[논문 리뷰] From Co- Toward Multi-Simulation of Smart Grids based on HLA and FMI Standards

Martin Lévesque, Christophe Béchet외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 17.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 19인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스마트 그라이드에서 IT 및 통신 관점의 통합을 위해 HLA와 FMI 기반의 다중 시뮬레이션 프레임워크를 제안하며, 실제 원격 제어 사례 연구를 통해 그 활용성을 입증한다. LTE 장애 발생 시 저용량 DMR 링크에서 낮은 지연과 높은 신뢰성을 유지하는 WFQ+rate adaptation QoS 메커니즘이 표준 WFQ보다 뛰어난 성능을 보임을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• IEEE P2030에서 정의한 바와 같이 스마트 그라이드에서 IT 및 통신 관점을 통합하는 다중 시뮬레이션 프레임워크를 개발하는 것.
• 기존 공통 시뮬레이션의 격차를 보완하기 위해 복잡한 데이터 흐름과 시스템 상호작용을 처리하는 IT 관점을 포함하는 것.
• 실제 프랑스 배전 그라이드 구성 자료를 활용하여 LTE 네트워크 장애 상황에서 통신 및 IT 시스템의 성능을 평가하는 것.
• 저용량 DMR 링크를 통한 효율적 트래픽 라우팅을 위한 레이트 어댑테이션 QoS 메커니즘을 검증하는 것.
• 배포 이전에 스마트 그라이드 메커니즘에 대한 자동화된 종단 간 테스트를 가능하게 하여 업그레이드 리스크와 비용을 감소시키는 것.

제안 방법

• IT 및 통신 관점을 위한 분산 시뮬레이터를 조율하기 위해 고수준 아키텍처(High Level Architecture, HLA)를 사용하여 맞춤형 다중 시뮬레이터를 구축한다.
• 통신 관점은 실제 프랑스 배전 그라이드의 실질적인 데이터 속도와 토폴로지 자료를 기반으로 한 LTE 및 DMR 네트워크 상의 IEC 61850 기반 트래픽을 모델링한다.
• IT 관점은 배전 관리 시스템(DMS)과 모니터링 대상 노드 간의 메시지 흐름을 사용하여 원격 제어 및 모니터링 응용 프로그램을 시뮬레이션한다.
• 응용 계층에 WFQ+레이트 어댑테이션(RA) QoS 메커니즘이 구현되어 제어 메시지를 우선순위 처리하고 DMR 링크의 데이터 속도를 적응적으로 조절한다.
• LTE 장애 상황에서 양 관점의 통신 지연 및 시스템 신뢰성 등의 지표를 사용하여 성능을 평가한다.
• 컴ponent 수준의 시뮬레이션을 위해 FMI 준수 모델을 통합하고, 이질적인 시뮬레이터 간의 조율을 위해 HLA를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LTE 네트워크 장애 발생 후 스마트 그라이드 트래픽 전부가 저용량 DMR 링크로 재루팅될 경우 IT 및 통신 시스템의 성능은 어떻게 저하되는가?
• RQ2 고용량 트래픽 하중 조건에서 레이트 어댑테이션 QoS 메커니즘이 DMR 링크에서 수용 가능한 지연과 신뢰성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 다중 시뮬레이션 환경에서 표준 WFQ와 WFQ+RA 메커니즘 간의 지연 및 신뢰성 차이는 무엇인가?
• RQ4 IT 및 통신 관점을 포함한 다중 시뮬레이션 프레임워크가 실제 배포 이전에 체계적 문제를 얼마나 잘 탐지할 수 있는가?
• RQ5 이러한 다중 시뮬레이션 모델은 실제 시스템 행동을 얼마나 정확하게 예측할 수 있으며, 향후 개선이 필요한 부분은 무엇인가?

주요 결과

• WFQ+RA 메커니즘은 제어 메시지의 통신 지연을 1초 이하로 유지하며, 모니터링 메시지의 지연도 안정적으로 유지한다. 반면 표준 WFQ는 시뮬레이션 시간 500 이후 고지연을 유발한다.
• WFQ+RA 메커니즘을 사용할 경우 모니터링 메시지의 시스템 신뢰도는 약 1.0에 가까운 수준을 유지하지만, 표준 WFQ는 시뮬레이션 시간 500 이후에 신뢰도가 크게 떨어진다.
• WFQ 메커니즘은 전송된 대부분의 데이터가 DMS에서 모니터링 대상 노드로의 요청 메시지일 뿐 응답 메시지가 아니며, 이는 흐름 제어의 열악함과 잠재적 데이터 손실을 시사한다.
• 레이트 어댑테이션 메커니즘이 가용 용량과 트래픽 부하에 기반해 데이터 속도를 감소시켜 DMR 링크의 네트워크 오버로드를 효과적으로 방지한다.
• 다중 시뮬레이션 프레임워크는 고장 조건 하에서 IT 및 통신 관점의 성능 저하 요인을 성공적으로 식별하여 사전 시스템 설계를 가능하게 한다.
• HLA와 FMI를 사용한 IT 및 통신 시뮬레이터의 통합은 스마트 그라이드 메커니즘의 자동화된 종단 간 검증을 가능하게 하여 실제 배포 이전의 검증을 실현한다.