Digitalization of Electrical Power Engineering

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Chapter 1. Intellectualization (Digitalization)—The Main Direction of Reforming the Electrical Power Engineering

   Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

   Dieses Kapitel untersucht die drängenden Probleme globaler Energiesysteme, darunter Ressourcenerschöpfung, Umweltauswirkungen, Verschleiß der Infrastruktur und geopolitische Bedrohungen. Er beleuchtet zwei potenzielle Szenarien für die Zukunft der Elektrizitätsindustrie: die Erhaltung bestehender Infrastruktur oder ihre Umwandlung in intelligente Netze. Der Schwerpunkt liegt auf Letzterem und diskutiert die wichtigsten Ziele und Technologien, die mit der Schaffung intelligenter Netze einhergehen, wie fortschrittliche Messung, Fehlerbehebung und Integration erneuerbarer Energiequellen. Das Kapitel untersucht auch das Konzept der Digitalisierung, ihre Hauptziele und die Unterschiede zwischen intelligenten und traditionellen Netzen. Es bietet eine vergleichende Analyse der Merkmale traditioneller und intelligenter Netze und betont die Vorteile intelligenter Netze in Bezug auf Steuerung, Effizienz und Widerstandsfähigkeit. Darüber hinaus skizziert das Kapitel die Schritte, die für die Entwicklung eines intelligenten elektrischen Systems erforderlich sind, und die Rolle der Entwicklung von Humanressourcen bei der Intellektualisierung der Elektrotechnik. Sie schließt mit den grundlegenden Kenntnissen und Kompetenzen, die Universitätsabsolventen benötigen, um effektiv am digitalen Wandel des Energiesektors teilzuhaben.

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3. Chapter 2. Stakeholder Motives and Participation in the Digital Transition

   Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

   Dieses Kapitel geht auf die entscheidenden Rollen und Funktionen von Stakeholdern beim digitalen Wandel von Energiesystemen ein und konzentriert sich auf die Vorteile und Herausforderungen intelligenter Netze. Die Vorteile intelligenter Energiesysteme lassen sich in drei Hauptbereiche unterteilen: Marktaktualisierungen und Echtzeitsteuerung, Netzzuverlässigkeit und Investitionssicherheit sowie nahtlose Integration erneuerbarer Energiequellen. Das Kapitel identifiziert fünf Gruppen von Herausforderungen, denen sich der digitale Wandel widmet, einschließlich gesetzlicher und regulatorischer Rahmenbedingungen, wirtschaftlicher Wettbewerbsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit der Energieversorgung, Stärkung der Verbraucherrechte und ökologischer Nachhaltigkeit. Außerdem wird das Konzept öffentlich-privater Partnerschaften als praktikables Finanzierungsmodell für Großprojekte untersucht. Der Text hebt die Beiträge verschiedener Interessengruppen wie Industrielabors, Forschungseinrichtungen, Universitäten und Technologieunternehmen zur Entwicklung und Umsetzung von Smart-Grid-Technologien hervor. Beispiele aus der realen Welt aus den Vereinigten Staaten zeigen die Effektivität konzentrierter Bemühungen zur Lösung komplexer Probleme im Zusammenhang mit der Digitalisierung des Energiesystems. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Notwendigkeit einer einheitlichen Infrastruktur, einschließlich IT-Infrastruktur, um den Herausforderungen des digitalen Wandels zu begegnen.

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4. Chapter 3. The Smart Electric Grid

   Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

   Tauchen Sie ein in die komplexe Welt des intelligenten Stromnetzes, einer revolutionären Modernisierung traditioneller Energiesysteme. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Prinzipien und Komponenten untersucht, aus denen sich das Smart Grid zusammensetzt, darunter Smart-Metering-Technologien, Zwei-Wege-Kommunikationsinfrastruktur und fortschrittliche Managementmethoden. Entdecken Sie, wie diese Komponenten zusammenarbeiten, um Echtzeit-Überwachung, Selbstheilungskräfte und effiziente Energieübertragung zu ermöglichen. Der Text unterstreicht auch die Bedeutung von Energiespeichersystemen für die Steuerung der Unterbrechung erneuerbarer Energiequellen und die Gewährleistung der Netzstabilität. Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Energiespeichern, ihre Betriebsprinzipien und ihre Rolle im Lastmanagement und der Steuerung des Stromflusses. Darüber hinaus diskutiert das Kapitel die Zukunft intelligenter Netze und betont die Notwendigkeit robuster Cyber-Sicherheitsmaßnahmen und die Integration menschlicher Intelligenz in die Energieoptimierung. Gewinnen Sie Einblicke in die Herausforderungen und Chancen, die bei der Entwicklung des intelligenten Stromnetzes vor uns liegen, und wie diese Fortschritte die Zukunft der Energieverteilung und des Energieverbrauchs beeinflussen werden.

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5. Chapter 4. Testing and Monitoring Systems for the Electrical Grid

   Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

   Dieses Kapitel befasst sich mit der Transformation traditioneller Stromnetze in intelligente Netze, wobei der Schwerpunkt auf der Integration fortschrittlicher Sensoren und Messsysteme liegt. Sie unterstreicht die entscheidende Rolle von Sensoren bei der Erkennung von Ausfällen, der Beurteilung von Gerätebedingungen und der Optimierung der Energieübertragung. Der Text untersucht verschiedene Arten von Sensoren, einschließlich elektrischer, ökologischer und mechanischer Sensoren, und ihre Anwendungen zur Verbesserung der Netzzuverlässigkeit und Effizienz. Darüber hinaus werden die wesentlichen Test- und Überwachungsprozesse diskutiert, die für die Einführung intelligenter Stromnetze erforderlich sind, einschließlich Labortests, Feldtests und Umwelttests. Das Kapitel untersucht auch den Einsatz magnetoresistiver Sensoren zur berührungslosen Fehlerortung und Stromüberwachung sowie die Rolle von Überwachungs- und Datenerfassungssystemen (SCADA) bei der Verwaltung und Steuerung von Energieversorgungseinrichtungen. Darüber hinaus bietet es Einblicke in die Funktions- und Kommunikationsanforderungen von SCADA-Systemen, die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Datenübertragungssysteme und die Hierarchie von SCADA-Systemen. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Umsetzung des Konzepts "Smart Grid" und die Zukunft des Stromnetzmanagements.

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6. Chapter 5. Digital Substations as a Key Element of Smart Grids

   Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

   Digitale Umspannwerke stellen einen bedeutenden Fortschritt bei der Entwicklung intelligenter Netze dar und bieten verbesserte Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Dieses Kapitel untersucht die Schlüsselfunktionen digitaler Umspannwerke, einschließlich Spannungstransformation, Stromflussmanagement und Echtzeitüberwachung. Sie vertieft sich in die Architektur und die Komponenten digitaler Umspannwerke und vergleicht sie mit herkömmlichen Umspannwerken, um die Vorteile der Digitalisierung hervorzuheben. Der Text diskutiert auch die Integration intelligenter Primärgeräte wie elektronische Transformatoren und intelligente Schaltgeräte sowie die Implementierung standardisierter Protokolle zum Informationsaustausch wie IEC 61850. Darüber hinaus deckt es die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile digitaler Umspannwerke ab, darunter geringere Material- und Arbeitskosten, eine verbesserte Ressourcennutzung und verbesserte Sicherheit. Das Kapitel schließt mit einem Blick in die Zukunft digitaler Umspannwerke, wobei die laufenden technologischen Fortschritte und das Potenzial für weitere Innovationen im Bereich intelligenter Stromnetze hervorgehoben werden.

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7. Chapter 6. Digitalization of Electric Power Grid Within IEC 61850 Standard

   Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

   Dieses Kapitel befasst sich mit der Digitalisierung elektrischer Stromnetze innerhalb der IEC 61850-Norm und untersucht ihren Inhalt, Umfang und ihre Anwendungen. Zunächst werden die grundlegenden Aspekte des Standards skizziert, darunter Informationsmodellierung, Kommunikationsdienste und Systemkonfiguration. Anschließend gibt der Text einen Überblick über die Entwicklung des Standards und seine aktuellen Anwendungen in verschiedenen Aspekten der Automatisierung von Energieversorgungssystemen, wie der Automatisierung von Umspannwerken, der Kontrolle der Netzqualität und der Überwachung von Geräten. In diesem Kapitel werden auch die Auswirkungen der Norm auf die Funktionskompatibilität und Austauschbarkeit von Geräten verschiedener Hersteller diskutiert. Darüber hinaus bietet es eine detaillierte Untersuchung des Informationsmodells, der logischen Knoten, Datenobjekte und Attribute und liefert praktische Beispiele und Erklärungen. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über Verfahren zur Datenmodellierung und die Entwicklung von IEC 61850 Standardprofilen. Durch die Lektüre dieses Kapitels werden Fachleute ein umfassendes Verständnis der IEC 61850-Norm und ihrer Rolle bei der Modernisierung elektrischer Stromnetze erlangen.

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8. Chapter 7. IEC 61850 Requirements for Digital Substation Design

   Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

   Das Kapitel befasst sich mit dem IEC 61850-Standard und konzentriert sich auf die für das Design digitaler Schaltanlagen verwendete Substation Configuration Language (SCL). Darin werden die fünf Arten von SCL-Dateien - SSD, ICD, SCD, CID und IID - und ihre spezifischen Rollen bei der Systemkonfiguration und den IED-Fähigkeiten untersucht. Der Text beschreibt auch die Software-Tools, die für die Erstellung und Validierung dieser Dateien erforderlich sind, wie System Specification Tools, System Configuration Tools und IED Configuration Tools. Darüber hinaus wird der Designprozess gemäß IEC 61850 skizziert und die Bedeutung der Validierung von SCL-Dateien für den korrekten Betrieb des Systems hervorgehoben. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Bedeutung geeigneter Kommunikationsparameter und funktionaler Verbindungen bei der Gestaltung digitaler Umspannstationen.

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9. Chapter 8. IEC 61850 Digital Communication Protocols

   Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

   Dieses Kapitel befasst sich mit dem IEC 61850-Standard und konzentriert sich auf seine digitalen Kommunikationsprotokolle und ihre Rolle in Energieanlagen. Es untersucht die Anpassungsfähigkeit des Standards im Laufe der Zeit und die Unabhängigkeit konzeptioneller Aspekte von Datenübertragungstechnologien. Der Text diskutiert die abstrakte Kommunikationsschnittstelle, einschließlich Gerätemodellen und Datenübertragungsdiensten, und unterstreicht die Bedeutung der Zeitsynchronisation für einen zuverlässigen Datenaustausch. Es bietet auch einen detaillierten Einblick in die Protokolle GOOSE und Sampled Values, ihre Anwendung in Schutz- und Kontrollsystemen und die Zuordnung dieser Protokolle zu bestimmten Kommunikationstechnologien. Zusätzlich behandelt das Kapitel die Konfiguration der GOOSE-Nachrichtenübertragung und die Struktur von fusionierten Einheiten mit GOOSE-Unterstützung. Die Schlussfolgerung betont den breiten Anwendungsbereich von GOOSE-Nachrichten und die entscheidende Rolle der Zeitsynchronisation bei der Gewährleistung der präzisen Übertragung der erfassten Messwerte.

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10. Chapter 9. Information Security of the Digital Substation

    Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

    Dieses Kapitel untersucht die sich entwickelnde Landschaft digitaler Umspannwerke und die entscheidende Rolle, die sie in modernen Energiesystemen spielen. Es untersucht den Wandel von traditionellen, bemannten Unterstationen hin zu fortschrittlichen, miteinander verbundenen Systemen, die auf Überwachungs-, Kontroll- und Datenakquisitionstechnologien (SCADA) beruhen. Der Text geht auf die verschiedenen Arten von Cybersicherheitsbedrohungen ein, mit denen diese Systeme konfrontiert sind, darunter Angriffe auf das Sammeln von Informationen, Spoofing-Angriffe, Blockadeangriffe und Angriffe auf die Privatsphäre. Außerdem werden Beispiele für Cyberangriffe aus der realen Welt wie der Stuxnet-Wurm und die BlackEnergy-Malware gezeigt, um die potenziellen Folgen dieser Bedrohungen zu veranschaulichen. Das Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über die Schwachstellen digitaler Unterstationen, einschließlich der Probleme im Zusammenhang mit Fehlern bei der Firewall-Konfiguration, dem Knacken von Online-Passwörtern und unzureichenden Maßnahmen zur Zugangskontrolle. Außerdem wird die Bedeutung der Analyse und Manipulation des Netzwerkverkehrs und die Notwendigkeit robuster Testplattformen für die Cybersicherheit diskutiert. Der Text schließt mit einer Skizze praktischer Cybersicherheitslösungen und der gemeinsamen Anstrengungen, die erforderlich sind, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Energieinfrastruktur zu gewährleisten. Durch die Lektüre dieses Kapitels werden Fachleute ein tieferes Verständnis der Cybersicherheitsherausforderungen gewinnen, vor denen digitale Umspannwerke stehen, und der Strategien, die eingesetzt werden können, um diese Risiken abzumildern.

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11. Chapter 10. Application of Artificial Intelligence (AI) and Deep/Machine Learning (DL/ML) in Electrical Power Engineering

    Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

    Dieses Kapitel untersucht die transformativen Auswirkungen von Künstlicher Intelligenz (KI) und Deep / Machine Learning (DL / ML) auf die Elektrotechnik und konzentriert sich dabei auf vier Schlüsselbereiche: die Steigerung der Energieeffizienz, die Verbesserung der Stabilität und Steuerung des Stromsystems, die Gewährleistung von Sicherheit und Schutz sowie die Bewältigung aktueller Herausforderungen und Zukunftsaussichten. Durch die Analyse großer Datenmengen ermöglicht KI Unternehmen, Lieferketten zu optimieren, Nachfrageprognosen zu erstellen und eine vorausschauende Wartung durchzuführen, wodurch Ausfallzeiten und Reparaturkosten erheblich reduziert werden. In diesem Kapitel wird auch untersucht, wie KI zum Smart Grid-Konzept beiträgt, indem sie Entscheidungstools in Echtzeit anbietet und Unsicherheiten in Energiesystemen bewältigt. Verschiedene KI-Techniken wie künstliche neuronale Netzwerke (ANNs), Fuzzy Logic, Expertensysteme und evolutionäre Methoden werden im Detail diskutiert und ihre Anwendungen in den Bereichen Stabilität, Kontrolle und Schutz des Stromversorgungssystems herausgestellt. Der Text schließt mit der Bewältigung der aktuellen Herausforderungen bei der KI-Integration, einschließlich Datenverfügbarkeit, Softwareentwicklung und Personalschulung, und betont zugleich das Potenzial der KI, den Energiesektor und verwandte Bereiche zu revolutionieren.

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12. Chapter 11. Impact of the Application of Various Digitalization Tools on the Energy Efficiency of Industrial Enterprises

    Vasily Ya. Ushakov, Ikromjon U. Rakhmonov, Alisher B. Askarov, Dmitriy S. Nikitin

    Dieses Kapitel untersucht die transformativen Auswirkungen von Digitalisierungstools auf die Energieeffizienz in Industrieunternehmen und konzentriert sich dabei auf das Internet der Dinge (IoT), Big Data Analytics, Cloud-Technologien und digitale Zwillinge. Es zeigt auf, wie IoT Echtzeit-Überwachung und Automatisierung ermöglicht, was zu erheblichen Energieeinsparungen durch Geräteüberwachung, Produktionsautomatisierung, vorausschauende Wartung, Ressourcenmanagement und Energieverbrauchsmanagement führt. Der Text untersucht auch die Rolle von Big Data bei der Optimierung des Energieverbrauchs, der Kostenprognose und der Verbesserung von Produktionsprozessen. Cloud-Technologien werden aufgrund ihrer Flexibilität, Skalierbarkeit und verbesserten Datensicherheit diskutiert, während digitale Zwillinge als virtuelle Repliken präsentiert werden, die vorausschauende Wartung, Prozessoptimierung und Kostenreduzierung ermöglichen. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Bedeutung einer kontinuierlichen digitalen Transformation und der Notwendigkeit robuster Cybersicherheitsmaßnahmen. Die Leser erhalten Einblicke in die praktischen Anwendungen und Vorteile dieser Digitalisierungstools, die durch detaillierte Auswirkungsquoten und Beispiele aus der realen Welt unterstützt werden.

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13. Backmatter