[論文レビュー] From Co- Toward Multi-Simulation of Smart Grids based on HLA and FMI Standards

Martin Lévesque, Christophe Béchet+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Smart Grid Security and Resilience参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スマートグリッドにおけるITおよび通信視点を統合した、HLAおよびFMIに基づく新規なマルチシミュレーションフレームワークを提示している。実世界の遠隔制御事例における応用を示しており、LTE障害発生時において、低容量のDMRリンクでも低遅延と高い信頼性を維持するWFQ+レート適応QoSメカニズムが、単独の標準WFQよりも優れた性能を示すことを示している。

ABSTRACT

In this article, a multi-simulation model is proposed to measure the performance of all Smart Grid perspectives as defined in the IEEE P2030 standard. As a preliminary implementation, a novel information technology (IT) and communication multi-simulator is developed following an High Level Architecture (HLA). To illustrate the usefulness of such a multi-simulator, a case study of a distribution network operation application is presented using real-world topology configurations with realistic communication traffic based on IEC 61850. The multi-simulator allows to quantify, in terms of communication delay and system reliability, the impacts of aggregating all traffic on a low-capacity wireless link based on Digital Mobile Radio (DMR) when a Long Term Evolution (LTE) network failure occurs. The case study illustrates that such a multi-simulator can be used to experiment new smart grid mechanisms and verify their impacts on all smart grid perspectives in an automated manner. Even more importantly, multi-simulation can prevent problems before modifying/upgrading a smart grid and thus potentially reduce utility costs.

研究の動機と目的

• IEEE P2030で定義されるように、スマートグリッドにおけるITおよび通信視点を統合するマルチシミュレーションフレームワークの開発を目的とする。
• 既存の共同シミュレーションにおける欠落を補い、複雑なデータフローとシステム相互作用を処理するIT視点を含める。
• 実際のフランスの配電グリッド構成を用いて、LTEネットワーク障害下における通信およびITシステムの性能を評価する。
• 低容量のDMRリンク上で効率的なトラフィックルーティングを実現するためのレート適応QoSメカニズムの妥当性を検証する。
• 導入前の自動的でエンドツーエンドのテストを可能とし、アップグレードリスクとコストを低減する。

提案手法

• ITおよび通信視点の分散シミュレータを調整するために、ハイレベルアーキテクチャ（HLA）を用いてカスタムマルチシミュレータを構築する。
• 通信視点は、実際のフランスの配電グリッドから得た実際のデータレートとトポロジを反映した、LTEおよびDMRネットワーク上のIEC 61850ベースのトラフィックをモデル化する。
• IT視点は、配電管理システム（DMS）と監視対象ノード間のメッセージフローを用いて、遠隔制御および監視アプリケーションをシミュレートする。
• アプリケーション層にWFQ+レート適応（RA）QoSメカニズムを実装し、制御メッセージの優先順位付けとDMRリンク上のデータレートの適応を実現する。
• LTE障害シナリオ下で、通信遅延およびシステム信頼性といったメトリクスを用いて、両視点における性能を評価する。
• 部品レベルのシミュレーションのためにFMI準拠モデルを統合し、異種シミュレータ間の調整のためにHLAを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LTEネットワーク障害発生後にスマートグリッドの全トラフィックが低容量のDMRリンクに再ルーティングされた場合、ITおよび通信システムの性能はどの程度低下するか？
• RQ2 高トラフィック負荷下でも、レート適応QoSメカニズムがDMRリンク上で許容可能な遅延と信頼性を維持できるか？
• RQ3 マルチシミュレーション環境において、標準WFQとWFQ+RAメカニズムの遅延および信頼性にどのような差が生じるか？
• RQ4 ITおよび通信視点を含むマルチシミュレーションフレームワークは、実世界への導入前にシステムレベルの問題をどの程度検出できるか？
• RQ5 このようなマルチシミュレーションモデルは、実世界のシステム行動をどの程度正確に予測できるか、またどのような改善が求められるか？

主な発見

• WFQ+RAメカニズムは制御メッセージの通信遅延を1秒未満に維持し、監視メッセージの遅延も安定している。これに対して、標準WFQではシミュレーション時間500以降に顕著な遅延が生じる。
• 監視メッセージのシステム信頼性は、WFQ+RAメカニズムでは1.0に近い水準を維持するが、標準WFQではシミュレーション時間500以降に著しく低下する。
• WFQメカニズムでは、送信されたデータの大部分がDMSから監視対象ノードへのリクエストメッセージであり、応答メッセージではない。これは、流れ制御が不十分で、データ損失の可能性があることを示している。
• レート適応メカニズムは、利用可能容量とトラフィック負荷に基づいてデータレートを低下させることで、DMRリンクでのネットワーク過負荷を効果的に防止する。
• マルチシミュレーションフレームワークは、障害状態下においてITおよび通信視点の両方における性能ボトルネックを効果的に同定でき、事前のシステム設計を可能にする。
• HLAおよびFMIを用いてITおよび通信シミュレータを統合するフレームワークは、導入前の自動的でエンドツーエンドの検証を実現できることを示している。