Digital twin vergroot weerbaarheid en veerkracht van elektriciteitsnet

Het elektriciteitsnetwerk in Nederland is in toenemende mate gedigitaliseerd. Dit biedt belangrijke voordelen, maar brengt ook cyberdreigingen en -risico’s met zich mee. Tegelijkertijd maakt Nederland een snelle energietransitie door. De TU Delft maakt in de Control Room of the Future (CRoF) met behulp van een digital twin het elektriciteitsnet digitaal weerbaar. Ook moet de controlekamer de energietransitie in goede banen leiden. De TU Delft streeft in de proeftuin naar een elektriciteitsnet dat intelligent, veerkrachtig en cyberveilig is.

Nederland maakt een snelle transitie naar duurzame energie door. Dit brengt uitdagingen met zich mee. Zo kan het elektriciteitsnet in problemen raken. Netbeheerders waarschuwen al langer voor capaciteitsproblemen op het net in diverse regio’s. Wat gebeurt er bijvoorbeeld indien een nieuw windmolenpark voor de kust van Zandvoort wordt aangesloten? En hoe houden we het elektriciteitsnet stabiel indien miljoenen zonnepanelen zijn geïnstalleerd op Nederlandse woningen? En hoe kan het Nederlandse elektriciteitsnet iedereen in de toekomst de mogelijkheid bieden tot het opladen van zijn elektrische auto.

Digital twin

Een digital twin moet uitkomst bieden. Een digital twin is een digitale representatie van een fysieke entiteit, in dit geval het elektriciteitsnetwerk. Het model maakt het testen van allerlei scenario’s mogelijk.

Alex Stefanov, wetenschappelijk kartrekker en brein achter de Control Room of the Future: “In onze controlekamer worden nieuwe operationele technologieën getest, variërend van bijvoorbeeld innovatieve energiebeheersystemen die aan de universiteit zelf zijn ontwikkeld tot hard- en softwareoplossingen die bij industriële partners zijn ontwikkeld. Aangezien we het elektriciteitsnet real time kunnen simuleren, kunnen we prototypes op het net aansluiten en zien hoe ze onder reële omstandigheden presteren. Op die manier komen we erachter hoe we de daadwerkelijke opwekking en het daadwerkelijke verbruik in balans kunnen brengen.”

Rol weggelegd voor AI en machine learning

Kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning spelen een belangrijke rol bij het vormgeven van het elektriciteitsnet van de toekomst. AI functioneert hierbij als een soort automatische piloot. Stefanov: “Naarmate de werking van het elektriciteitsnet complexer wordt, heb je meer automatisering en intelligentie nodig. In het geval van ons elektriciteitsnet kun je AI zien als een soort van automatische piloot. Tegenwoordig raken piloten alleen de besturing aan tijdens het opstijgen en landen, of wanneer er iets onverwachts gebeurt. Tijdens voorspelbare delen van de vlucht gaat alles eigenlijk vanzelf. Op dit moment is de werking van het energiesysteem nog steeds een zuiver manueel proces. Daarom willen wij AI ontwikkelen die systeemoperators kan ondersteunen op de manier zoals een automatische piloot dat doet, zodat operators als supervisors zullen optreden.”

Voor de toekomst Stefanov voorziet een controlekamer waarbij de operators niet langer naar schermen kijken, maar VR-brillen dragen.

Vatbaarder voor cyberaanvallen

Naast de energietransitie leidt ook de toenemende digitalisering van het elektriciteitsnet tot zorgen. Zo maakt de digitalisering het net vatbaarder voor cyberaanvallen. Cybersecurity is dan ook een steeds belangrijker onderwerp.

“De afgelopen jaren zijn we overgestapt van analoge communicatie naar nieuwe informatie- en communicatietechnologieën. Zelfs in onderstations is de bekabeling in de meeste gevallen vervangen door digitale communicatie”, zegt Stefanov. “Als slechts een paar transmissielijnen kwaadwillig worden gesaboteerd, zullen andere lijnen de elektriciteitsstroom oppikken, overbelast raken en onder bepaalde stressomstandigheden automatisch worden losgekoppeld. Dergelijke cyberaanvallen kunnen storingen veroorzaken die vervolgens uitmonden in een kettingreactie die heel Europa treft, aangezien alle elektriciteitsnetten onderling verbonden zijn.”

Eerdere incidenten tonen kwetsbaarheid

Dat cyberaanvallen op elektriciteitsnetten al realiteit zijn tonen diverse incidenten aan. Denk daarbij aan een cyberaanval op 17 december 2016 op Ukrenergo. Twintig procent van de capaciteit van de Oekraïense energiemaatschappij viel weg na een gerichte aanval op een verdeelstation ten noorden van de Oekraïense hoofdstad. De aanval is uitgevoerd met malware dat stroomonderbrekers kan lokaliseren en afschakelen. Dit had een omvangrijke stroomstoring tot gevolg, die meer dan een uur duurde.

Denk echter ook aan aanvallen op het Indiase elektriciteitsnet. Sinds december zijn naar verluid meerdere aanvallen uitgevoerd op net in Ladakh, een regio in het noorden van India. India kondigde in maart nog de oprichting van een speciaal team aan dat het Indiase energienetwerk moet beschermen.

Ook andere verstoringen onderzocht

De TU Delft richt zich in de proeftuin niet alleen naar de impact van cyberaanvallen op het elektriciteitsnetwerk. Ook kijken de onderzoekers naar andere verstoringen, variërend van gebroken transportleidingen tot kortsluitingen.

Stefanov is technisch directeur van de controlekamer. Hij ontwikkelde de onderzoeksfaciliteit zelf. “Dat we het hele ecosysteem van de opwekking van de elektriciteit, het transport, de verdeling en het gebruik kunnen nabootsen, is uniek”, zegt de technisch directeur. “Onze controlekamer is een innovatiecentrum waar de industrie en de academische wereld elkaar kunnen ontmoeten.”

Studenten en promovendi kunnen in de CRoF experimenteren. Operators van het fysieke elektriciteitsnetwerk kunnen kennis delen en nieuwe kennis opdoen. Ook netbeheerders als TenneT, distributeurs als Alliander en Stedin, en verkopers als Siemens en General Electric willen onderzoek doen in de controlekamer.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: Pixabay / Steppinstars