[논문 리뷰] Tools for modelling and simulating the Smart Grid

Ricardo M. Czekster|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 16.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 109인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스마트그리드의 모델링 및 시뮬레이션(M&S) 도구에 대한 종합적인 설문 조사로, 전력 시스템과 통신 네트워크를 통합하는 공시뮬레이션 프레임워크에 초점을 맞추고 있다. HELICS, FNCS, OpenDSS와 같은 주요 도구를 식별하고 기능을 평가하며, 플랫폼 간 검증 부족 및 모델/데이터 문서화 누락과 같은 과제를 강조하고 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스마트그리드(SG) 시스템을 위한 사용 가능한 모델링 및 시뮬레이션(M&S) 도구를 식별하고 분류하는 것.
• 전력 및 통신 시스템을 통합하기 위한 전문 및 오픈소스 공시뮬레이션 플랫폼의 능력과 한계를 평가하는 것.
• 특히 분산 에너지 자원(DER)과 사이버-물리적 상호작용을 고려할 때, 스마트그리드의 M&S 도구 체인에서 상호운용성과 검증 문제를 해결하는 것.
• 모델 및 데이터셋 가용성, 구성 문서화, 도구 간 플랫폼 간 호환성 측면에서의 격차를 부각하는 것.
• 주요 기능, 설계 원칙, 통합 패턴을 요약하여 연구자 및 실무자가 스마트그리드 시뮬레이션에 적절한 도구를 선택하는 데 지원하는 것.

제안 방법

• 사이버 및 물리적 구성 요소의 공시뮬레이션에 중점을 두고 스마트그리드를 위한 M&S 도구에 대한 체계적 문헌 리뷰.
• 전문 도구(예: PSS, PowerWorld, OPNET, RTDS, OPAL-RT)와 오픈소스 도구(예: HELICS, FNCS, OpenDSS, OMNeT++, ns-3)로 도구를 분류.
• 기능 모의이식 인터페이스(FMI) 및 FMI-2.0와 같은 표준 인터페이스를 사용한 공시뮬레이션 메커니즘 분석.
• 전력 시스템 모델링을 위한 시뮬레이션 엔진(PSCAD, MATLAB/Simulink, PyPSA)과 네트워크 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 엔진(ns-3, OMNeT++) 평가.
• 지속시간 기반 전력 시뮬레이터와 이벤트 기반 네트워크 시뮬레이터 간 시간 동기화 결합을 가능하게 하는 하이브리드 시뮬레이션 프레임워크인 HELICS 및 FNCS의 검토.
• 기능 모의이식 유닛(FMU)의 사용과 다양한 시뮬레이션 환경 간 상호운용성을 가능하게 하는 미들웨어의 역할을 포함한 도구 통합 패턴 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트그리드에서 전력 시스템과 통신 네트워크의 통합을 시뮬레이션하는 데 가장 효과적인 모델링 및 시뮬레이션 도구는 무엇인가요?
• RQ2 HELICS 및 FNCS와 같은 공시뮬레이션 프레임워크는 서로 다른 시뮬레이션 엔진 간에 하이브리드 사이버-물리 시스템의 상호운용성을 어떻게 가능하게 하나요?
• RQ3 기존 M&S 도구의 모델 가용성, 구성 문서화, 플랫폼 간 호환성 측면에서 주요 기술적 및 실용적 한계는 무엇인가요?
• RQ4 OpenDSS, PSCAD, ns-3와 같은 도구는 분산 에너지 자원(DER)과 마이크로그리드의 시뮬레이션을 어떻게 지원하나요?
• RQ5 FMI와 같은 표준 인터페이스는 스마트그리드 응용 분야에서 모듈화되고 재사용 가능한 시뮬레이션 구성 요소를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하나요?

주요 결과

• HELICS 및 FNCS 공시뮬레이션 프레임워크는 전력 시스템 시뮬레이터와 통신 네트워크 시뮬레이터 간 시간 동기화 결합을 가능하게 하는 가장 주요한 오픈소스 솔루션 중 하나이다.
• PSS® 및 PowerWorld와 같은 전문 도구는 전력 시스템 분석을 위한 성숙하고 통합된 환경을 제공하지만, 오픈소스 대비 투명성과 확장성 측면에서 열등하다.
• 다양한 시뮬레이션 도구가 제공되고 있음에도 불구하고, 많은 도구들이 완전한 모델 및 데이터셋 문서화를 제공하지 않아 재현성과 검증을 어렵게 하고 있다.
• FMI 준수 기능 모의이식 유닛(FMU)의 사용은 특히 공시뮬레이션 워크플로우에서 모듈화되고 재사용 가능한 구성 요소 기반 모델링을 가능하게 한다.
• 실시간 전력 흐름과 이벤트 기반 통신 지연을 포함한 하이브리드 시스템 평가를 위해서는 공시뮬레이션이 필수적이다. 특히 마이크로그리드 및 배전망에서 그러하다.
• 플랫폼 간 검증 및 표준화된 벤치마킹이 도구 간에 상당한 격차를 이룹니다. 많은 도구들이 모델 또는 구성 파일에 대한 공개 접근 권한을 제공하지 않는다.