Planning, Operation, and Security of Communication Networks for Regulating Large-scale Flexible Resources in Modern Power Systems

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Chapter 1. Introduction

   Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

   Dieses Kapitel geht der wachsenden Bedeutung flexibler Ressourcen in modernen Energiesystemen nach, die durch den rapiden Anstieg der globalen Stromlasten und die zunehmende Integration erneuerbarer Energien angetrieben wird. Er hebt die erheblichen Herausforderungen hervor, die von der schwankenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen, insbesondere Wind- und Photovoltaikgeneratoren, und der Notwendigkeit fortgeschrittener Regulierungsressourcen ausgehen. Der Text untersucht die Rolle großer flexibler Ressourcen (z. B. Klimaanlagen, Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen) bei der Bereitstellung von Zusatzdienstleistungen und der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts des Energiesystems. Er diskutiert die entscheidende Rolle von Kommunikationsnetzen, sowohl lokalem Zugang als auch Fernzugriff, bei der effektiven Entsendung dieser FRs und betont den Einsatz fortschrittlicher Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) wie IoT, 5G und Edge-Cloud-Zusammenarbeit. Das Kapitel behandelt auch die Herausforderungen und Lösungen im Bereich der Datensicherheit während des Kommunikationsprozesses, einschließlich der Bewertung des Datenwertes, Governance-Methoden und Sicherheitsrahmen. Abschließend skizziert er die Strategien zur Planung, zum Betrieb und zur Verbesserung der Sicherheit von Kommunikationsnetzen bei der Regulierung großer FRs und unterstreicht die Notwendigkeit eines koordinierten Ansatzes, um die Stabilität und Effizienz moderner Energiesysteme zu gewährleisten.

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3. Chapter 2. Interconnected Networks: Advanced ICTs Facilitating the Regulation of Large-Scale Flexible Resources

   Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

   Dieses Kapitel befasst sich mit der Vernetzung von Kommunikationsnetzen und Stromnetzen zur Regulierung flexibler Ressourcen im großen Maßstab (FRs), wobei der Schwerpunkt auf der Anwendung fortschrittlicher IKT-Technologien liegt. Es untersucht das Konzept der FR-Regulierung, die jüngsten praktischen Fortschritte und die entscheidenden Faktoren der Cyber-Sicherheit, des Verbraucherschutzes und der Zuverlässigkeit. Der Text analysiert verschiedene IKT-Technologien für lokale Zugangsnetzwerke und Fernkommunikationsnetzwerke und hebt deren wesentliche Merkmale und typische Anwendungsszenarien hervor. Ausgehend von 5G als Schaufenster untersucht das Kapitel die Anwendung von IKT zur Regulierung großer Datenverarbeitungsanlagen, diskutiert die Fähigkeit der Technologie, sich mit einer großen Anzahl von Datenverarbeitungsanlagen zu verbinden, schnelle Datenübertragungsgeschwindigkeiten für die Fernsteuerung, robuste Sicherheit zum Schutz der Privatsphäre der Verbraucher, hohe Zuverlässigkeit zur Gewährleistung der Wirksamkeit der Datenverarbeitungsregulierung und geringen Stromverbrauch für die allgemeine Vermarktung verwandter Geräte. Die zukünftige Arbeit wird auch diskutiert, um die Anwendung von 5G für die Regulierung großer FRs zu erreichen. Das Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über praktische Fortschritte bei der Nachfragereaktion in Europa, den USA und China und hebt die Entwicklung intelligenter Stromzähler, fortschrittlicher Zählerinfrastrukturen und sofortiger Kommunikationssysteme hervor. Sie untersucht auch die Unsicherheiten der DR und ihre Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit des Stromsystems und betont die Notwendigkeit, die sozialen Verhaltensfaktoren und Lasttypen der Verbraucher während des Regulierungsprozesses zu berücksichtigen. Das Kapitel schließt mit der Diskussion der wesentlichen Merkmale und typischen Anwendungsszenarien fortgeschrittener IKT, einschließlich RS-485, SPS, und ihrer Rolle in industriellen Steuerungssystemen, Datenerfassungssystemen, Fernüberwachungssystemen, Energiesystemen und intelligenten Gebäudesystemen.

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4. Planning and Operation of Communication Networks for the Regulation of Large-Scale Flexible Resources

   1. Frontmatter

   2. Chapter 3. Communication Accessibility Oriented Deployment Strategy of Hybrid IoT Terminals for Dispatching Large-Scale Flexible Loads in Power Systems

      Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

      In diesem Kapitel wird eine neuartige Einsatzstrategie für hybride IoT-Terminals vorgestellt, um den Kommunikationszugang für den Versand großer flexibler Lasten in Stromversorgungssystemen zu verbessern. Die Strategie setzt ein zweistufiges Optimierungsmodell ein, um die Kommunikationsanforderungen von Load Aggregatoren (LA) und die Kommunikationsleistung von IoT-Terminals in Einklang zu bringen. Zu den zentralen Themen zählen die Entwicklung einer Deployment-Strategie für hybride IoT-Terminals, die Formulierung eines bilevel-Optimierungsmodells, das Strom- und Kommunikationssysteme integriert, und die Verwendung eines iterativen Algorithmus zur Lösung des bilevel-Optimierungsproblems. Das Kapitel diskutiert auch die Auswirkungen von Latenzanforderungen und durchschnittlicher Regulierungsmacht auf die Einsatzstrategie sowie die Effektivität der vorgeschlagenen Methode in verschiedenen Szenarien. Fallstudien und Sensitivitätsanalysen bestätigen die Wirksamkeit der Strategie und zeigen ihr Potenzial, die Kommunikationskosten zu senken und die Gesamtleistung des Systems zu verbessern. Die Schlussfolgerung unterstreicht die überlegene Leistung der Strategie bei der Erhöhung der durchschnittlichen Datenübertragungsraten und der Verringerung der Latenz im Vergleich zu einzelnen IoT-Typen und bietet eine praktische Lösung zur Verbesserung der Zugänglichkeit der Kommunikation in Energiesystemen.

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   3. Chapter 4. Coordinated Optimization of Power-Communication Coupling Networks for Dispatching Large-Scale Flexible Loads to Provide Operating Reserve

      Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

      Dieses Kapitel befasst sich mit der koordinierten Optimierung von Koppelnetzwerken für die Stromübertragung flexibler Großlasten zur Bereitstellung von Betriebsreserven. Es stellt eine Strategie für die Bereitstellung hybrider IoT-Endgeräte zur Regulierung flexibler Lasten in modernen Stromversorgungssystemen vor und präsentiert ein koordiniertes Optimierungsrahmenwerk, das Strom- und Kommunikationsnetze koppelt. In diesem Kapitel wird ein entsprechendes Modell für die Leistungskommunikation entwickelt, ein optimales Dispositionsschema vorgeschlagen und das Rahmenwerk anhand von Strom- und Kommunikationskoppelnetzwerken mit 5 Bussen und 118 Bussen analysiert. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die Umverteilung von Reservekapazitäten, die Auswirkungen der Kommunikationskosten auf die Versendung von Ergebnissen und die Bedeutung dynamischer Kommunikationspreise. Das Kapitel untersucht auch die Auswirkungen von Kommunikationsbeschränkungen, den Standort des Rechenzentrums und die Sensitivitätsanalyse der Kommunikationspreise. Anhand von Fallstudien wird die Effektivität des vorgeschlagenen Rahmenwerks bei der Senkung der Regulierungskosten und der Optimierung des Betriebs von Stromkoppelnetzwerken demonstriert.

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   4. Chapter 5. Data Valuation-Aware Coordinated Optimization of Power-Communication Coupling Networks Considering Hybrid Ancillary Services

      Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

      Dieses Kapitel befasst sich mit der koordinierten Optimierung von Strom- und Kommunikationsnetzen, wobei der Schwerpunkt auf der Regulierung großflächiger flexibler Lasten (FLs) für die Betriebsreserve liegt. Es führt einen datenbewertungsbewussten Ansatz ein, um dem kritischen Druck bei der Datenübertragung innerhalb von Kommunikationsnetzen zu begegnen. Der Text untersucht, wie die Datenbewertung die Kommunikationsleistung und Kosteneinsparungen verbessern kann, indem sie der Übertragung wertvollerer Daten Priorität einräumt. Außerdem wird die dynamische Bewertung des Datenwertes in hybriden Nebendienstszenarien diskutiert, wobei sowohl interne Faktoren wie Datenqualität und Aktualität als auch externe Faktoren wie wirtschaftlicher Wert berücksichtigt werden. Das Kapitel stellt ein koordiniertes Optimierungsrahmenwerk vor, das Stromfluss und Kommunikationsfluss integriert und darauf abzielt, den Nettogesamtumsatz zu maximieren. Fallstudien zu 5-Bus- und 118-Bus-Stromnetzwerken zeigen die Effektivität der vorgeschlagenen Strategie und zeigen, wie Regulierungskapazitäten neu verteilt und Kommunikationskosten gesenkt werden. Der Text schließt mit der Hervorhebung des Potenzials einer datenbewertungsbewussten Optimierung, um die Einnahmen aus der Regulierung in gekoppelten Netzwerken zu verbessern.

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5. Impact Analysis of Communication Networks on the Regulation of Large-Scale Flexible Resources

   1. Frontmatter

   2. Chapter 6. Modelling and Control of Flexible Loads for Frequency Regulation Services Considering Compensation of Communication Latency and Detection Error

      Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

      Dieses Kapitel geht den kritischen Herausforderungen der Kommunikationslatenz und Frequenzerkennung bei der Steuerung flexibler Lasten für Frequenzregulierungsdienste in Energiesystemen nach. Es führt eine neuartige hybride Kontrollmethode (HCM) ein, die die Stärken zentralisierter und verteilter Kontrollmethoden kombiniert, um diese Probleme zu entschärfen. Der Text untersucht die Aggregationsmodelle flexibler Lasten (ON-OFF Flexible Lasten, OFLs) und kontinuierlich einstellbarer flexibler Lasten (CFLs) und unterstreicht die Bedeutung von CFLs in modernen Energiesystemen. Es bietet eine detaillierte Analyse der Kontrollrahmen, Algorithmen und Systemfrequenzreaktionsmodelle sowohl für die zentralisierte Kontrollmethode (CCM) als auch für die verteilte Kontrollmethode (DCM) unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Kommunikationslatenz und Frequenzerkennungsfehlern. Das Kapitel schließt mit Fallstudien, die die Effektivität der vorgeschlagenen HCM bei der Reduzierung der maximalen Frequenzabweichung und der Wiederherstellungszeit zeigen, was sie zu einer vielversprechenden Lösung für zukünftige Smart Grid Demand Response Projekte macht.

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   3. Chapter 7. Adaptive Time-Delay Control of Flexible Loads in Power Systems Facing Accidental Outages

      Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

      Dieses Kapitel befasst sich mit der adaptiven Zeitverzögerungssteuerung flexibler Lasten (FLs) in Energiesystemen bei zufälligen Ausfällen. Es beginnt mit der Einführung eines Kontrollmodells für FLs, das die Kompensation von Kommunikations- und Messverzögerungen berücksichtigt. Das Kapitel untersucht dann die Auswirkungen unbeabsichtigter Stromausfälle auf die Stromnetze und unterstreicht die Notwendigkeit rascher Steuerung und Regulierung, um großflächige Stromausfälle zu verhindern. Die Kommunikations- und Betriebszeitverzögerung werden als entscheidende Faktoren identifiziert, die die Reaktionsgeschwindigkeit der FLs verlangsamen und ihre Regulierungseffekte verringern können. Das Kapitel schlägt eine adaptive Time-Delay Control (ATDC) -Strategie vor, um diese Probleme anzugehen, die darauf abzielt, die Reaktionsgeschwindigkeit zu beschleunigen, die Präzision der Steuerung zu verbessern und Abweichungen von der Systemfrequenz zu verringern. Die Modellierung von Stromversorgungssystemen bei zufälligen Ausfällen wird diskutiert, einschließlich des Transferfunktionsmodells und des rekonstruierten Transferfunktionsmodells. Das Kapitel behandelt auch die Modellierung und Steuerung von FLs, wobei der Schwerpunkt auf thermostatisch gesteuerten Lasten (TCLs) wie Warmwasserbereitern, Wärmepumpen und Klimaanlagen liegt. Es wird eine stochastische Entscheidungskontrollstrategie entwickelt, um eine reibungslose Regulierung großer aggregierter FLs zu erreichen. Die Kommunikationsverzögerung während des Kontrollprozesses wird analysiert, und die ATDC-Methode wird vorgeschlagen, um den tatsächlichen Wert der Frequenzabweichung abzuschätzen und so die Kontrollgenauigkeit der FLs zu verbessern. Es werden numerische Studien vorgelegt, um die Wirksamkeit des ATDC-Schemas zu bestätigen und verschiedene Szenarien von FL-Kapazitäten und Kommunikationszeitverzögerungen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass FLs die dynamischen Leistungen und die Stabilität von Stromversorgungssystemen verbessern können, und das ATDC-Schema kann die durch Zeitverzögerung verursachten Frequenzabweichungsfehler korrigieren. Das Kapitel schließt mit der Diskussion der Bedeutung von FLs in Stromsystemen, die vor unbeabsichtigten Stromausfällen stehen, und dem Potenzial für zukünftige Forschung in diesem Bereich.

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6. Security of Communication Networks for the Regulation of Large-Scale Flexible Resources: A Data Protection Perspective

   1. Frontmatter

   2. Chapter 8. Value-Based Data Governance and Security Protection of Large-Scale Flexible Resources

      Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

      Das Kapitel geht den Herausforderungen und Lösungen für die Verwaltung und Sicherung von Daten aus großen flexiblen Ressourcen (FLs) in Energiesystemen nach. Es führt ein Rahmenwerk ein, das die Datenbewertung in Governance- und Schutzstrategien integriert und darauf abzielt, die operative Effizienz und Datensicherheit zu verbessern. Der Text diskutiert eine mehrdimensionale Methode der Wertbewertung, die Datenqualität, Aktualität, Anwendungsrelevanz und Sicherheit berücksichtigt. Es präsentiert außerdem ein umfassendes Governance-Rahmenwerk, das den Lebenszyklus der Daten strukturiert, einschließlich Messung, Übertragung, Speicherung, Analyse, Nutzung und Zerstörung. Das Kapitel unterstreicht die Bedeutung feinkörniger Datenmanagement und Datenschutzstrategien, wobei Daten auf Grundlage ihres Wertes in verschiedene Ebenen eingeteilt werden. Außerdem wird der Einsatz von Verschlüsselungstechniken wie AES untersucht, um die Datensicherheit zu gewährleisten. Eine Fallstudie veranschaulicht die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Lösung und vergleicht sie mit herkömmlichen Ansätzen des Datenmanagements. Die Ergebnisse zeigen signifikante Verbesserungen bei der Effizienz und Sicherheit der Ressourcennutzung. Das Kapitel schließt mit der Diskussion des Potenzials zur Ausweitung der Bewertungsmethoden und Governance-Strategien auf mehrere Netzszenarien und der Notwendigkeit adaptiver Gewichtungsmechanismen.

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   3. Chapter 9. Conclusion and Future Work

      Hongxun HUI, Liya MA, Yi DING, Yonghua SONG

      Dieses Kapitel vertieft die komplizierte Beziehung zwischen Kommunikationsnetzen und Energiesystemen und betont die Rolle fortschrittlicher IKT bei der Regulierung flexibler Großlasten. Es gliedert sich in drei Hauptteile: Der erste konzentriert sich auf die koordinierte Planung und den Betrieb vernetzter Netze, der zweite untersucht die spezifischen Auswirkungen von Kommunikationsnetzen auf die Regulierung flexibler Lasten und der dritte beleuchtet innovative Ansätze zur Datensicherheit. Zu den wichtigsten Beiträgen gehören Einblicke in vernetzte Strom- und Kommunikationsnetze, koordinierte Planung von Koppelnetzwerken und die Auswirkungen von Kommunikationsnetzen auf Frequenzregulierungsdienste. Das Kapitel befasst sich auch mit den Herausforderungen von Notfallkommunikationsressourcen in widerstandsfähigen Energiesystemen und bietet eine zukunftsorientierte Perspektive auf die zukünftige Arbeit in diesem Bereich.

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