Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FITErgonomische Assistenzsysteme für Netzleitstellen kritischer Infrastrukturen
Die sichere Betriebsführung von Gas- und Stromnetzen wird durch zuverlässige Technologien und insbesondere durch ein breites Erfahrungswissen des Leitstellenpersonals gewährleistet. Die steigende technologische und systemische Komplexität der Energiesysteme sowie das erhöhte Risiko von Cyber-Angriffen führen zu einem signifikanten Anstieg der relevanten Prozessinformationen, die für eine sichere Netzführung berücksichtigt werden müssen. Ziel des BMBF geförderten Vorhabens »Beautiful« ist es, die Arbeitsbedingungen des Leitstellenpersonals kritischer Infrastrukturen zu optimieren.
Das Leitstellenpersonal verantwortet den sicheren und zuverlässigen Betrieb der Gas- und Stromnetze. Wurden kritische Netzsituationen bisher oft durch physikalische Einwirkungen auf die Infrastruktur, zum Beispiel bei Beschädigung von Leitungen durch Baggerarbeiten oder umfallende Bäume verursacht, müssen künftig auch komplexe sektorenübergreifende Abhängigkeiten und Cyber-Angriffe als Gefahrenquelle betrachtet werden.
Die Integration erneuerbarer Energieträger in das Energiesystem erfordert die Entwicklung neuer Regelungsmechanismen, um den Energiemix zu optimieren und dabei die Versorgungssicherheit jederzeit zu gewährleisten. Wind- und Sonnenenergie werden volatil in das Stromnetz eingespeist. Die schwankenden Einspeisungen müssen permanent mit den ebenfalls schwankenden Lasten ausgeglichen werden. In das Gasnetz wird erneuerbare Energie in Form von Biogas und Wasserstoff eingespeist. Die Bezugsquellen für Erdgas werden stark diversifiziert. Aufgrund der flexiblen Betriebsbedingungen kann das Gasnetz gut an die veränderten Bedingungen angepasst und zusätzlich im netzdienlichen Betrieb für das Stromnetz gefahren werden. Gaskraftwerke sind für die Bereitstellung von Spitzenlast geeignet. Sie können schnell auf und abgeregelt werden und so das Stromnetz stabilisieren. Das gut ausgebaute Gasnetz kann darüber hinaus als saisonaler Energiespeicher dienen, indem überschüssige Energie in Form von Wasserstoff oder Methan auch langfristig gespeichert und bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt wird. Das Leitstellenpersonal hält Gasmenge, Gasdruck und Gasqualität stets in einem Gleichgewicht und kann zulässige Toleranzen für Optimierungen nutzen.
Für die sichere sektoren-übergreifende Steuerung laufen in den Leitstellen immer mehr Anlageninformationen zusammen, die in gezielte Fahrweisen-Entscheidungen eingehen müssen. Um diese schnell anwachsende Komplexität zu beherrschen, kommen immer mehr Digitaltechnologien zum Einsatz. Dadurch steigt wiederum das Risiko von Cyber-Angriffen. Die Ursachen für kritische Netzzustände werden nicht nur vielfältiger, auch das Kaskadenpotential wird größer.
Mit dem Projekt »Beautiful – Belastungsoptimierte Arbeitsgestaltung für Netzleitstellen kritischer Infrastruktur« stellt sich ein interdisziplinäres Konsortium der Herausforderung, für die komplexer werdenden Überwachungs- und Steueraufgaben hochleistungsfähige Assistenzsysteme zu entwickeln. Die Assistenzsysteme sollen sichere Entscheidungen in komplexen Situationen innerhalb kürzester Zeit unterstützen. Die Transparenz und das Vertrauen in diese Systeme sollen über eine standardisierte Bewertung des Mehrwertes für das Leitstellenpersonal unterstützt werden.
Dafür werden zunächst die aktuellen Arbeitsbedingungen des Leitstellenpersonals bei einem Netzbetreiber bewertet. Zur arbeitswissenschaftlichen Beurteilung der physiopsychologischen Zustände des Leitstellenpersonals unter unterschiedlichen Stressbedingungen werden zwei Leitstellensimulatoren entwickelt.
Ein Leitstellensimulator dient im akademischen Umfeld der Entwicklung von Messkonzepten und Datenverarbeitungsansätzen sowie der Erprobung neuer Assistenzsysteme. Die Beurteilung der physiopsychologischen Zustände wird mithilfe ausgewählter Messtechnik, wie Eye-Tracking und intelligente Shirts, die eine KI-unterstützte Sensor-Fusion ermöglichen, erfolgen.
Ein zweiter Leitstellensimulator dient als Trainingssystem beim Netzbetreiber. An diesem Trainingssystem wird das Leitstellenpersonal die entwickelten Assistenzsysteme unter realen Bedingungen bewerten. Das Trainingssystem beim Netzbetreiber wird ebenfalls mit Messsystemen ausgestattet, um die physiopsychologischen Zustände des Personals zu messen und das Stress-Level zu bestimmen. Am Trainingssystem werden auch kritische Situationen simuliert werden können. Der Nutzen der entwickelten Assistenzsysteme zur Bewältigung dieser kritischen Situationen wird mithilfe im Projekt entwickelter standardisierter Bewertungsverfahren exakt bestimmt. Die entwickelten Assistenzsysteme und die physiopsychologischen Erkenntnisse des Leitstellenpersonals werden zur Entwicklung zukünftiger optimierter Leitsysteme genutzt.
Das Vorhaben »Beautiful – Belastungsoptimierte Arbeitsgestaltung für Netzleitstellen kritischer Infrastruktur« wird durch ein interdisziplinäres Konsortium umgesetzt und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Projektpartner sind Avacon Netz GmbH, Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Ergoneers GmbH, Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT, Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE, Humatects GmbH, IAEW der RWTH Aachen University, Interactive Wear AG, PSI Software AG und Visseiro GmbH. Assoziierter Partner sind die Schleswig-Holstein Netz AG und die E.ON SE. Am 23.02.2023 und 24.02.2023 haben die Partner sich zum Kickoff in Aachen getroffen.
Das Vorhaben wird durch das Fraunhofer FIT geleitet. Zusammen mit dem Fraunhofer FKIE beschäftigt sich das Fraunhofer-Forschungsteam mit der ergonomischen Untersuchung von Leitstellen, dem Aufbau eines Leitstellensimulators und der Entwicklung von Assistenzsystemen sowie der Integration von Cyber-Angriffsszenarien zum Testen von Assistenzsystemen.