Hardware-in-the-Loop (HIL) systemen spelen een cruciale rol in de hedendaagse techniek, doordat ze een efficiënte en kosteneffectieve benadering bieden voor systeemtesten en validatie. Dit gebeurt zonder dat er volledige fysieke prototypes nodig zijn, waardoor zowel de ontwikkeltijd als de kosten aanzienlijk kunnen worden verminderd. Door gebruik te maken van virtuele simulaties in combinatie met echte hardwarecomponenten kunnen ingenieurs de prestaties van systemen gedurende de volledige ontwikkelingscyclus evalueren, van de vroege ontwerpfase tot de uiteindelijke validatie. HIL-systemen stellen ingenieurs ook in staat om uitdagende scenario’s na te bootsen die moeilijk te repliceren zijn in echte testsituaties.

Een ander belangrijk voordeel van HIL-systemen is dat ze helpen bij het waarborgen van de betrouwbaarheid en robuustheid van systemen voordat ze in productie worden genomen. Dit is vooral belangrijk in industriële sectoren zoals de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart, moderne elektriciteitsnetwerken en robotica, waar technologische vooruitgang en innovatie sterk afhankelijk zijn van betrouwbare en goed geteste systemen. HIL-systemen vullen de kloof tussen fysieke hardware en computersimulaties, waardoor ingenieurs de prestaties en het gedrag van complexe systemen onder verschillende bedrijfsomstandigheden kunnen testen.

Er zijn verschillende soorten HIL-technologieën die elk een specifieke functie vervullen. Virtual Hardware-in-the-Loop (V-HIL) maakt gebruik van virtuele simulaties om het gedrag van fysieke systemen na te bootsen, waardoor uitgebreide tests en evaluaties mogelijk zijn. V-HIL is vooral nuttig in de vroege fasen van ontwikkeling of bij het testen van complexe systemen die kostbaar zijn om fysieke prototypes van te bouwen. Deze technologie maakt het mogelijk om de prestaties van controlesystemen te evalueren en de algoritmes te valideren in een gesimuleerde omgeving zonder dat er fysieke prototypes nodig zijn.

Controller Hardware-in-the-Loop (C-HIL) richt zich op het testen van de prestaties van controlesystemen door fysieke controllers te verbinden met een gesimuleerde omgeving. Dit maakt het mogelijk om de effectiviteit van de besturingselementen in verschillende scenario’s te testen. Aan de andere kant maakt Power Hardware-in-the-Loop (P-HIL) het mogelijk om de componenten van een energievoorzieningssysteem te testen door echte stroomhardware te integreren in een simulatieomgeving. Het belangrijkste verschil tussen C-HIL en P-HIL ligt in de mate van interactie met echte hardware: terwijl C-HIL gebruik maakt van gesimuleerde stroomcomponenten, integreert P-HIL echte krachtbronnen, wat zorgt voor een meer realistische testomgeving.

Bij de keuze tussen C-HIL en P-HIL spelen verschillende overwegingen een rol. C-HIL is eenvoudiger in te stellen en biedt meer flexibiliteit, maar P-HIL biedt een hogere mate van realisme en nauwkeurigheid, vooral wanneer het gaat om het testen van de werkelijke prestaties van hardware in een simulatie. Beide technologieën hebben hun plaats in het ontwikkelingsproces, afhankelijk van de specifieke vereisten en het type systeem dat wordt getest.

Naast de standaard HIL-systemen zijn er ook andere testopstellingen, zoals Model-in-the-Loop (MIL) en Software-in-the-Loop (SIL). MIL en SIL benaderingen gebruiken gesimuleerde modellen voor zowel de controle- als de stroomstadia van een systeem. In MIL worden zowel de controller als de krachtlagen samen gemodelleerd, terwijl SIL zich richt op het simuleren van de werkelijke besturingssoftware. HIL-testen die fysieke systemen combineren met virtuele modellen vallen onder de categorie C-HIL of P-HIL, afhankelijk van de specifieke integratie van fysieke hardware.

Hoewel P-HIL-testen vaak nauwkeuriger zijn, brengen ze hogere kosten met zich mee en kunnen ze veiligheidsrisico’s met zich meebrengen door de noodzaak om echte krachtbronnen te integreren. Dit vereist doorgaans aanvullende veiligheidsmaatregelen en een zorgvuldiger beheer van de testomstandigheden.

Microgrids brengen unieke uitdagingen met zich mee die aanzienlijk afwijken van conventionele elektriciteitsnetwerken. Deze netwerken maken gebruik van verschillende energiebronnen, hebben dynamische tijdschalen en kunnen zowel in geïsoleerde als netwerkverbonden configuraties opereren. Bovendien brengt de constructie van microgrids in afgelegen gebieden extra complicaties met zich mee. Het testen van microgrid-besturingssystemen is daarom van cruciaal belang om de risico’s te minimaliseren, de apparatuur te beschermen en de project- of onderzoeksdeadlines te respecteren.

De integratie en onderlinge afstemming van microgrid-controllers en de besturingssystemen van downstream-apparaten vormen technische uitdagingen die tijdens de implementatie van microgrids moeten worden overwonnen. Deze uitdagingen omvatten hoge kosten voor niet-herhalende engineering, zorgen over productbetrouwbaarheid, risico’s van schade aan apparatuur, cyber-fysieke kwetsbaarheden, niet-gedocumenteerd gedrag van besturingssoftware, en een gebrek aan geschikte analysetools. Bovendien is er een gebrek aan gestandaardiseerde methoden om de naleving van industriële normen door microgrid-controllers te evalueren. Het direct implementeren van een controlesysteem zonder voldoende testen brengt aanzienlijke risico’s met zich mee.

Het testen van microgrid-besturingssystemen met behulp van HIL-technologie maakt het mogelijk om deze risico’s effectief te beheren. Dit type testen biedt de mogelijkheid om controllers en andere kritieke componenten van microgrids grondig te evalueren onder gecontroleerde omstandigheden, wat essentieel is voor de stabiliteit en veiligheid van deze complexe netwerken.

De toepassing van modelgebaseerde systeemengineering (MBSE) wordt steeds belangrijker in de moderne ontwikkelingsprocessen, vooral in combinatie met HIL-systemen. MBSE stelt ingenieurs in staat om fysieke systemen te vervangen door virtuele modellen, wat leidt tot uitgebreide simulaties in een veilige en flexibele omgeving. Dit verkort de ontwikkeltijd en verlaagt de kosten gedurende de gehele ontwikkelingscyclus, van de specificatie tot de ingebruikname en het onderhoud van het systeem.

In de context van microgrid-besturingssystemen is het gebruik van HIL-testen in combinatie met MBSE een krachtige methode om de betrouwbaarheid en prestaties van de systemen te waarborgen. Deze benadering biedt een veilige testomgeving waarin microgrid-controllers en hun interactie met andere systemen kunnen worden geanalyseerd voordat ze in de praktijk worden geïmplementeerd.

Hoe kunnen gemengde aanvallen op actuator signalen in DC-microgrids worden gedetecteerd en gemitigeerd?

In dit hoofdstuk wordt een innovatieve benadering gepresenteerd voor het detecteren en mitigeren van gemengde aanvallen op actuator signalen in DC-microgrids. De traditionele benaderingen van cyberaanvallen in microgrids hebben zich vooral gericht op aanvallen op sensoren of communicatielinks, maar er is minder aandacht besteed aan aanvallen die direct de actuator signalen beïnvloeden. Deze studie maakt gebruik van een adaptieve detectie- en mitigatietechniek op basis van LUIFO (Linear Uncertainty-Insensitive Feedback Observer), die kan helpen bij het inschatten van de lineaire combinatie van systeemstatussen of specifieke statussen.

LUIFO is ontworpen om zowel parametrische als niet-parametrische onzekerheden in het systeem te verwerken. Het is bijzonder geschikt voor het schatten van de feedback controle signalen, die een lineaire combinatie van verschillende systeemstatussen zijn. Het geschatte signaal speelt een cruciale rol in het detectieproces. De detectie wordt uitgevoerd met behulp van een dynamische handtekeningfunctie, die het verschil tussen de werkelijke controle-invoer en de controle-invoer die door LUIFO wordt geschat, adresseert. Wanneer een aanval plaatsvindt, beïnvloedt deze de werkelijke waarde, waardoor deze afwijkt van de geschatte waarde. Dit leidt tot een toename van de handtekeningwaarde, die zijn drempelwaarde overschrijdt. Het proces schakelt dan de controller van de aangevallen knooppunt over naar de overeenkomstige LUIFO om valse detecties te voorkomen. Om de kans op valse positieven verder te verminderen, wordt een statusmachine-gebaseerd model gebruikt, waarmee het systeem tussen verschillende toestanden kan schakelen, afhankelijk van de omstandigheden.

In de literatuur zijn gemengde aanvallen meestal niet gedetailleerd in verband gebracht met actuator-aanvallen, wat dit hoofdstuk tot een waardevolle aanvulling maakt. Door het gebruik van LUIFO voor de schatting van actuator signalen kunnen we zowel FDI (False Data Injection) als DoS (Denial of Service) aanvallen op actuator signalen effectief detecteren en mitigeren. De aanpak die hier wordt gepresenteerd, is dus een vooruitgang ten opzichte van eerdere onderzoeken en biedt concrete methoden om de kwetsbaarheid van microgrids tegen cyberaanvallen te verminderen.

Het DC-microgrid wordt gekarakteriseerd door verschillende controlelagen, die allemaal een specifieke functie vervullen binnen het systeem. De primaire controlelaag behandelt de basisvereisten zoals spanningsregulatie en proportionele krachtverdeling tussen de gedistribueerde generatoren (DG's). Deze laag maakt gebruik van PI-regelaars en droop-regeling voor het afstemmen van spanningen en stroomverdeling tussen de verschillende DG-units. De secundaire controlelaag zorgt voor de coördinatie van de communicatie tussen de DG's, wat essentieel is voor het handhaven van de juiste spanning en het verbeteren van de algehele stabiliteit van het microgrid. Deze laag maakt gebruik van grafentheorie om de communicatie tussen de verschillende eenheden te modelleren. De tertiaire controlelaag speelt een centrale rol in het optimaliseren van de prestaties van clusters van DC-microgrids door de werking van verschillende microgrids te coördineren.

Een belangrijk aspect van de werking van een DC-microgrid is de mogelijkheid om snel te reageren op dynamische veranderingen binnen het systeem. Dit wordt mogelijk gemaakt door de integratie van meerdere controlelagen, die samen zorgen voor een gedistribueerd en schaalbaar controlesysteem. In het geval van een cyberaanval, die de actuator signalen beïnvloedt, moet het systeem in staat zijn om snel en efficiënt te detecteren dat er een afwijking is, zonder dat de prestaties van het microgrid worden aangetast. Het gebruik van een dynamische handtekeningfunctie, in combinatie met LUIFO, zorgt ervoor dat zelfs complexe aanvallen, zoals FDI en DoS, effectief kunnen worden gedetecteerd en gecompenseerd.

Verder is het belangrijk te begrijpen dat de robuustheid van het systeem niet alleen afhankelijk is van de detectie van aanvallen, maar ook van de mogelijkheid om na een aanval snel weer naar een veilige staat terug te keren. Dit kan alleen worden bereikt door een robuuste en goed ontworpen controle-architectuur die in staat is om zich aan te passen aan verschillende aanvallen en storingen in het systeem. De balans tussen snelle detectie, effectieve mitigatie en systeemherstel is essentieel voor het waarborgen van de stabiliteit en veiligheid van microgrids.

Waarom is het integreren van regelgeving cruciaal voor het beheer van microgrids?

De ontwikkeling en het beheer van microgrids (MG’s) is een snelgroeiend onderzoeksgebied, waarbij veel aandacht uitgaat naar technische optimalisatie en economische prestaties. Echter, een essentieel aspect dat vaak over het hoofd wordt gezien in veel studies is het inbedden van het geldende regelgevingskader binnen microgrid-modellen. Dit is niet slechts een bijkomstigheid, maar een noodzakelijke voorwaarde voor een realistische en betrouwbare optimalisatie van het beheer en de dimensionering van microgrids.

In veel onderzoeken worden microgrids geëvalueerd zonder rekening te houden met de wettelijke en tarieftechnische beperkingen die daadwerkelijk van toepassing zijn op hun werking. Dit resulteert in resultaten die in de praktijk aanzienlijk kunnen afwijken van de verwachtingen. Door de regels niet te integreren, worden bijvoorbeeld potentiële beperkingen op het terugleveren van energie aan het net, tariefstructuren, en netcongestie niet meegenomen. Dit leidt tot een overschatting van de economische voordelen en een onderschatting van operationele risico’s.

Een casestudy op een basis-microgrid gericht op zelfconsumptie laat zien dat het opnemen van een conceptueel regelgevingskader in het energiebeheermodel niet alleen een nauwkeuriger beeld geeft van de werkelijke prestaties, maar ook invloed heeft op de optimale operationele strategieën. Het resultaat is een energiebeheer dat beter aansluit bij de realiteit van tariefstructuren, netbeperkingen en beleidsdoelen.

Daarbij speelt de vormgeving van elektriciteitstarieven een belangrijke rol. Tarieven die rekening houden met tijdsvariaties, piekbelastingen, en netdiensten zorgen voor een complexer maar ook eerlijker speelveld voor microgrid-prosumers. Dit beïnvloedt direct hun besluitvorming omtrent opslag, energie-uitwisseling en deelname aan peer-to-peer markten. Bovendien zijn dynamische tarieven en regelgevende stimulansen voor bijvoorbeeld CO₂-reductie factoren die in modellen geïntegreerd moeten worden om optimale en duurzame besluitvorming te faciliteren.

Verder is het belangrijk te beseffen dat het regelgevingskader continu in beweging is door technologische innovaties en veranderende beleidsdoelen, zoals de energietransitie en verduurzaming van het net. Dit vraagt om flexibele en adaptieve modellen die deze dynamiek kunnen verwerken en daarmee de levensvatbaarheid van microgrids op lange termijn kunnen waarborgen.

De complexiteit van deze regelgevingskaders, gecombineerd met de noodzaak tot geavanceerde optimalisatietechnieken, impliceert dat multidisciplinaire kennis essentieel is. Alleen door het samenbrengen van technische, economische en juridische expertise kunnen microgrid-oplossingen ontstaan die zowel efficiënt als compliant zijn.

Het belang van het integreren van regelgeving in microgrid-beheer gaat dus verder dan het naleven van voorschriften; het is een voorwaarde voor het ontwikkelen van robuuste, realistische en toekomstbestendige energieoplossingen. Het bewustzijn en de toepassing van deze principes zullen bijdragen aan het versnellen van de energietransitie en het versterken van de lokale energievoorziening.

Hoe werd het handelsakkoord tussen de VS en China getekend terwijl een pandemie zich al verspreidde?
Wat is de juridische positie van protesten tegen diepzeemijnbouw op de hoge zee?
Hoe kunnen we de constructies van 'witte' identiteit ontmantelen in een 'post-raciale' samenleving?