Internet of Energy based cellular structures for distributed Microgrids

Abstract

In the face of evolving global energy challenges and the urgent need for resilient, decentralized, and digitized power systems, the concept of the Internet of Energy (IoE) emerges as a transformative framework for modern energy infrastructure. This paper explores the development and implementation of IoE-based cellular structures within distributed Microgrids, with a focus on Ukraine’s critical need for energy security and system restoration. Embracing the “3D” paradigm–Decarbonization, Decentralization, and Digitalization–the proposed architecture organizes energy systems into interconnected energy cells. These cells leverage distributed energy resources, demand-side management, and Energy Cloud 4.0 technologies to enable real-time energy balancing, market participation, and transactive energy operations. The paper presents a comprehensive structure for Microgrids based on IoE principles, detailing energy cell typologies, control algorithms for cost optimization, and strategies for grid flexibilityand reliability. It highlights how cellular architectures can ensure autonomous operation, enhance resilience to outages, andfoster integration with the European energy market. Through modeling and simulation, the paper validates the feasibility of this approach, demonstrating significant improvements in energy cost efficiency, stability, and sustainability. To organize the work andinteraction of cells, 5 types of energy cells (generators, prosumers, passive consumers, electric vehicles, utility) have been identifiedthat interact and have impacts on all participants of the Microgrid: economic impacts (changes in consumer electricity bills and revenues from energy sales), technical impacts (changes in the network scheme, approaches to network planning and operation) and social impacts (support, reliability of consumption, reduction of CO2emissions). The technical, economic, and social benefits of transitioning to IoE-based cellular Microgrids are a foundational element in rebuilding and future-proofing Ukraine’s energy sector.

З огляду на мінливі глобальні енергетичні виклики та нагальну потребу в стійких, децентралізованих та цифрових енергетичних системах, концепція Інтернету енергії (IoE) постає як трансформаційна основа для сучасної енергетичної інфраструктури. У цій статті досліджується розробка та впровадження комірковихструктур на основі Інтернету енергіїв рамках розподілених мікромереж, з акцентом на критичну потребу України в енергетичній безпеці та відновленні системи в умовах постійних геополітичних потрясінь. Застосовуючи парадигму «3D» –декарбонізацію, децентралізацію та цифровізацію –запропонована архітектура організовує енергетичні системи у взаємопов’язані енергетичні комірки, що включають різних зацікавлених сторін: генераторів, споживачів-постачальників, пасивних споживачів, електромобілі та комунальні вузли. Ці комірки використовуютьрозподілені енергетичні ресурси, управління попитом та технології Energy Cloud 4.0 для забезпечення балансування енергії в режимі реального часу, участі на ринку та транзакційних енергетичних операцій.У статті представлено комплексну структуру для мікромереж на основі принципів IoE, описанотипології енергетичних комірок, алгоритми керування для оптимізації витрат та стратегії гнучкості та надійності мережі. У роботівисвітлено, як комірковіархітектури можуть забезпечити автономну роботу, підвищити стійкість до перебоїв та сприяти інтеграції з європейським енергетичним ринком. За допомогою моделювання та симуляції в статті підтверджено доцільність цього підходу, демонструючи значні покращення енергетичної ефективності, стабільності та сталості.Для організації роботи та взаємодії комірокбуло визначеноп’ятьтипів енергетичних комірок, які взаємодіють та мають економічний, соціальний та технічний вплив на всіх учасників мікромережі: економічний вплив (зміни в рахунках споживачів за електроенергію та доходах від продажу енергії), технічний вплив (зміни в схемі мережі, підходах до планування та експлуатації мережі) та соціальний вплив (підтримка, надійність споживання, скорочення викидів CO2).Технічні, економічні та соціальні переваги переходу на коміркові мікромережі на основі Інтернету енергії є основоположним елементом у відбудові та забезпеченні майбутнього енергетичного сектору України.