Design, Evaluation, and Optimization of Communication Architectures for Smart Grids

Abstract

Future electrical power grids (smart grids) use information and communication technology to improve power system control beyond what has been possible in the past. The objectives are, among others, to enable efficient use of renewable energy resources, to ensure security of electricity supply and to support future energy market structures. This requires data exchange between various legacy and future applications in the smart grid. To facilitate this, a flexible communication platform is required. A central question of this work is what such a communication platform should look like. Concepts for resilient communication, integration of legacy and future smart grid applications, and secure communication over untrusted infrastructures are designed, evaluated and optimized using simulations, analysis and prototypes. In addition, the communication dynamics of a trading platform for the future retail energy market are analyzed, and smart meters and their communication components (smart meter gateways) are investigated as further important building blocks for the smart grid.

Zukünftige Stromnetze (Smart Grids) erlauben durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik eine bessere Steuerung des Stromnetzes als es in der Vergangenheit möglich war. Teilziele sind eine effiziente Nutzung erneuerbarer Energien zu ermöglichen, die Versorgungssicherheit zu gewährleisten und neue Strommarktstrukturen zu unterstützen. Dazu müssen Daten zwischen verschiedensten existierenden und neuen Anwendungen im Smart Grid ausgetauscht werden. Um dies zu erleichtern, wird eine flexible Kommunikationsplattform benötigt. Wie diese Kommunikationsplattform aussehen soll ist eine zentrale Frage dieser Arbeit. In Simulationen, Analysen und Prototypen werden Konzepte für ausfallsichere Kommunikation, Integration von existierenden und neuen Smart Grid Anwendungen, sowie sichere Kommunikation über nicht vertrauenswürdige Infrastrukturen entworfen, evaluiert und optimiert. Darüber hinaus werden am Beispiel der elektrischen Lastverteilung die Kommunikationsdynamiken einer Handelsplattform für den zukünftigen Strommarkt analysiert. Als weitere notwendige Bausteine für das Smart Grid werden intelligente Stromzähler (Smart Meter) und deren Kommunikationskomponenten (Smart Meter Gateways) untersucht.