On the identification and analysis of ICT-induced stability risks in cyber-physical energy systems

Abstract

This thesis addresses emerging ICT-based stability risks for cyber-physical energy systems (CPESs) in light of the increasingly complex task of coordinating modern generation and consumption assets in power grids. It does so by identifying cyber-physical services as the main drivers of interdependence first. It then provides a general approach on how to assess such a service's dependence on data in general and its sensitivity towards the high-level ICT error categories "latency", "data loss" and "data corruption" in particular. Based on these results, the service states "normal", "limited", and "failed" are introduced in order to summarise the findings in an abstract and more widely applicable as well as comparable manner. These aggregated service states are required as additional inputs for the main method which determines how disturbances propagate through modern CPESs. This method is first presented with a focus on static stability and is later extended to also incorporate dynamic stability phenomena. The resulting disturbance propagation, combined with the service states and the ENTSO-E state description for power systems, can be used to derive a summarising state trajectory which helps compare different CPES layouts and control designs concerning their stability.

Diese Arbeit befasst sich mit neuartigen, IKT-basierten Stabilitätsrisiken für cyber-physikalische Energiesysteme (CPES) vor dem Hintergrund zunehmend komplexer Koordination neuartiger Verbraucher und Erzeugungsanlagen in modernen Energiesystemen. Dazu werden zunächst IKT-basierte Dienste als Haupttreiber wechselseitiger Abhängigkeiten zwischen der Energie- und IKT-Domäne im CPES identifiziert. Anschließend wird ein Ansatz zur Bewertung der Datenabhängigkeit solcher Dienste im Allgemeinen sowie ihrer Empfindlichkeit gegenüber erhöhter Kommunikationslatenz, Datenverlust und Datenkorruption im Speziellen vorgestellt. Basierend auf diesen Ergebnisse werden drei Betriebszustände für Dienste eingeführt. Diese lauten "normal", "eingeschränkt" und "fehlerhaft" und dienen der Abstraktion und Vergleichbarkeit der IKT-Abhängigkeit verschiedener Dienste. Im Anschluss wird eine Methode vorgestellt, die der Bestimmung der Ausbreitung von Störungen innerhalb des CPES dient. Die Methode wird zunächst mit einem Fokus auf statischer Stabilität erläutert und anschließend so erweitert, dass auch dynamische Stabilitätsphänomene berücksichtigt werden können. Die sich daraus ergebende Ausbreitung von Störungen kann in Verbindung mit den Betriebszuständen und der ENTSO-E-Zustandsbeschreibung für Stromversorgungssysteme zur Ableitung eines zusammenfassenden Zustandsverlaufs verwendet werden. Mit den so ermittelten Zustandsverläufen wird wiederum ein qualitativer Stabilitätsvergleich verschiedener CPES-Layouts und Regelungskonzepte ermöglicht.