[論文レビュー] Tools for modelling and simulating the Smart Grid

Ricardo M. Czekster|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Smart Grid Security and Resilience参考文献 109被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スマートグリッドにおけるモデリングおよびシミュレーション（M&S）ツールについて包括的なサーベイを提供し、電力システムと通信ネットワークを統合する共同シミュレーションフレームワークに焦点を当てる。主なツールとしてHELICS、FNCS、OpenDSSを特定し、それらの特徴を評価するとともに、クロスプラットフォームの検証不足やモデル／データのドキュメント欠如といった課題を浮き彫りにしている。

ABSTRACT

The Smart Grid (SG) is a Cyber-Physical System (CPS) considered a critical infrastructure divided into cyber (software) and physical (hardware) counterparts that complement each other. It is responsible for timely power provision wrapped by Information and Communication Technologies (ICT) for handling bi-directional energy flows in electric power grids. Enacting control and performance over the massive infrastructure of the SG requires convenient analysis methods. Modelling and simulation (M&S) is a performance evaluation technique used to study virtually any system by testing designs and artificially creating 'what-if' scenarios for system reasoning and advanced analysis. M&S avoids stressing the actual physical infrastructure and systems in production by addressing the problem in a purely computational perspective. Present work compiles a non-exhaustive list of tools for M&S of interest when tackling SG capabilities. Our contribution is to delineate available options for modellers when considering power systems in combination with ICT. We also show the auxiliary tools and details of most relevant solutions pointing out major features and combinations over the years.

研究の動機と目的

• スマートグリッド（SG）システムのための利用可能なモデリングおよびシミュレーション（M&S）ツールを特定および分類すること。
• 電力システムと通信システムを統合するための、プロprietaryおよびオープンソースの共同シミュレーションプラットフォームの能力と制限を評価すること。
• とりわけ分散型エネルギー資源（DER）およびサイバーフィジカル相互作用に関連して、SGのM&Sツールチェーンにおける相互運用性と検証の課題に対処すること。
• ツール間でのモデルおよびデータセットの可用性、構成ドキュメンテーション、クロスプラットフォーム互換性のギャップを浮き彫りにすること。
• 主な特徴、設計原則、統合パターンを要約することで、研究者および実務家が適切なツールを選定するのを支援すること。

提案手法

• サイバーや物理的要素の共同シミュレーションに注目した、スマートグリッドのM&Sツールに関する体系的文献レビュー。
• プロprietary（例：PSS、PowerWorld、OPNET、RTDS、OPAL-RT）およびオープンソース（例：HELICS、FNCS、OpenDSS、OMNeT++、ns-3）プラットフォームに分類してツールを分類すること。
• FMI（Functional Mock-up Interface）およびFMI for co-simulation（FMI-2.0）といった標準化インターフェースを用いた共同シミュレーションメカニズムの分析。
• 電力システムモデリングに適したシミュレーションエンジン（例：PSCAD、MATLAB/Simulink、PyPSA）およびネットワークシミュレーションに適したもの（例：ns-3、OMNeT++）の評価。
• 連続時間の電力シミュレータと離散イベントのネットワークシミュレータの間で時刻同期を実現するハイブリッドシミュレーションフレームワーク（例：HELICS、FNCS）の検討。
• ツール統合パターンの評価、特にFunctional Mock-up Units（FMU）の使用と、多様なシミュレーション環境間での相互運用性を可能にするミドルウェアの役割。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートグリッドにおける電力システムと通信ネットワークの統合をシミュレートするうえで、どのモデリングおよびシミュレーションツールが最も効果的か？
• RQ2 HELICS や FNCS といった共同シミュレーションフレームワークは、異なるシミュレーションエンジン間でどのように相互運用性を実現しているか？
• RQ3 モデルの可用性、構成ドキュメンテーション、クロスプラットフォーム互換性の観点から、既存のM&Sツールに見られる主な技術的・実務的制限は何か？
• RQ4 OpenDSS、PSCAD、ns-3 といったツールは、分散型エネルギー資源（DER）およびマイクログリッドのシミュレーションをどのように支援しているか？
• RQ5 FMI といった標準化インターフェースは、スマートグリッド応用におけるモジュラーで再利用可能なシミュレーションコンポーネントの実現にどのように寄与しているか？

主な発見

• HELICS および FNCS の共同シミュレーションフレームワークは、電力システムシミュレータと通信ネットワークシミュレータの間で時刻同期を実現する、最も顕著なオープンソースソリューションの一つである。
• PSS® や PowerWorld といったプロprietaryツールは、成熟した統合環境を提供するが、オープンソースの代替品に比べて透明性や拡張性に欠ける。
• 多数のシミュレーションツールが存在する一方で、多くのツールが完全なモデルおよびデータセットのドキュメンテーションを欠いており、再現性と検証を阻害している。
• FMI準拠のFunctional Mock-up Units（FMU）の使用により、特に共同シミュレーションワークフローにおいて、モジュラーで再利用可能なコンポーネント指向モデリングが可能になる。
• リアルタイムの電力フローと離散イベント型通信遅延を含むハイブリッドシステムの評価には、共同シミュレーションが不可欠である。特にマイクログリッドや配電網において顕著である。
• クロスプラットフォームの検証および標準化されたベンチマークの欠如が顕著なギャップとなっており、多くのツールがモデルや構成ファイルを公開していない。