines Zementwerks validiert, was seine Effektivität bei der Identifizierung von Lastmodellparametern mit hoher Genauigkeit demonstriert. In diesem Kapitel werden auch die potenziellen Anwendungen der erhaltenen Lastmodelle in Demand Response Projekten, Economic Dispatch und Market Clearing Prozessen diskutiert. Abschließend wird die Durchführbarkeit der Identifizierung industrieller Lastparameter anhand intelligenter Zählerdaten hervorgehoben und eine neue Lösung für die genaue Lastmodellierung unter Bedingungen unvollständiger Informationen angeboten.KI-Generiert
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AbstractAfter establishing the mathematical models, VPPs often face the challenge of estimating specific model parameters, as they typically lack direct access to the complete parameters of individual DERs. This chapter takes industrial users as a case study to demonstrate how to estimate the parameters of polytope models introduced in Chap. 2. For industrial production users, general-purpose models such as the state-task network (STN) are commonly employed to capture the energy consumption constraints of industrial processes. However, the absence of directly accessible data–due to its private nature–prevents the precise parameterization of these models, hindering the accurate representation of industrial loads. To address this issue, this chapter introduces a novel approach, termed Production Scheduling Identification (PSI), which uses an inverse-optimization-based framework for industrial load modeling under incomplete information. PSI utilizes smart meter data from industrial users to infer production scheduling parameters, thereby enabling accurate load modeling without direct access to private data. The PSI approach is implemented with a modified STN model, and a practical algorithm is proposed to efficiently obtain effective solutions. -
Chapter 5. Individual DER Model Shape Normalization
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDas Kapitel geht auf die Komplexität der Integration dezentraler Energieressourcen (DER) in Energiesysteme durch virtuelle Kraftwerke (VPPs) ein und betont die Notwendigkeit einer präzisen Aggregation machbarer Regionen (FRs) für Energie- und Regulierungsdienstleistungen. Er untersucht kritisch die aktuellen Analysemethoden und zeigt ihre Grenzen im Umgang mit gekoppelten Betriebsbeschränkungen und der Anpassung an verschiedene Typen des DERs auf. Die Kerninnovation ist ein datengestützter Ansatz, der optimale Versand-Daten in mehreren Szenarien nutzt, um den gesamtwirtschaftlichen FR-Parametern gerecht zu werden, und so die Notwendigkeit einer Bottom-up-Analyse umgeht. Diese Methode zeigt im Vergleich zu herkömmlichen äußeren Approximationstechniken eine überlegene Leistung bei der Reduzierung von aggregierten FR-Fehlern, insbesondere in Szenarien mit gekoppelten DER-Beschränkungen. Das Kapitel bietet einen umfassenden Rahmen für die Umsetzung dieses Ansatzes, einschließlich Datengenerierung, Parameteranpassung und iterativer Optimierung. Numerische Ergebnisse bestätigen die Wirksamkeit der Methode und zeigen eine signifikante Verringerung von Fehlern und eine verbesserte Allgemeingültigkeit, was sie zu einem entscheidenden Fortschritt im Bereich der Integration des Energiesystems und der Teilnahme am Energiemarkt macht.KI-Generiert
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AbstractAlthough the model introduced in Chap. 2 is universally applicable, its complexity arises from the diversity of polytope models representing each DER’s feasible region, which can vary significantly. To address this, it is possible to standardize and normalize the shapes of the feasible regions for each DER. This chapter introduces a typical normalization model: the generalized virtual battery model, and a data-driven approximation method for its implementation. The approach employs a virtual battery model to represent the aggregate capabilities of a VPP. Model parameters are determined through an inverse optimization process using multi-scenario operation data generated by the original operational model. Numerical experiments validate the proposed method, demonstrating its accuracy and effectiveness. By standardizing and approximating DER flexibility with a generalized model, this approach enhances the ability to leverage DERs’ flexibility in a systematic and scalable manner.
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Cyber-Physical Coupling Operation for VPPs
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Frontmatter
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Chapter 6. Real VPP Cyber Device: Brief Case Studies
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDas Kapitel untersucht die zentrale Rolle von Kommunikationstechnologien beim Betrieb virtueller Kraftwerke (VPPs), die als komplexe cyber-physische Systeme fungieren, die zahlreiche dezentrale Energieressourcen (Distributed Energy Resources, DER) und Kommunikationsterminals integrieren. Es unterstreicht die strengen Anforderungen an VPP-Kommunikationssysteme, zu denen Millionen gleichzeitiger Verbindungen, Latenzzeiten im Sub-Millisekundenbereich und außergewöhnliche Übertragungszuverlässigkeit gehören. Der Text geht auf die Schwachstellen und Herausforderungen ein, die von der cyber-physischen Kopplung ausgehen, wie etwa vorsätzliche Cyberangriffe und Ausfälle von Kommunikationsnetzen, und betont die Notwendigkeit belastbarer Kommunikationslösungen. Anhand detaillierter Fallstudien veranschaulicht das Kapitel die Funktionen von Informationsgeräten in VPPs, darunter das Tesla Powerwall System, Beijing VPP Tech Erik und Moxa Connection. Diese Beispiele zeigen, wie fortschrittliche Edge-Gateways, Kommunikationsterminals und intelligente Managementplattformen die Überwachung, Steuerung und Optimierung von DERs in Echtzeit ermöglichen. Das Kapitel schließt mit der Betonung der unverzichtbaren Rolle dieser Informationsinstrumente bei der Erreichung der hohen Effizienz, Zuverlässigkeit und wirtschaftlichen Optimierung, die für VPPs charakteristisch sind, und vergleicht sie mit dem "Nervensystem", das den reibungslosen Betrieb dieser komplexen Energiesysteme gewährleistet.KI-Generiert
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AbstractThe cyber-physical coupling is a fundamental characteristic of VPP operations. This section briefly presents 3 case studies of VPP cyber hardwares. Through these examples, the authors gain deeper insights into the practical application of VPP cyber hardware components, understanding the cyber-physical coupling within the context of VPPs. These cases serve as a foundation for subsequent theoretical analysis, bridging the gap between practical implementation and conceptual understanding. -
Chapter 7. Real Test Cases: AC Loads for Frequency Regulations
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDie zunehmende Nutzung erneuerbarer Energiequellen hat zu hochfrequenten Schwankungen im Stromnetz geführt und die traditionellen Frequenzregelungsmethoden in Frage gestellt. Dieses Kapitel befasst sich mit diesem Problem, indem es das Potenzial von Wechselstromverbrauchern als schnell reagierende DER innerhalb von VPPs untersucht, die am Markt der Frequenzregulierung teilnehmen und zur Netzstabilität beitragen können. Das Kapitel führt eine "Cloud-Edge-DER-kooperative" Steuerungsarchitektur ein, die darauf ausgelegt ist, große AC-Cluster effizient zu verwalten. Bei dieser Architektur handelt es sich um eine zentrale Steuerungsplattform, die Reglerleistungen an Kantenregler verteilt, die diese Ziele dann in umsetzbare Steuersignale für einzelne AC-Einheiten übersetzen. Die Simulation eines VPP, das aus zentralen AC-Clustern mit 10 Gebäuden besteht, demonstriert die Machbarkeit dieses Ansatzes und zeigt, wie AC-Lasten sowohl unter normalen als auch unter extremen Wetterbedingungen zur Frequenzregulierung mobilisiert werden können. Das Kapitel vertieft auch die technischen Aspekte der Modellierung von AC-Systemen als virtuelle Energiespeicher, wobei die thermischen Energieübertragungsprozesse und der Einsatz von prädiktiven Kontrollmaßnahmen zur Optimierung von Kommunikations- und Reaktionszeiten hervorgehoben werden. Die Simulationsergebnisse unterstreichen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit und Reaktionsfähigkeit von VPPs, wodurch ein stabilerer und effizienterer Frequenzregulierungsprozess gewährleistet wird. Das Kapitel schließt mit der Diskussion der Auswirkungen der cyber-physischen Kopplung und der Geräteparameter auf die VPP-Leistung und betont die Notwendigkeit vorausschauender Modellierung und Anpassungsmechanismen in Echtzeit, um diese Effekte abzumildern.KI-Generiert
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AbstractIn this chapter, we use air conditioning (AC) loads, the most representative load type for VPPs, as an example to illustrate how cyber-physical coupling impacts the performance of a VPP in tracking frequency regulation signals, and thereby affects its revenue. This chapter presents simulation tests based on actual hardware and market data. Additionally, the methodologies introduced in the first part of this book, including polyhedral feasible region modeling and parameter identification, are rigorously applied to model AC loads, serving as a practical application example of the theoretical framework discussed in Part 1. -
Chapter 8. Cyber-Physical VPP Aggregation and Disaggregation
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDer Übergang zu erneuerbaren Energiequellen, insbesondere Wind und Photovoltaik, stellt die Stabilität der Stromnetze aufgrund ihrer variablen Beschaffenheit vor nie dagewesene Herausforderungen. Dieses Kapitel befasst sich mit diesen Herausforderungen, indem es sich auf die Aggregation und Aufschlüsselung nachfrageseitiger dezentraler Energieressourcen (DER) innerhalb virtueller Kraftwerke (VPPs) konzentriert. Es führt ein standardisiertes Modell ein, das die operativen Merkmale mehrerer DER umfasst, darunter thermostatisch gesteuerte Lasten, Elektrofahrzeuge und industrielle Produktionsprozesse. Das Kapitel stellt ein stochastisches, optimierungsbasiertes Rahmenwerk für VPPs zur Bereitstellung von Regulierungsdienstleistungen vor und betont die Bedeutung der Berücksichtigung von zeitlichen Kopplungsmerkmalen und operativen Unterschieden zwischen den DER. Eine Schlüsselinnovation ist die Entwicklung eines schnellen Aufschlüsselungsalgorithmus, der Echtzeit-Reaktionen auf Regulierungssignale ermöglicht und damit die Rechenkomplexität deutlich reduziert. Die vorgeschlagene Methode wird durch Fallstudien validiert, die höhere Gewinne und geringeren Rechenaufwand nachweisen. Dieses Kapitel bietet eine detaillierte Untersuchung des Marktrahmens, der Ausschreibungsstrategien und der optimalen Aufsplitterung der Energie und bietet einen umfassenden Leitfaden zur Verbesserung des VPP-Betriebs in einer erneuerbaren Energielandschaft.KI-Generiert
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AbstractVPPs disaggregate frequency regulation signals from the grid to DERs, addressing supply-demand imbalances. However, complex disaggregation of power adjustments can lead to delays, reducing VPP performance. To tackle this, we propose a disaggregation operation strategy that prioritizes low-cost DER while accounting for temporal coupling. To reduce online computational overhead, we also introduce a fast disaggregation algorithm that avoids reliance on optimization solvers, ensuring millisecond-level computation times, reducing adverse effects of cyber-physical coupling issues for VPPs. Case studies with thermostatically controlled loads and industrial processes demonstrate reduced costs and increased profits for VPPs using our strategy. This approach efficiently exploits demand-side flexibility and ensures reliable, real-time grid regulation. -
Chapter 9. Cyber-Physical VPP Operation with Network Effects
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDas Kapitel untersucht die entscheidende Rolle von Internet Service Companies (ISCs) als flexible Demand Response Resources (DRRs) in modernen Energiesystemen und konzentriert sich dabei auf die Optimierung des Betriebs von Rechenzentren. Er beginnt mit dem exponentiellen Wachstum des globalen Netzwerk-Datenverkehrs und dem daraus resultierenden Anstieg des Energieverbrauchs durch Internet-Rechenzentren (IDC). Der Text geht auf die Zusammensetzung des Stromverbrauchs in den IDC ein und betont den erheblichen Energiebedarf von IT-Geräten und Kühlsystemen. Es wird das Konzept der Kopplung von Rechenleistung eingeführt, bei der der Leistungsbedarf von IDC eng mit ihren Rechenaufgaben verknüpft ist. Das Kapitel präsentiert eine detaillierte Analyse der Planungsmechanismen für Online-Arbeitslasten, die zeitsensitiv sind und sofortige Reaktionen erfordern, und Batch-Computing-Aufgaben, die mehr Flexibilität bieten. Es wird der Einsatz von Techniken wie dynamischer Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS), dynamischer Clusterserverkonfiguration (DCSC) und Virtual Machine (VM) zur Optimierung der Allokation von Rechenressourcen diskutiert. Der Text überprüft auch verwandte Arbeiten und hebt die Modellierung und Optimierung des Stromverbrauchs von Entwicklungsländern und die Rolle der Echtzeitpreise (Real-Time Pricing, RTP) bei der Verbesserung der Markteffizienz hervor. Es geht auf die Beschränkungen bestehender Studien ein und schlägt ein kollaboratives Optimierungsmodell vor, das die Interaktion zwischen dem Verteilnetzbetreiber (DSO) und dem ISC berücksichtigt. Das Modell berücksichtigt die Flexibilität des geografischen Lastausgleichs für Online-Arbeitslasten und die Heterogenität des Online-Arbeitsaufwandes. Das Kapitel diskutiert auch die rechnerischen Herausforderungen bei der Lösung des Modells in Großszenarien und präsentiert einen iterativen Algorithmus, um diese Probleme zu lösen. Darüber hinaus wird ein mehrzieliger Optimierungsrahmen auf der Grundlage der Nash-Verhandlungslösung eingeführt, um die widersprüchlichen Ziele des DSO und des ISC auszugleichen. Das Kapitel schließt mit einer Fallstudie über ein radiales Verteilungssystem mit 33 Bussen, die die Effektivität des vorgeschlagenen Modells und Algorithmus bei der Optimierung des Energieverbrauchs und der Koordination der Stromflüsse in Rechenzentren demonstriert.KI-Generiert
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AbstractThe cyber-physical coupling in VPPs also brings new opportunities, particularly with the growing integration of networked facilities such as data centers and communication base stations, which have become significant participants in VPPs. For such loads, their reliance on cyber networks must be carefully considered during regulation. This chapter uses data centers as an example to explore how VPPs should adjust their operational strategies to accommodate these novel information equipment loads. This study focuses on multi-region Internet Data Centers (IDCs) managed by an Internet Service Company (ISC) aggregated as a controllable load. Spatial load regulation of online workloads is particularly considered to enhance load flexibility. A two-step workload scheduling mechanism is proposed, supported by a computation-power coupling model for ISCs. To overcome the challenges in solving the model under the assumption of workload scheduling homogeneity, a model reconstruction method is introduced, along with an efficient iterative algorithm for solution optimization. Experimental cases are designed to verify the effectiveness of the model and algorithm.
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Coordinated Communication Control for VPPs
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Chapter 10. Coordinated Communication Control: Why and How?
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDas Kapitel beginnt mit der Hervorhebung der Schwachstellen in den Kommunikationssystemen innerhalb von Virtuellen Kraftwerken (VPPs) und lenkt die Aufmerksamkeit sowohl auf Cyber-Angriffe als auch auf inhärente Zuverlässigkeitsprobleme in drahtgebundenen und drahtlosen Netzwerken. Sie unterstreicht die einzigartigen Herausforderungen, die sich aus der Integration verteilter Energieressourcen (DER) in VPPs ergeben, die häufig über drahtlose Netzwerke verbunden sind, die anfällig für Störungen und Variabilität sind. Anschließend untersucht der Text die unterschiedlichen Kommunikationsarchitekturen zentralisierter, verteilter und dezentralisierter VPPs, die jeweils einzigartige cyber-physische Koppelungsprobleme aufweisen. Zentralisierte VPPs beispielsweise erfordern hohe Erreichbarkeit und geringe Latenzzeiten für präzise Nachfragereaktion und Notfallfrequenzunterstützung, während verteilte und dezentrale VPPs vor Herausforderungen bei der Koordinierung großflächiger, hochfrequenter Kommunikation stehen. Das Kapitel stellt das Konzept der koordinierten Kommunikationskontrolle vor und betont die Notwendigkeit, die Semantik und den Wert heterogener Informationen im VPP-Betrieb zu berücksichtigen. Sie schlägt ein einheitliches Cyber-Physical-Coupling-Operations-Management-Modell vor, das darauf abzielt, die Interaktion zwischen physischen und Informationssystemen zu optimieren. Der Text diskutiert auch die Komplexität der Lösung derartiger Optimierungsprobleme und spricht sich für einen "Teile-und-herrsche" -Ansatz aus, um den Herausforderungen zu begegnen, die sich aus der Trennung von physischem und Informationssystem ergeben. Anhand von anschaulichen Beispielen und detaillierten Analysen zeigt das Kapitel, wie eine koordinierte Kommunikationskontrolle die Zuverlässigkeit und Effizienz des VPP-Betriebs steigern kann, was es zu einer unverzichtbaren Lektüre für diejenigen macht, die den Bereich des VPP-Kommunikationsmanagements voranbringen wollen.KI-Generiert
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AbstractThis chapter provides a concise introduction to the foundational theories and methods for coordinated communication control in cyber-physical systems. A general collaborative optimization model for VPPs is constructed, integrating all state and control variables from both the physical and cyber systems while considering information heterogeneity. Due to the non-convex nature of the model, a tailored decomposition-solving approach is developed. This analysis reveals the impact of varying information transmission performances of DERs on the VPP’s objective function. Readers who are less interested in the theoretical aspe‘cts can proceed directly to the subsequent chapters focusing on practical applications. -
Chapter 11. Centralized VPP Minute-Level Demand Response: Access Control for Reliability
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDieses Kapitel behandelt das kritische Problem des Paketverlustes in Virtuellen Kraftwerken (VPPs), der aufgrund unzuverlässiger Kommunikationsnetze erhebliche Auswirkungen auf die Einnahmen haben kann. Zunächst wird die Rolle der drahtlosen Kommunikation bei der Verbindung verteilter Energiegeräte innerhalb von VPPs und die Herausforderungen durch Paketverluste in solchen Netzwerken hervorgehoben. Das Kapitel stellt ein umfassendes Rahmenwerk zur Quantifizierung der negativen Auswirkungen von Paketverlusten auf die VPP-Einnahmen vor, das sowohl Uplink- als auch Downlink-Datenübertragung berücksichtigt. Sie formuliert ein Optimierungsproblem, um die durch Paketverluste verursachten Umsatzeinbußen zu minimieren, und berücksichtigt dabei die heterogene Beschaffenheit von Zugangsnetzwerken, einschließlich WiFi-APs, LTE und 5G-Mobilfunk-Basisstationen. Um das komplexe Optimierungsproblem effizient zu lösen, wird ein Algorithmus zur Schichtzersetzung vorgeschlagen. Dieser Algorithmus zerlegt das Problem in kleinere, handhabbare Teilprobleme, die sequenziell und parallel gelöst werden, wodurch Skalierbarkeit und Praktikabilität gewährleistet sind. Im Kapitel werden auch Fallstudien vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode belegen und im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen eine deutliche Verringerung der erwarteten Einnahmeverluste zeigen. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung einer optimierten Zugangskontrolle für die Verbesserung der Zuverlässigkeit und der wirtschaftlichen Leistung von VPPs und machen sie zu einer wertvollen Ressource für Fachleute und Forscher auf diesem Gebiet.KI-Generiert
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AbstractIn VPPs, DERs communicate with control centers via wireless access points (APs). Nevertheless, with a massive number of devices connected to APs, VPPs would be adversely affected by packet loss and consequently suffer from revenue reduction. Therefore, devices’ access connections need to be delicately designated to mitigate these negative impacts. This chapter studies the device access optimization problem from the perspective of VPP operations. An optimization model to minimize the revenue reduction induced by packet loss is first formulated to designate APs for devices in heterogeneous communication networks. The significance of various device data is determined by revenue reduction as a result of packet loss. Additionally, the heterogeneous access network model is established to characterize different types of APs. To make the model implementable, this chapter further proposes a layered decomposition solution algorithm, which decomposes optimization tasks into small-scale sub-problems and successively assigns them to different layers of APs. Sub-problems are further decomposed for APs to greedily cut revenue reduction by evaluating devices’ marginal contributions to revenue reduction. Numerical case studies are also conducted to verify the benefits of device access optimization. -
Chapter 12. Centralized VPP Second-Level Frequency Support: Bandwith Slicing for Latency
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDas Kapitel untersucht die entscheidende Rolle des 5G RAN-Slicings bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit von Frequenzregulierungsdiensten in Virtuellen Kraftwerken (VPPs). Mit zunehmender Verbreitung erneuerbarer Energiequellen steigt die Nachfrage nach wirksamer Frequenzregulierung, was innovative Lösungen für das Management der dezentralen Energieressourcen (DER) erfordert, die diese Dienstleistungen unterstützen. Der Text untersucht, wie 5G-RAN-Slicing Kommunikationsherausforderungen lösen kann, indem es Regulierungsanweisungen vom anderen Netzwerkverkehr isoliert und so eine zuverlässige und ununterbrochene Frequenzregulierung gewährleistet. Es stellt ein Optimierungsmodell vor, das den Gewinn des VPP maximiert, indem es eine breite Palette von DERs koordiniert, darunter Energiespeicher, Elektrofahrzeuge und steuerbare Lasten. Das Kapitel geht auch auf die wirtschaftlichen Vorteile des 5G-RAN-Schneidens ein und quantifiziert seine Auswirkungen auf die Verringerung von Gewinnverlusten aufgrund von Kommunikationsausfällen. Anhand detaillierter Fallstudien und praktischer Beispiele zeigt das Kapitel die Machbarkeit und Notwendigkeit der Einführung von 5G-RAN-Schnitttechnik in moderne Stromversorgungssysteme auf und bietet Einblicke in die Zukunft des Energiemanagements und der Telekommunikationsintegration.KI-Generiert
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AbstractCellular communication networks are commonly utilized for connecting DERs. Nevertheless, conventional cellular networks prior to 5G were unreliable while private cellular networks incur huge investment costs. Radio access network (RAN) slicing in 5G communications can address these issues by providing the VPP with virtual private networks in public cellular networks. The VPP must evaluate the benefits of 5G RAN slicing and determine the size of slices before implementing it. This chapter proposes to apply 5G RAN slicing to assist the VPP to participate in frequency regulation services. First, an optimization model is developed for the VPP to maximize the profit of engaging DERs in various frequency regulation services. Its solution determines the VPP’s scheduled DER portfolio of regulation services and communication needs. Then, the effects of public shared communications on the regulation performance are quantified. 5G RAN slicing enhances the predictability of communication reliability, and its benefit is explicitly modelled as its contribution to reducing the risk of the VPP’s profit loss. Next, based on the 5G RAN slicing benefit, an optimization model for determining the size of slices is further established, considering the cost of purchasing slices from mobile service providers. Additionally, an online solution method is developed, such that DERs’ regulation service portfolio can be determined in real-time. Numerical case studies are conducted to demonstrate the benefit of 5G RAN slicing for the VPP’s frequency regulation services. -
Chapter 13. Distributed VPP Energy Sharing: Cocurrency and Connectivity Control
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDas Kapitel befasst sich mit der zunehmenden Integration dezentraler Energieressourcen (DER) in Energiesysteme, wodurch traditionelle Verbraucher zu proaktiven Prosumenten werden. Sie konzentriert sich auf die Herausforderungen der Energieverteilung innerhalb virtueller Kraftwerke (VPPs), wo Prosumenten überschüssige Energie teilen können, um eine höhere Rentabilität zu erreichen. Der Standard-ADMM-Algorithmus ist zwar effektiv, steht aber im Umgang mit tausenden Prosumern vor Kommunikationsproblemen, was zu längeren Konvergenzzeiten führt. Um dies zu entschärfen, wird in diesem Kapitel ein teilaktualisierter ADMM-Algorithmus eingeführt, der die Anzahl der Prosumer, die an den Aktualisierungen pro Runde beteiligt sind, begrenzt und so die Kommunikationsstaus verringert. Eine Schlüsselinnovation ist die Entwicklung einer fairen und effizienten Planungspolitik, die Prosumenten, die für die Beschleunigung der Konvergenz entscheidend sind, Priorität einräumt und gleichzeitig sicherstellt, dass alle Prosumenten ausreichende Aktualisierungsmöglichkeiten haben. Das Kapitel untersucht auch Techniken, um die Online-Leistung des Algorithmus zu verbessern und zusätzliche Rechen- und Kommunikationszeit zu minimieren. Anhand von Fallstudien wird die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methoden verifiziert, was reduzierte Konvergenz-Iterationen und optimale Lösungen für die gemeinsame Nutzung von Energie zeigt. Das Kapitel schließt mit der Diskussion zukünftiger Forschungsrichtungen, einschließlich der systematischen Bestimmung von Algorithmenparametern und der Einbeziehung von Effekten des Verteilungsnetzes.KI-Generiert
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AbstractIn distributed VPPs, large-scale energy sharing involving thousands of prosumers may encounter communication-related challenges. Communication network congestion may result in a significant increase in the negotiation waiting delay to reach a sharing agreement, and potentially risks exceeding the deadline of the negotiation time before the market gate closes, rendering energy sharing ineffective. This chapter proposes an online partial-update algorithm for the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM)-based energy sharing. By restricting the update connection between the VPP and the prosumers, the algorithm selects a subset of the prosumers participating in ADMM updates each round, hence eliminating the excessively long waiting time caused by communication congestion. Considering the delay induced by massive prosumer communication access requests, a method for determining the optimal number of prosumers participating in updates is provided. To fully utilize the limited update opportunities, a fair and efficient prosumer update scheduling policy is designed. The VPP schedules the participation of prosumers in updates such that the convergence-critical prosumers receive higher priority, yet every prosumer is granted sufficient update opportunities. Additionally, the extra computation and communication overheads brought by the prosumer scheduling are minimized, allowing the whole algorithm to be executed in real time. Numerical studies are conducted to validate the effectiveness of the algorithm and its performance in reducing the overall convergence time. -
Chapter 14. Decentralized VPP P2P Trading: Selective Synchronization Control
Cheng Feng, Hongye Guo, Kedi Zheng, Qixin Chen, Chongqing KangDie Verbreitung dezentraler Energieressourcen (DER) verwandelt traditionelle Stromverbraucher in proaktive "Prosumer", die aktiv am Peer-to-Peer-Handel (P2P) teilnehmen. Dieses Kapitel behandelt die komplexen Herausforderungen des P2P-Handels, insbesondere die Notwendigkeit asynchroner Ansätze aufgrund von Kommunikationsbeschränkungen und selektivem Peer Engagement. Er bewertet bestehende synchrone und asynchrone Handelsmechanismen kritisch und zeigt ihre Grenzen im Umgang mit großen, dezentralen Handelsnetzwerken auf. In diesem Kapitel werden verbindungsbewusste P2P-Handelsalgorithmen vorgestellt, die darauf ausgelegt sind, Asynchronität zu adressieren und die Autonomie der Prosumenten zu verbessern. Zwei Varianten dieser Algorithmen - kanten- und knotenbasiert - werden vorgestellt, wobei jede intelligente Auswahlstrategien umfasst, um die Konvergenz zu beschleunigen und die Autonomie der Prosumer zu schützen. Der kantenbasierte Algorithmus verwendet ein sensorisches Orakel, um Handelsverbindungen zu verwalten, während der knotenbasierte Algorithmus es Prosumenten ermöglicht, selektiv mit bevorzugten Handelspartnern zu kommunizieren. Beide Algorithmen werden sorgfältig auf Konvergenz hin analysiert, was ihre Effektivität in realen Szenarien demonstriert. Fallstudien bestätigen die vorgeschlagenen Methoden und zeigen ihre Fähigkeit, komplexe Handelsumgebungen zu handhaben und optimale Handelsergebnisse zu erzielen. Das Kapitel schließt mit Vorschlägen für zukünftige Forschungsansätze und betont das Potenzial für weitere Fortschritte bei den P2P-Handelstechnologien.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractPeer-to-peer (P2P) trading in decentralized VPPs is seen as a viable solution to handle the growing number of distributed energy resources in distribution networks. However, when dealing with large-scale consumers, there are several challenges that must be addressed. One of these challenges is limited communication capabilities. Additionally, prosumers may have specific preferences when it comes to trading. Both can result in serious asynchrony in peer-to-peer trading, potentially impacting the effectiveness of negotiations and hindering convergence before the market closes. This chapter introduces a connection-aware P2P trading algorithm designed for extensive prosumer trading. The algorithm facilitates asynchronous trading while respecting the prosumer’s autonomy in trading peer selection, an often overlooked aspect in traditional models. In addition, to optimize the use of limited connection opportunities, a smart trading peer connection selection strategy is developed to guide consumers to communicate strategically to accelerate convergence. A theoretical convergence guarantee is provided for the connection-aware P2P trading algorithm, which further details how smart selection strategies enhance convergence efficiency. Numerical studies are carried out to validate the effectiveness of the connection-aware algorithm and the performance of smart selection strategies in reducing the overall convergence time.
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- Titel
- Cyber-Physical Virtual Power Plants: Modeling, Operation, and Control
- Verfasst von
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Cheng Feng
Hongye Guo
Kedi Zheng
Qixin Chen
Chongqing Kang
- Copyright-Jahr
- 2025
- Verlag
- Springer Nature Singapore
- Electronic ISBN
- 978-981-9653-58-4
- Print ISBN
- 978-981-9653-57-7
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-981-96-5358-4
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