Connectivity for smart grids: Novel communications solutions in evolving electrical grids

Thumbnail Image

Files

isbn9789526417271.pdf (3.37 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-03-25
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024

Department

Informaatio- ja tietoliikennetekniikan laitos
Department of Information and Communications Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

89 + app. 123

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 59/2024

Abstract

Increasing electrification and power grid evolution to allow integrating large amounts of renewable generation will be key enablers for creating a sustainable, carbon-neutral energy system. The expected increased demand for electricity will result from efforts to reduce the use of fossil fuels in the industry, heating, and transport sectors. The larger share of intermittent generation from renewable sources, such as wind and solar, as well as the decreasing number of traditional controllable inertia-providing generators will lead to higher system volatility. This volatility challenge is worsened by the lack of seasonal system-level electric energy storage capacity. In distribution grids, the volatility challenge and increased power system dynamics will necessitate expanded automation, which in turn will require enhanced connectivity solutions. This thesis contributes first by taking a forward-looking, system-level view in exploring possible power grid futures and then by identifying approaches for integrating electric power grids with Information and Communications Technologies (ICT) in these futures. The overall research problem of the thesis is defined as follows: How can communications solutions support the creation of sustainable resilient power grids by the 2030s? The research extensively utilises expert panels, formal scenario planning and value networks based on the Finnish power grid context as a case example. The thesis proceeds in three stages. The thesis first establishes multiple scenarios, i.e. possible power grid futures. These describe the potential evolution from the perspective of grid management and the services offered to customers. Thereafter, in the second stage, the thesis explores the role of both the latest as well as anticipated new communication technologies, the feasibility of applying these in future distribution grids, and the potential impact of softwarisation on power grid architectures. The more extensive use of ICT gives rise to new attack points for malicious actors and consequently increases the vulnerability of the electric energy system. The thesis continues by identifying the most significant cybersecurity risks and trends, followed by an examination of how well these risks and trends are currently analysed and understood in academia and industry. In the third stage, the thesis shifts the focus to the business level. The opportunities for various actors are explored by identifying the potential industry (business) architectures for the communications solutions required to manage future distribution grids. The results of this thesis should help stakeholders, such as actors within the energy and ICT sectors as well as regulators and politicians, to consider alternative futures in order to make correct decisions on which businesses to be in, how to invest until the 2030s, as well as how to ensure the reliability and cost efficiency of the electric power system.

Yhteiskunnan eri sektoreiden sähköistyminen ja sähköverkkojen kehittäminen uusiutuvan energiatuotannon tarpeet huomioiden ovat keskeisiä tekijöitä ekologisesti kestävän, hiilineutraalin energiajärjestelmän luomisessa. Ennustettu sähkön kysynnän kasvu johtuu pyrkimyksistä vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä teollisuudessa, lämmityksessä ja liikenteessä. Uusiutuvista energialähteistä, kuten tuuli- ja aurinkovoimasta peräisin olevan vaihtelevan tuotannon suurempi osuus sekä perinteisten ohjattavien, inertiaa tuottavien generaattoreiden määrän väheneminen johtavat järjestelmän suurempaan volatiliteettiin. Tätä volatiliteettihaastetta lisää järjestelmätasolla vallitseva sähköenergian varastointikapasiteetin puute. Jakeluverkoissa volatiliteettihaaste ja lisääntynyt sähköjärjestelmän dynamiikka edellyttävät laajennettua automaatiota, mikä puolestaan edellyttää entistä parempia kommunikaatioratkaisuja. Tämä väitöskirja kartoittaa vaihtoehtoisia skenaarioita tulevaisuuden sähköverkoille ja tunnistaa lähestymistapoja tieto- ja viestintätekniikan (ICT) hyödyntämiselle näissä skenaarioissa. Väitöskirjan tavoitteena on vastata kysymykseen, miten kommunikaatioratkaisut voivat edistää ekologisesti kestävän sähköverkon ja sähköenergiajärjestelmän luomista 2030-luvulle mennessä? Tutkimuksessa hyödynnetään laajasti asiantuntijapaneeleja, skenaariosuunnittelua ja arvoverkkoja. Suomen sähköverkot, erityisesti jakeluverkot, toimivat tutkimuksen viitekehyksenä. Tutkimus etenee kolmessa vaiheessa. Väitöskirjassa luodaan aluksi useita skenaarioita, ts. esitämme useita mahdollisia sähköverkon tulevaisuuksia. Ne kuvaavat mahdollista kehitystä verkonhallinnan ja asiakkaille tarjottavien palvelujen näkökulmasta. Toisessa vaiheessa väitöskirja tarkastelee nykyisten ja kehittymässä olevien kommunikaatioteknologioiden soveltamismahdollisuuksia tulevaisuuden sähkönjakeluverkoissa sekä ohjelmistopohjaisten ratkaisujen mahdollista vaikutusta sähköverkkoarkkitehtuureihin. Tieto- ja viestintätekniikan laajempi käyttö kasvattaa kyberturvallisuusriskiä laajentamalla hyökkäysrajapintaa lisäten siten sähköenergiajärjestelmän haavoittuvuutta. Väitöskirja tunnistaa merkittävimmät kyberturvallisuusriskit ja -trendit, ja analysoi kuinka hyvin näitä riskejä ja trendejä tällä hetkellä ymmärretään. Kolmannessa vaiheessa väitöskirja keskittyy liiketoimintatasoon. Väitöskirja kartoittaa eri toimijoiden mahdollisuuksia tunnistamalla teollisuuden liiketoiminta-arkkitehtuureja tulevaisuuden jakeluverkkojen hallintaan tarvittaville kommunikaatioratkaisuille. Tämän väitöskirjan tulokset tarjoavat energia- ja ICT-alan toimijoille sekä regulaattoreille ja poliitikoille lisätietoja ja näkemyksiä tulevaisuuden vaihtoehtojen järjestelmälliseen arviointiin. Tulokset auttavat toimijoita tekemään mahdollisimman oikeita liiketoiminta- ja investointipäätöksiä sekä varmistamaan sähköjärjestelmän luotettavuus ja kustannustehokkuus.

Description

Supervising professor

Mähönen, Petri, Prof., Aalto University, Department of Information and Communications Engineering, Finland

Thesis advisor

Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Costa Requena, Jose, Dr., Aalto University, Department of Information and Communications Engineering, Finland

Keywords

power grids, distribution grids, smart grids, communications, mobile communications, cloud computing, industry architectures, scenario planning, value networks, Delphi survey, sähköverkot, jakeluverkot, älysähköverkot, tietoliikenne, matkaviestintä, pilvilaskenta, liiketoiminta-arkkitehtuurit, skenaariosuunnittelu, arvoverkot, Delphi-tutkimus

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Seppo Borenius, Heikki Hämmäinen, Matti Lehtonen, Petri Ahokangas. Smart grid evolution and mobile communications - Scenarios on the Finnish power grid. Electric Power Systems Research, vol. 199, October 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202106167376
    DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107367 View at publisher
  • [Publication 2]: Seppo Borenius, Petri Tuomainen, Jyri Tompuri, Jesse Mansikkamäki, Matti Lehtonen, Heikki Hämmäinen, Raimo Kantola. Scenarios on the Impact of Electric Vehicles on Distribution Grids. Energies, vol- 15, no. 13, June 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104609
    DOI: 10.3390/en15134534 View at publisher
  • [Publication 3]: Seppo Borenius, Pekka Kekolahti, Matti Lehtonen, Raimo Kantola, Heli Kokkoniemi-Tarkkanen, Jose Costa-Requena. The Potential of Emerging Communications Technologies in Distribution Grid Management. In CIRED 2023 - The 27th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, Rome, Italy, June 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401171452
    DOI: 10.1049/icp.2023.0477 View at publisher
  • [Publication 4]: Seppo Borenius, Matti Lehtonen, Jose Costa-Requena. Software Defined Grid. In: Grid of The Future Symposium, Atlanta, Georgia, U.S.A., November 2019. CIGRE. https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202002031957. Available: https://e-cigre.org/publication/COLL_ATL_2019-grid-of-the-future-atlanta-2019
  • [Publication 5]: Seppo Borenius, Pavithra Gopalakrishnan, Lina Bertling Tjernberg, Raimo Kantola. Expert-Guided Security Risk Assessment of Evolving Power Grids. Energies, vol. 15, no. 9, April 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202205243383
    DOI: 10.3390/en15093237 View at publisher
  • [Publication 6]: Seppo Borenius, Pekka Kekolahti, Heikki Hämmäinen, Matti Lehtonen, Petri Mähönen. Novel Industry Architectures for Connectivity Solutions in the Smart Distribution Grids. IEEE Access, vol. 11, pp. 68093 – 68112, Jul 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308114753
    DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3291745 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1727-1

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC