[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种基于HLA和FMI的多仿真框架，整合了智能电网中的信息技术与通信视角，通过一个实际的远动控制案例研究展示了其应用。结果表明，在LTE故障期间，WFQ+速率自适应QoS机制可在低容量DMR链路上保持低延迟和高可靠性，优于仅使用标准WFQ的方案。

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.

研究动机与目标

• 开发一种多仿真框架，整合智能电网中的信息技术与通信视角，符合IEEE P2030标准。
• 通过引入信息技术视角，弥补现有协同仿真中的空白，以处理复杂的数据流与系统交互。
• 在LTE网络故障条件下，评估通信与信息技术系统的性能，采用法国实际配电网的配置参数。
• 验证一种速率自适应QoS机制，以实现在低容量DMR链路上高效的数据路由。
• 实现智能电网机制的自动化、端到端测试，降低升级风险与成本。

提出的方法

• 基于高级体系结构（HLA）构建自定义多仿真器，协调信息技术与通信视角的分布式仿真器。
• 通信视角对基于IEC 61850的LTE和DMR网络上的流量进行建模，采用来自法国实际配电网的真实数据速率与网络拓扑。
• 信息技术视角通过配电管理系统（DMS）与被监控节点之间的消息流，模拟远动与监控应用。
• 在应用层实现WFQ+速率自适应（RA）QoS机制，以优先处理控制消息，并根据链路容量与负载动态调整数据速率。
• 通过通信延迟与系统可靠性等指标，在LTE故障场景下评估两种视角下的性能表现。
• 框架集成符合FMI标准的模型以实现组件级仿真，同时利用HLA实现异构仿真器间的协调。

实验结果

研究问题

• RQ1 当所有智能电网流量在LTE网络故障后被重定向至低容量DMR链路时，信息技术与通信系统的性能如何退化？
• RQ2 在高负载流量下，速率自适应QoS机制是否能在DMR链路上维持可接受的延迟与可靠性？
• RQ3 在多仿真环境中，标准WFQ与WFQ+RA机制在延迟与可靠性方面有何差异？
• RQ4 包含信息技术与通信视角的多仿真框架，在真实部署前能多大程度上检测系统级问题？
• RQ5 此类多仿真模型在多大程度上能准确预测真实系统行为？尚需哪些改进？

主要发现

• WFQ+RA机制将控制消息的通信延迟保持在1秒以下，且监控消息延迟保持稳定；而标准WFQ在仿真时间超过500后导致延迟显著升高。
• 采用WFQ+RA机制时，监控消息的系统可靠性保持在接近1.0的水平，而标准WFQ在仿真时间超过500后可靠性显著下降。
• WFQ机制导致大部分传输数据为DMS向被监控节点发出的请求消息，而非响应消息，表明流量控制效果差，存在潜在数据丢失风险。
• 速率自适应机制通过根据可用容量与流量负载动态降低数据速率，有效防止了DMR链路的网络拥塞。
• 多仿真框架在故障条件下成功识别出信息技术与通信视角中的性能瓶颈，支持主动系统设计。
• 该框架证明，通过HLA与FMI集成信息技术与通信仿真器，可实现智能电网机制在部署前的自动化、端到端验证。