Motivation

Die bisherigen Systemdienstleistungen (SDL) für einen sicheren Betrieb der Stromnetze wurden seit Jahrzehnten vorwiegend von den Synchrongeneratoren der konventionellen Großkraftwerke bereitgestellt. Die Systemdienstleistungen umfassen die Frequenzhaltung, Spannungshaltung, Betriebsführung und den Versorgungswiederaufbau. Zukünftig müssen diese Systemdienstleistungen durch eine Vielzahl dezentraler Erzeuger auf Basis erneuerbarer Energien und Lasten in den Verteilungsnetzen im Sinne einer sektorenübergreifenden Energiewende erbracht werden. Hierdurch steigen die Anforderungen an die Netzbetriebsführung und das spannungsebenenübergreifende Management von Systemdienstleistungen. Dies führt ebenfalls zu steigenden Anforderungen an den Umfang und die Resilienz der digitalen Transformation des Energiesystems sowie zu neuen Anforderungen an die wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen des zukünftigen elektrischen Energieversorgungssystems.

 

Abbildung 1: Zukünftige Herausforderungen bei der Bereitstellung von Systemdienstleistungen. © elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme der TU Braunschweig

Ziele des Projektes

Das EFZN-Leitprojekt „SiNED – Systemdienstleistungen für sichere Stromnetze in Zeiten fortschreitender Energiewende und digitaler Transformation“ hat zum Ziel, die bisherigen Systemdienstleistungen für zukünftige Stromnetze weiterzuentwickeln und an die durch die Digitalisierung und fortgeschrittene Energiewende veränderten Anforderungen und Möglichkeiten anzupassen.

Es werden Lösungen für den sicheren Betrieb der zukünftigen Stromnetze – unter Berücksichtigung der besonderen Situation in Niedersachsen – entwickelt und untersucht. Gerade für die windstarken Regionen Niedersachsens ist es von besonderer Bedeutung, verbesserte Lösungen für Systemdienstleistungen zur Bewältigung fluktuierender Einspeisung und für das Engpassmanagement durch Stromspeicherung und zuschaltbare Lasten zu finden.

 

Abbildung 2: Übergeordnetes Projektziel und Teilziele. © EFZN

 

Zur Beantwortung der zentralen gemeinsamen Forschungsfrage von SiNED werden zusammenfassend folgende Leifragen für das Verbundprojekt definiert:

1. Wie kann zukünftig der veränderte Bedarf an Systemdienstleitungen, die zunehmend durch EE-Anlagen erbracht werden müssen, bis 2050 gedeckt werden?

2. Wie kann der Bedarf an Systemdienstleistungen durch die Flexibilitätsbereitstellung dezentraler Netznutzer gedeckt werden und wie kann diese Herausforderung von umrichterdominierten Verteilungsnetzen gelöst werden?

3. Wie kann die Flexibilität für die Bereitstellung von Systemdienstleistungen in Verteilnetzen unter Berücksichtigung der Resilienz informationstechnisch erschlossen werden?

4. Welche wirtschaftlichen Optimierungspotentiale sind bei der Bereitstellung von Systemdienstleistungen möglich, welche (datenschutz-)rechtlichen Restriktionen sind zu beachten und welche Anpassungen des Ordnungsrahmens sind erforderlich?

Aufbau des Projektes

Das Verbundvorhaben gliedert sich in insgesamt neun integrierte, verzahnte Teilprojekte (TP), die in drei Kompetenzbereiche gegliedert sind.

 

Abbildung 3: Aufbau des Projektes. © EFZN

Aktuelles

Gemeinsamer Workshop mit ZDIN/ZLE

(Februar 2021) – Mehr erfahren >

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Daten zum Projekt

Sprecher

Professor Dr.-Ing. Bernd Engel

TU Braunschweig, elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme

Projektkoordinator

Dr.-Ing. Jonas Wussow

TU Braunschweig, elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme

Telefon: 0531 391 7707

E-Mail: j.wussowtu-braunschweigde

 

Projektpartner

TU Braunschweig – elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme

Professor Dr.-Ing. Bernd Engel und

Professor Dr.-Ing. Michael Kurrat

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – Institut für Vernetzte Energiesysteme Oldenburg

Professor Dr. Carsten Agert

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OFFIS e.V. – Institut für Informatik Oldenburg

Professor Dr. Sebastian Lehnhoff

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Carl von Ossietzky Universität Oldenburg – Department für Informatik, Abteilung für Digitalisierte Energiesysteme 

Professorin Dr.-Ing. Astrid Nieße

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Leibniz Universität Hannover – Institut für Elektrische Energiesysteme, Fachgebiet Elektrische Energieversorgung

Professor Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann

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Leibniz Universität Hannover – Institut für Wirtschaftsinformatik

Professor Dr. Michael H. Breitner

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TU Clausthal – Institut für deutsches und internationales Berg- und Energierecht

Professor Dr. jur. Hartmut Weyer

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Laufzeit

01.11.2019 - 31.10.2022

+ Option zur Verlängerung um 2 Jahre

Fördernde Stelle

Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur – Zusätzliche Förderung von Wissenschaft und Technik in Forschung und Lehre aus Mitteln des Niedersächsischen Vorab

Kompetenzbereich „Elektrische Energietechnik“

TP 1.1: Gesamtstabilisierung durch koordinierte Systemdienstleistungen-Bereitstellung in der Verteilnetzebene

Verantwortlicher Mitarbeiter: Neelotpal Majumdar, Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische Energiesysteme, Fachgebiet für Elektrische Energieversorgung - Mehr erfahren >

TP 1.2: Regelungstechniken für neuartige Flexibilitätsoptionen und Systemdienstleistungen

Verantwortliche Mitarbeiterin: Vanessa Beutel, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt - Institut für Vernetzte Energiesysteme Oldenburg (DLR-VE) - Mehr erfahren >

TP 1.3: Systemdienstleistungen des netzdienlichen Prosumers

Verantwortlicher Mitarbeiter: Carsten Wegkamp, TU Braunschweig, elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme - Mehr erfahren >

TP 1.4: Methoden für die Konfiguration und Koordination von Schutzsystemen in Netzen

Verantwortlicher Mitarbeiter: Marc René Lotz, TU Braunschweig, elenia Institut für Hochspannungstechnik und Energiesysteme / Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften - Mehr erfahren >

Kompetenzbereich „Digitale Transformation / Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT)“

TP 2.1: IT-Plattformen/-Services zur Bereitstellung dezentraler Systemdienstleistungen

Verantwortlicher Mitarbeiter: Payam Teimourzadeh Baboli, OFFIS e.V. - Institut für Informatik Oldenburg - Mehr erfahren >

TP 2.2: Daten-/Transaktions-/Service-Konzepte dezentraler Systemdienstleistungen

Verantwortlicher Mitarbeiter: Paul Hendrik Tiemann, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg - Department für Informatik, Abteilung für Digitalisierte Energiesysteme - Mehr erfahren >

TP 2.3: Prognosen, Angriffsmöglichkeiten auf IKT-Infrastrukturen

Verantwortliche Mitarbeiterin: Jana Gerlach, Leibniz Universität Hannover, Institut für Wirtschaftsinformatik - Mehr erfahren >

Kompetenzbereich „Wirtschaftliche und energierechtliche Fragen“

TP 3.1: Wirtschaftlich-/Finanzierbarkeit, Akzeptanz, Geschäftsmodell

Verantwortliche Mitarbeiterin: Jana Gerlach, Leibniz Universität Hannover, Institut für Wirtschaftsinformatik - Mehr erfahren >

TP 3.2: Rechtliche Rahmenbedingungen für Systemdienstleistungen, EU-DSGVO

Verantwortlicher Mitarbeiter: Sebastian Buchholz, TU Clausthal, Institut für deutsches und internationales Berg- und Energierecht - Mehr erfahren >

Veröffentlichungen

  • Wussow, J., Babazadeh, D., Beutel, V., Buchholz, S., Geissendörfer, S., Gerlach, J., Majumdar, N., Maydell, K., Narayan, A., Hoffmann, M., Kahl, L. (Paper), Leveringhaus, T., Lotz, M., Scheunert, A., Teimourzadeh Baboli, P., Tiemann, P., Huxoll, N., Wegkamp, C. (Vortrag), Werth, O., Agert, C., Breitner, M., Engel, B., Hofmann, L., Könemund, M., Kurrat, M., Lehnhoff, S., Nieße, A., Weyer, H. (2021): SiNED-Ancillary Services for Reliable Power Grids in Times of Progressive German Energiewende and Digital Transformation, ETG Kongress, digital, 18.-19. Mai 2021.

Within SiNED research project, several members of the Energy Research Centre of Lower Saxony (Energieforschungszentrum Niedersachsen, EFZN) are working on various issues relating to the future provision of ancillary services and to future congestion management. The questions include energy technology, economic and energy law aspects as well as information and communications technology (ICT) and data. The investigations are based on Lower Saxony and the framework conditions there. The temporal focus of the investigations is the year 2030.

  • Buchholz, S.; Tiemann, P.; Wolgast, T.; Scheunert, A.; Gerlach, J.; Majumdar, N.; Breitner, M.; Hofmann, L.; Nieße, A.; Weyer, H. (2021): A Sketch of Unwanted Gaming Strategies in Flexibility Provision for the Energy System in Energy Informatics and Electro Mobility ICT. Unter Mitarbeit von Michael H. Breitner, Sebastian Lehnhoff, Astrid Nieße, Philipp Staudt, Christof Weinhardt, Oliver Werth. 16th International Conference on Wirtschaftsinformatik, Pre-Conference Community Workshop. Duisburg-Essen, March 8, 2021. Online verfügbar unter: https://oops.uni-oldenburg.de/5084/1/proceedings_ow_sto_2021.pdf

Market-based procurement of system services is underway. Flexibility markets, however, are subject to a gaming risk. Different market participants can deteriorate the grid condition by their market behavior or physical actions, to generate flexibility demands and therefore potential profits, resulting in unreliable and unstable grid operation or economic inefficiencies. Such strategies are referred to as gaming. We investigate three gaming strategies regarding congestion management, reactive power management and balancing power provision. Further, we evaluate these strategies, and discuss solution techniques.

  • Tiemann, P.; Nieße, A. (2021): Assumptions on a Distributed and Hierarchical Market Concept for Balancing Reserve Aggregation in Energy Informatics and Electro Mobility ICT. Unter Mitarbeit von Michael H. Breitner, Sebastian Lehnhoff, Astrid Nieße, Philipp Staudt, Christof Weinhardt, Oliver Werth. 16th International Conference on Wirtschaftsinformatik, Pre-Conference Community Workshop. Duisburg-Essen, March 8, 2021. Online verfügbar unter: https://oops.uni-oldenburg.de/5084/1/proceedings_ow_sto_2021.pdf

While transmission systems have to be decoupleable in case of failures, up to now, there is no comparable procedure for controlled islanding of distribution grids. In this work, a concept for a balancing reserve market design is introduced, which would enable distribution grid operators to contract flexibility in order to operate their grids independently. Assumptions are presented on which such a market could be based and elements of it are presented. Furthermore, research gaps in order to develop such market are illustrated.

  • Gerlach, J.; Breitner, M. (2021): Smart Energy Systems: A Multidimensional Literature Review and Future Research Agenda in Energy Informatics and Electro Mobility ICT. Unter Mitarbeit von Michael H. Breitner, Sebastian Lehnhoff, Astrid Nieße, Philipp Staudt, Christof Weinhardt, Oliver Werth. 16th International Conference on Wirtschaftsinformatik, Pre-Conference Community Workshop. Duisburg-Essen, March 8, 2021. Online verfügbar unter: http://oops.uni-oldenburg.de/5084/1/proceedings_ow_sto_2021.pdf

Digital transformation, decentralization, and decarbonization of the energy sector are significant challenges for the next decades. Renewable energies and smart energy systems enabled by advanced information and communication technologies influence and transform, e.g., business models, customer behavior, governmental regulations, and technological innovations. However, there is still limited multidimensional research of future avenues for smart energy systems' digital transformation process. We conducted a systematic literature review facilitated by the PESTEL framework and a hierarchical clustering analysis to address this research need. We created a heat map to visualize research intensities in different areas, identified six critical topics in smart energy system research, and derived a future research agenda.

  • Scheunert, A.; Gerlach, J.; Weyer, H.; Breitner, M. (2021): Datenschutz und Privatsphäre in smarten Stromnetzen: eine interdisziplinäre Analyse und Trends in Energy Informatics and Electro Mobility ICT. Unter Mitarbeit von Michael H. Breitner, Sebastian Lehnhoff, Astrid Nieße, Philipp Staudt, Christof Weinhardt, Oliver Werth. 16th International Conference on Wirtschaftsinformatik, Pre-Conference Community Workshop. Duisburg-Essen, March 8, 2021. Online verfügbar unter: http://oops.uni-oldenburg.de/5084/1/proceedings_ow_sto_2021.pdf

Stark zunehmende Informationsflüsse in zukünftigen Stromnetzen stellen eine Herausforderung für Datenschutz und Privatsphäre dar. Wie diesen Herausforderungen begegnet werden kann, wurde mittels Interviews und einer umfangreichen Literaturanalyse ermittelt, wobei einerseits daraus resultierende Akzeptanzprobleme und andererseits die Ausgestaltung der rechtlichen Rahmenbedingungen fokussiert wurde. Zur Bewältigung dieser kritischen Herausforderungen dient die proaktive, allgemeinverständliche Aufklärung und Information von Betroffenen, aber auch der rechtliche Rahmen muss stetig weiterentwickelt werden.

Microgrids integrate distributed energy resources into an energy network reliably and efficiently. However, research of real-world examples at the international level is limited. We conduct a morphological analysis for microgrid design options to examine the status quo of academic literature. We identify 18 dimensions with 60 characteristics divided into the five layers governance, business, intelligence, communication, and physical. Subsequently, we classify 30 real-world microgrids with diverse types and locations using our morphological box. Our analysis reveals future research requirements regarding social aspects, business models, critical success factors, and maturity levels. We provide a framework supporting decision-makers to identify microgrid design options and promote socially, economically, and environmentally sustainable, resilient, and decentralized energy supply.

  • Lotz, M.; Majumdar, N.; Beutel, V.; Gerlach, J.; Wegkamp, C.; Hoffmann, M.; Kahl, L.; Wussow, J.; Schlachter, H.; Agert, C.; Breitner, M.; Engel, B.; Geißendörfer, S.; Hofmann, L; Könemund, M.; Kurrat, M.; Leveringhaus, T.; Maydell, K. (2021): Potentials and Technical Requirements for the Provision of Ancillary Services in Future Power Systems with Distributed Energy Resources. NEIS 2021 - Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, digital, 13.-14. September 2021.

A decentralized supply of electrical power based on renewable energies paves the way to a sustainable power supply without nuclear energy and without the emission of greenhouse gases. This energy transition (Energiewende) entails challenges regarding the provision of Ancillary Services (AS), associated with intermittent in-feed of Distributed Energy Resources (DER) into the distribution grids. In this paper, the demand, potentials, and technical requirements for AS provision in Germany, especially in the state of Lower Saxony, are discussed. These aspects are considered from multiple perspectives across all voltage levels. Beginning with a steady-state analysis that focuses on the transmission grid, an expected increment in voltage violations and line congestions is revealed. Counteracting the resulting technical limit violations requires consideration of distribution grid flexibilities among others. To address this emerging demand, the potentials for the provision of AS by components in the distribution grids are identified. However, technical concepts are also required to exploit the potential, as DER in-feed has significant impact on the functionality of conventional protection systems. The analysis in this paper indicates the need for development of concepts to provide AS in the distribution grid and detailed technical requirements within a holistic simulative approach.

  • Tiemann, P. (2021): Balancing grid islands with distributed energy resources. In: Abstracts of the 10th DACH+ Conference on Energy Informatics. Energy Inform 4, 26.

  • Majumdar, N., Sarstedt, M., Leveringhaus, T., & Hofmann, L. (2021): Linearized Optimization for Reactive Power Dispatch at Transmission Grid Level considering Discrete Transformer Tap-Settings. In: 13th IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference 2021 (APPEEC) (S. 1-6).

Research indicates that an efficient operation of power systems, requires the use of optimization techniques for minimizing objectives such as grid losses, dispatch costs, reducing potential technical constraint violations etc. These are referred to as optimal power flow (OPF) techniques. Over the years different optimization techniques have been developed based on analytical methods, heuristics and stochastic based approaches. Analytical methods include for example linear and quadratic optimization approaches. Metaheuristic methods like Particle Swarm optimization (PSO) and Genetic Algorithms (GA) have also been developed and researched upon. In this paper, a successive mixed integer linear optimization programming (sMILP) based method in the context of optimal reactive power flow (ORPF) is developed considering continuous reactive power flexibilities and discrete transformer tap-sets. The novel formulation of the transformer tap sensitivities indicate its efficiency of using discrete tap-settings and ease of implementation in the context of Linear Programming. This method is further compared to an already established PSO-based method subject to similar initial grid conditions and three different voltage constraint violation case studies. Results indicate the reliability and efficiency of the method.

  • Majumdar, N., Sarstedt, M. Hofmann, L. (2021): A Fast and Accurate determination of the Feasible Operating Region for Aggregation of Distribution Grid Potentials using Linearized Optimization. In: Dresdener Kreis 2021.

Increased renewable penetration over the years result in the decommissioning of thermal power plants, that reliably contribute to ancillary service provision. In order to alleviate this deficiency, an increasing number of Distributed Energy Resources (DERs) are required to provide ancillary system services. The major share of the DERs are being installed at the Distribution Grid level. Therefore, Medium and Low voltage grid level that previously passively consumed electricity are transitioning towards a more active role. Active Distribution Grid support services to support the transmission level operation include frequency control, voltage control, congestion management among others. In order to evaluate the Distribution Grid potentials for ancillary service provision, an aggregation of potentials can serve as a bridge between the Transmission System Operators (TSO) and Distribution System Operators (DSO). Therefore, the Feasible Operating Region (FOR) is an aggregation of the Distribution Grid active and reactive power flexibility (P- Q flexibility) potentials. The FOR can be used by the network operators during planning of system support services. Over the years, different approaches for evaluating the FOR have been determined considering mathematical optimization, stochastics and metaheuristic programming approaches. In this paper, strategies for a fast and accurate determination of the FOR using a Linearized Optimization are discussed. Results reveal the efficiency of the methods to counteract the over/under-estimation of the objective with linearized sensitivities.

  • Lotz, M. R., Kurrat, M. (2021): Evaluation of Temporary Overvoltages Considering Current Standards and Regulations with Extensive Renewables Integration. ETG Congress 2021, S. 1-6.

The extensive integration of Distributed Energy Resources (DERs) and electromobility requires a review of the protection systems in Low Voltage (LV) networks and customer installations. This paper provides an evaluation of Temporary Overvoltages (TOVs) in LV AC grids regarding current standards and regulations, when there is such an extensive integration. This could lead to asymmetric load configurations, causing TOVs when a Loss of Neutral (LoN) occurs. The results show that current regulations, mainly the Niederspannungsanschlussverordnung, permit the operation of highly asymmetric load configurations.Within the permitted range, the expected TOVs are lesser than explicit test and withstand voltages of facilities and devices, so that no further consideration is planned.