Forschungsinfrastruktur
Automationslabor
Eine Herausforderung dieser Smart Grids ist der beschleunigte Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT), die das Energiesystem dynamisch entwickeln und anpassen – deren Interaktion und Abhängigkeiten jedoch in diesem Anwendungskontext noch nie getestet wurden. Hinzu kommt, dass externe Cyberangriffe ein erhebliches Risiko darstellen und ein zentrales Thema sind.
Das Automationslabor bietet groß angelegte Echtzeitsimulationen und Co-Simulationen mit Software- und Hardwarekopplung, um die Auswirkungen von Abhängigkeiten zwischen Systemen zu untersuchen.
Unser Automationslabor schafft realistische Bedingungen/Umgebungen mit industriellen Komponenten und Protokollen, um die Integration neuer Komponenten in das System zu erleichtern, kritische Situationen zu identifizieren und notwendige Anpassungen zu entwickeln.
Die Infrastruktur des Automationslabors umfasst folgende Hauptmerkmale:
- Echtzeit- und Offline-Simulatoren für groß angelegte und komplexe Energiesysteme.
- Co-Simulations-Frameworks, insbesondere mosaik, zur Modellierung von cyber-physischen Energiesystemen.
- Digitalisierte Umspannwerksautomatisierung, erweitert durch virtualisierte Betriebstechnologien.
- Smart-Meter-Gateway-Infrastruktur zur Unterstützung von § 14a.
- Netzkommunikationsmodellierung und -emulation, einschließlich Tests zur Beeinträchtigungsemulation.
- Interoperabilitätstests für digitalisierte Energiesysteme.
- Ganzheitliche Test- und Validierungsansätze.
Simulationswerkzeuge und -umgebungen
- mosaik ist ein flexibles Co-Simulations-Framework für Smart Grids, das die Wiederverwendung und Kombination bestehender Modelle und Simulationswerkzeuge ermöglicht, um groß angelegte Smart-Grid-Szenarien zu erstellen, zu konfigurieren und zu automatisieren. Diese Szenarien können für die beschleunigte, simulationsbasierte Bewertung verschiedener Steuerungsstrategien verwendet werden.
- Der Echtzeitsimulator ermöglicht hochdetaillierte und dynamische Modellierungen von Stromnetzen mit bis zu 30.000 Knoten und unterstützt analoge Ein- und Ausgänge sowie folgende Kommunikationsprotokolle für Hardware- und Software-Schnittstellen: 60870-5-104, IEC 61850 GOOSE und Sample Value, Modbus RTU/TCP, C37.118 für PMUs.
- Netzkommunikationssimulation und Beeinträchtigungsemulation dienen der Modellierung und Untersuchung des Netzverhaltens mit hoher Detailgenauigkeit und Präzision.
- Offline-Simulationswerkzeuge werden einzeln oder als Teil einer mosaik-basierten Co-Simulationsplattform bereitgestellt, darunter PowerFactory, OMNET++, pandapower und MATLAB über Virtualisierungsserver.
- IHE Gazelle für Interoperabilitätstests."
Komponenten für die Umspannwerksautomatisierung
- Industrielle Feldgeräte: Phoenix-Fernsteuerungseinheiten, National Instruments NI CompactRIO, Beckhoff-PLC-Systeme, KoCoS-Automatisierungssysteme
- Spitzenberger APS 1000 Verstärker für Controller-Hardware-in-the-Loop (CHIL)-Tests
- Virtuelle oder softwarebasierte Betriebstechnik (vRTU, vIED, vPMU) für groß angelegte Simulationen
- Industrielle SCADA-Systeme von PSI und KISTERS
- Smart-Meter-Gateways und Steuerungsboxen
- Industrielle Raspberry Pi-Geräte für leichte Experimente
AMORA-Interoperabilitätstests
Der Übergang zu digitalisierten Energiesystemen hat die Konvergenz von IT und OT beschleunigt, was sowohl Chancen als auch Herausforderungen mit sich bringt. Diese Integration, die traditionell getrennte Systeme in einer einheitlichen Betriebsumgebung zusammenführt, erfordert die Entwicklung nahtloser Integrationslösungen und verbesserter Sicherheitsmechanismen. Die Fortschritte in der IT/OT-Konvergenz unterstreichen die dringende Notwendigkeit für interoperable, zuverlässige und sichere Systeme in digitalisierten Energiesystemen.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde die AMORA-Interoperabilitätstestplattform im Rahmen des IDUNN-Projekts im Jahr 2024 entwickelt. AMORA basiert auf der Open-Source-Plattform IHE Gazelle aus dem Gesundheitsbereich, die speziell an die Anforderungen des Energiesektors angepasst wurde. Die Plattform dient als Werkzeug vor der Implementierung und bietet eine robuste Testumgebung für die Interoperabilität, um Systemschnittstellen zu validieren und die Einhaltung etablierter Profile sicherzustellen.
AMORA kann die grundlegende Funktionalität des vorgesehenen Systemverhaltens validieren und gleichzeitig Fehlerszenarien simulieren, um unbeabsichtigte Verhaltensweisen zu analysieren. Dieser duale Ansatz erleichtert die Identifikation potenzieller Schwachstellen und die Entwicklung geeigneter Gegenmaßnahmen. Damit wird die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Robustheit digitalisierter Energiesysteme erheblich verbessert.
Die Hauptmerkmale von AMORA umfassen:
- Baseline-Tests und Härtung: Ermöglicht Interoperabilitätstests zur Validierung von grundlegenden Anwendungsfällen und Fehlerszenarien.
- Unterstützung für implementierte Umgebungen: Kann in bereits implementierten Systemen betrieben werden, um die kontinuierliche Interoperabilität und Sicherheit sicherzustellen.
- Erkennung ungewöhnlicher Probleme: Identifiziert seltene Probleme, die von Standard-Testwerkzeugen möglicherweise übersehen werden.
- Individuelle Gegenmaßnahmen: Bietet maßgeschneiderte Abhilfemaßnahmen, einschließlich Integration mit Frameworks wie MITRE und Indicators of Compromise (IOC).
- API: Bietet erweiterte API-Funktionen für größere betriebliche Flexibilität und Integration.
- Automatisierte Informationsgewinnung: Verfügt über API-Funktionen zur nahtlosen Extraktion und Analyse von Systeminformationen.
- Containerisierung für Flexibilität: Ermöglicht eine einfache Bereitstellung in verschiedenen Anwendungsfällen und Domänen durch containerisierte Lösungen.
- Domänenübergreifende Anpassungsfähigkeit: Unterstützt die Integration in zusätzliche Anwendungsfälle und Domänen und gewährleistet eine breite Anwendbarkeit.
AMORA bietet eine wesentliche Grundlage für praktisches Wissen und Werkzeuge zur Interoperabilitätstests. Es richtet sich an Studierende, Forschende, Praktiker und interessierte Nutzer und ebnet den Weg für interoperablere, zuverlässigere und sicherere hochautomatisierte und digitalisierte Energiesysteme.
Wichtige Projekte
IDUNN
Unsere Forschungsgruppe entwickelte die AMORA-Interoperabilitätstestplattform im Rahmen des IDUNN-Projekts. AMORA basiert auf dem IHE-Gazelle-Framework und dient als Werkzeug vor der Implementierung für Forschung und Industrie. Es ermöglicht Interoperabilitätstests und Validierungen in Energiesystemen. Die Plattform validiert grundlegende Funktionen mit erweiterten API- und Schematron-Funktionen und integriert Merkmale wie Software Bill of Materials (SBOM), Kommunikationsprotokolle, Sicherheitsbewertungen und Indicators of Compromise (IOC).
Transnationaler Zugang
Die OFFIS Energy Labs bieten transnationalen Zugang in Bildung und Forschung, unterstützt durch Projektförderungen wie die Projekte ERIGrid 2 und RISEnergy. Unsere Forschungsgruppe fördert aktiv den transnationalen Zugang zu unserer Forschungsinfrastruktur für Studierende, Forschende und Praktiker, um ihre Forschungen in den Bereichen intelligenter Energiesysteme voranzutreiben.
Wir sind spezialisiert auf IKT-basierte Lösungen mit einem Schwerpunkt auf Echtzeit-Kommunikationssystemen, Co-Simulation, Hardware-in-the-Loop-Tests, virtualisierte Dienste und Interoperabilitätstests.
Weitere Informationen zum transnationalen Zugang zu unserem Labor durch das RISEnergy-Projekt finden Sie unter: https://risenergy-project.eu/ta-access/
Kontakt
Personen 
S
O
K
Dr.-Ing. Jirapa Kamsamrong
E-Mail: jirapa.kamsamrong(at)offis.de, Telefon: +49 441 9722-233, Raum: E85
A
Sharaf Aldin Alsharif
E-Mail: sharaf.aldin.alsharif(at)offis.de, Telefon: +49 441 9722-748, Raum: Flx-E
Projekte
G
GIZ WB
Green Agenda - Decarbonization of the Electricity Sector in the Western Balkans
Laufzeit: 2024 - 2025I
Publikationen
2025
Load-shifting for cost, carbon, and grid benefits: A model-driven adaptive survey with German and Swiss households
Matteo Barsanti and Jan Sören Schwarz and Faten Ghali and Selin Yilmaz and Sebastian Lehnhoff and Claudia R. Binder; Energy Research & Social Science; 01 / 2025
Towards an Ontology for Co-Simulation Scenarios of Energy Systems
Schwarz, J. S., Steinert, A., Fuentes Grau, L., Pan, Z., Schmurr, P., Liu, N., Seiwerth, C., Qussous, R., German, R., Hagenmeyer, V., Lehnhoff, S., Monti, A., Nieße, A., & Weidlich, A.; 2. NFDI4Energy Conference; 03 / 2025
2024
How can Aggregators Improve the TSO-DSO-Customer Coordination in Digitalised Power Systems?
Otte, Marcel and Kamsamrong, Jirapa and Lehnhoff, Sebastian; ISGAN 2024; July / 2024
A Toolbox for Design of Experiments for Energy Systems in Co-Simulation and Hardware Tests
Schwarz, Jan Sören and Perez, Leonard Enrique Ramos and Pham, Minh Cong and Heussen, Kai and Tran, Quoc Tuan; 2024 Open Source Modelling and Simulation of Energy Systems (OSMSES); 09 / 2024
Challenges in Transitioning from Co-simulation to Practical Application: A Case Study on Economic Emission Dispatch in a Greenhouse Compartment
Clausen, Christian Skafte Beck and Lehnhoff, Sebastian and Schwarz, Jan Sören and Jørgensen, Bo Nørregaard and Ma, Zheng Grace; Energy Informatics; 2024
Enhancing Smart Grid Resilience: An Educational Approach to Smart Grid Cybersecurity Skill Gap Mitigation
Pirta-Dreimane, Rūta, Andrejs Romanovs, Jana Bikovska, Jānis Pekša, Tero Vartiainen, Maria Valliou, Jirapa Kamsamrong, and Bahaa Eltahawy; Energies; April / 2024
Hardware-in-The-Loop-Based Validation of Distribution System Control Applications with Grid Operators, Customer and Market Participants
Otte, Marcel and Krüger, Carsten and Das, Pratyush and Rohjans, Sebastian and Lehnhoff, Sebastian; Energy Informatics Academy Conference; October / 2024
Poster Abstract: Coordinating the Heterogeneity of Aggregators in Digitalised Power Systems
Otte, Marcel; DACH+ Conference on Energy Informatics 2024; October / 2024
Poster Abstract: Hardware-in-the-Loop Simulation Environment for Validating Distribution System Control Applications
Otte, Marcel and Krüger, Carsten and Das, Pratyush and Rohjans, Sebastian and Lehnhoff, Sebastian; DACH+ Conference on Energy Informatics 2024; October / 2024
Scaling Analysis in a Multi-Energy System
Schwarz, Jan Soeren and Pham, Minh Cong and Tran, Quoc Tuan and Heussen, Kai; 2023 Asia Meeting on Environment and Electrical Engineering (EEE-AM); 01 / 2024
