Energy Systems Twins Wie lässt sich das Stromnetz der Zukunft überwachen und steuern?
Leitsysteme sind ein zentrales Element zur Steuerung kritischer Infrastrukturen, insbesondere von Energieversorgungssystemen. Sie sind historisch gewachsen, monolithisch, proprietär und in der Regel antiquiert in ihrem Aussehen sowie der Handhabung und erfordern große Expertise des Bedienpersonals mit langen Qualifizierungswegen.
All dies ist problematisch, aufgrund zahlreicher Herausforderungen durch die Energiewende. Die dezentrale Erzeugung durch Klein- und Kleinstanlagen auch auf niedrigeren Spannungsebenen führt zu einem enormen Komplexitätszuwachs. Hinzu kommt der steigende Bedarf nach einer Kopplung sowohl unterschiedlicher Energiesektoren als auch, damit verbunden, von IT-Systemen im Hintergrund. Diese Faktoren machen wiederum eine Hochautomatisierung und die Einführung neuer Betriebsführungsansätze, insbesondere innovative und ggf. KI-basierte Lösungen, notwendig. Entsprechend gibt es unter Netzbetreibern das Bestreben, Leitsysteme zu harmonisieren und zu koppeln, um die Effizienz zu steigern und die Möglichkeit zu eröffnen den Netzbetrieb für andere, meist kleine Netzbetreiber, zu definierten Zeiten (bspw. Nachtbetrieb) zu übernehmen. Dies erhöht jedoch ebenfalls die Komplexität für das Betriebspersonal, das bereits mit zunehmenden kritischen Netzzuständen sowie steigenden Bedrohungen durch Cyber-Angriffe konfrontiert wird.
Die historisch gewachsenen Leitsysteme stoßen nach innen sowie nach außen an ihre Grenzen. So ergeben sich aufgrund veralteter Softwaretechnologien und -konzepte natürliche Leistungsgrenzen, u.a. bzgl. Echtzeitfähigkeit, sowie der Erweiter- und Wartbarkeit. Auch beim Thema IT-Sicherheit stoßen die Leitsysteme an ihre Grenzen, da IT-Sicherheit bei der Entwicklung noch nicht im Fokus war und entsprechend umständlich realisiert werden muss. Die von den Netzbetreibern angestrebte Harmonisierung und Kopplung von Leitsystemen wird durch den Vendor Lock-In weitgehend bis vollständig unmöglich gemacht; gleiches gilt für Erweiterungen von Leitsystemen um Funktionalitäten durch Dritte.
Des Weiteren steht die benötigte Expertise zur Bedienung der Leitsysteme einem Fachkräftemangel gegenüber, der durch die Verwendung veralteter Softwarekonzepte noch vergrößert wird. Heute ausgebildete Fachkräfte werden an modernen Software- und Interaktionskonzepten geschult. Entsprechend ist die Arbeit mit veralteter und in der Mensch-Maschine-Interaktion archaisch wirkender Software nicht intuitiv und am Arbeitsmarkt nicht reizvoll.
Zusammenfassend lassen sich insbesondere die Herausforderungen durch die Energiewende umso schwerer mit den aktuellen, antiquierten Leitsystemen meistern. Aus diesem Grund forscht die Gruppe TWO an der Verwendung von digitalen Zwillingen zur Überwachung und Steuerung von Energiesystemen, kurz Energy Systems Twins (EST).
Das OFFIS definiert digitale Zwillinge dabei domänenunabhängig wie folgt:
Ein digitaler Zwilling ist die höchste Form der Integration des Konzepts des digitalen Zwillings. Er besteht aus einem physischen Objekt und einem digitalen Objekt, welches das physische Objekt so detailliert abbildet, dass der Zweck des digitalen Zwillings erfüllt wird. Die Verbindung zwischen den Objekten ist bidirektional und erfolgt in Echtzeit. Das digitale Objekt wird durch Daten von Beobachtern aktualisiert und reflektiert die Entscheidungen an das physische Objekt zurück, wobei es das Objekt mit Hilfe von Manipulatoren beeinflusst.
Hierbei lassen sich insbesondere folgende Merkmale hervorheben:
- Zweckbindung: Das Ziel eines jeden digitalen Zwillings ist es, einen zuvor definierten Zweck zu erfüllen. Der funktionale Umfang des digitalen Zwillings ist ausreichend, sobald der Zweck erfüllt werden kann. Ein höherer Detailgrad ist zwar möglich, aber nicht nötig.
- Echtzeit: Der digitale Zwilling ist in all seinen Funktionalitäten an die Echtzeitanforderung gebunden, d.h. innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne. Wie groß diese Zeitspanne ist, ergibt sich aus dem Zweck des digitalen Zwillings.
- Beobachter und Manipulatoren: Das digitale Objekt erhält die Daten des physischen Objekts mittels Beobachter und beeinflusst das physische Objekt wiederum mittels Manipulatoren. Dies können zum Beispiel Sensoren und Aktuatoren sein, welche automatisiert die Daten übertragen und Arbeiten ausführen. Die breiter gefassten Begriffe der Beobachter und Manipulatoren ermöglichen jedoch auch weiterreichende Möglichkeiten zur Datenakquise und Verrichtung von Arbeit. So können zum Beispiel externe, nicht zum physischen Objekt zugehörige Systeme sowie Menschen (Human-in-the-loop) zur Datenakquise beitragen, solange die Echtzeitanforderungen dies zulassen.
Ein großer Vorteil der Definition ist die Abbildung passiver physischer Objekte (Objekte mit unzureichender Sensorik) durch einen digitalen Zwilling. Eine schematische Darstellung eines aus der Definition entstandenen digitalen Zwilling ist in Abbildung dargestellt.
Das Konzept von digitalen Zwillingen eignet sich insofern, als dass es über, potentiell hierarchisch bzw. geschachtelte, digitale Abbilder hinausgeht und eine automatisierte Anpassung der physischen Infrastruktur auf Basis von Änderungen im digitalen Zwilling vorsieht. Abbildung und Veränderung der physischen Infrastruktur sollen dabei möglichst in Echtzeit geschehen. Diese Echtzeitfähigkeit wird durch den Einsatz von Datenstromverarbeitung realisiert, die es ermöglicht, ereignisgetrieben Daten zu verarbeiten, zu analysieren und darzustellen.
Ein weiteres wesentliches Merkmal von EST ist die Möglichkeit einer ganzheitlichen Modellierung von (gekoppelten) Energie- und IKT-Systemen. Denn insbesondere deren Wechselwirkungen werden für den resilienten Netzbetrieb essentiell sein. Die zunehmende Interaktion zwischen dem Leitsystem und externen Akteuren und Anlagen erfordert darüber hinaus Interoperabilität als ein zentrales Ziel, um Prozesse sowie Applikationen Dritter an das Leitsystem anknüpfen zu können. Konkret sind hierfür definierte Schnittstellen erforderlich, die die Grundlage für einen modularen Austausch und Erweiterbarkeit schaffen.
Forschungsfragen
Die Gruppe TWO fokussiert dabei u.a. die folgenden Forschungsfragen:
- Wie können ESTs so gestaltet werden, dass sie aktuelle und künftige Herausforderungen IoT-basierter CPESs adressieren?
- Wie können CPES-Dienste durch die Nutzung der EST-Funktionen (neu) gestaltet werden?
- Wie können HMIs für die Netzsteuerung so gestaltet werden, dass sie intuitiv und zweckorientiert sind und so weit wie möglich automatisiert erstellt werden können?
Personen
Publikationen
- Management of Topological Data in Modular Energy Management Systems
- Next Generation Grid Control: A Modular and Scalable Event-Driven Architecture for Monitoring and Control of Power Systems
- OpenEnergyTwin-Open, Interoperable and User-Centered Platform for Sustainable Energy Systems
- Poster Abstract: Management of Topological Data in Modular Energy Management Systems
Personen 
B
Dr. rer. nat. Michael Brand
E-Mail: Michael.Brand(at)offis.de, Telefon: +49 441 9722-144, Raum: E84a
H
L
N
P
R
W
Projekte
2025
VITAL
Verteilte Infrastrukturen für Technologie-Gestützte Innovationen im Verteilnetz
Laufzeit: 2025 - 20262021
2020
VORAUS PV
Entwicklung von Vorhersagealgorithmen für Ausfälle in komplexen leistungselektronischen Systemen in der Photovoltaik
Laufzeit: 2020 - 2023 SiNED
Systemdienstleistungen für sichere Stromnetze in Zeiten fortschreitender Energiewende und digitaler Transformation
Laufzeit: 2020 - 20242017
2016
NetzDatenStrom
Standardkonforme Integration quelloffener Big Data-Lösungen in existierende Netzleitsysteme
Laufzeit: 2016 - 2020 Publikationen
2026
Resilience of Digitalized Power Systems-Challenges and Solutions
Brand, Michael and Stark, Sanja and Holly, Stefanie and Kamsamrong, Jirapa and Mayer, Christoph and Lehnhoff, Sebastian; Towards Energy System Resilience; 2026
Shaping and Monitoring Resilient Energy Systems—A Synthesis
van Doren, Davy and Droste-Franke, Bert and Brand, Michael and Derendorf, Karen and Fohr, Gabriele and Gils, Hans Christian and Kaiser, Matthias and Knieling, Jörg and Lehnhoff, Sebastian and von Maydell, Karsten and others; Towards Energy System Resilience; 2026
Trust in Human-Cyber-Physical Energy Systems: Vision & State of the Art
Brand, Michael and Tomforde, Sven and Lehnhoff, Sebastian; Proceedings of the 2026 ACM Sustainability Week; 2026
2025
Management of Topological Data in Modular Energy Management Systems
Blümel, Kersten and Brand, Michael and Lehnhoff, Sebastian; 2025 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (ISGT Europe); Oct / 2025
Next Generation Grid Control: A Modular and Scalable Event-Driven Architecture for Monitoring and Control of Power Systems
Brand, Michael and Blümel, Kersten and Bruhn, Jan-Henrik and Fatemi, Armin and Huxoll, Nils and Lehnhoff, Sebastian; 2025 IEEE Kiel PowerTech; 2025
OpenEnergyTwin-Open, Interoperable and User-Centered Platform for Sustainable Energy Systems
Brand, Michael and Bruhn, Jan Henrik and Huxoll, Nils and Schmidtke, Florian and Wirtz, Nikolaus and Andres, Michael and Fatemi, Armin and Selimaj, Antigona and Ulbig, Andreas and Lehnhoff, Sebastian; ETG Kongress 2025; Voller Energie-heute und morgen.; 2025
Poster Abstract: A Digital Twin Platform Applied to Hydrogen Electrolyzers
Amit Kumar Singh, Jelke Wibbeke, Amin Raeiszahdeh, Nils Huxoll, Michael Brand; DACH+ Conference on Energy Informatics 2024; February / 2025
Poster Abstract: Management of Topological Data in Modular Energy Management Systems
Kersten Blümel, Michael Brand, Sebastian Lehnhoff; Energy Informatics Review, Volume 3, Issue 3, September 2025; September / 2025
Resilience Monitoring for the Digitalisation of the Energy Transition (ReMoDigital)
Bert Droste-Franke and Gabriele Fohr and Davy van Doren and Markus Voge and Moritz Bergfeld and Urte Brand-Daniels and Karen Derendorf and Marc Dziakowski and Hans Christian Gils and Ghinwa Harb and Gandhi Pragada and Tudor Mocanu and Sophie Nägele and Henrik Netz and Martin Plener and Angelika Schulz and Henning Wigger and Madhura Yeligeti and Michael Brand and Batoul Hage Hassan and Anand Narayan and Sigrid Prehofer; January / 2025
2024
Applying Trust for Operational States of ICT-Enabled Power Grid Services
Michael Brand, Anand Narayan, Sebastian Lehnhoff; April / 2024
