[论文解读] Large-Scale Co-Simulation of Power Grid and Communication Network Models with Software in the Loop

Eric MSP Veith, Jawad Kazmi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2020

Distributed and Parallel Computing Systems参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出了一套大规模协同仿真测试平台，集成电力系统、通信网络以及容器化软件在环（SIL）仿真，以验证智能电网中弹性软件部署协议的性能。通过利用 mosaik 进行协同仿真编排，并在容器中部署 iPerf3 以模拟实时网络行为，研究展示了由于仿真堆栈中的通信瓶颈导致性能受限，尽管仍具可行性，凸显了未来可扩展性优化的关键需求。

ABSTRACT

Power grids are transitioning from an infrastructure model based on reactive electronics towards a smart grid that features complex software stacks with intelligent, pro-active and decentralized control. As the power grid infrastructure becomes a platform for software, so does the need for a reliable roll-out of software updates on a large scale. In order to validate resilient large-scale software roll-out protocols, corresponding test beds are needed, which mirror not only ICT networks, but also include the actual software being deployed, and show the interaction between the power grid and the ICT network during the roll-out, and especially during roll-out failures. In this paper, we describe the design implementation of a large-scale co-simulation test bed that combines ICT and power grid simulators. We pay specific attention to the details of integrating containerized software in the simulation loop.

研究动机与目标

• 为解决缺乏能够真实模拟智能电网软件部署的测试平台的问题，包括完整的软件堆栈及其与电力系统和通信网络的交互。
• 通过在仿真回路中嵌入实际的容器化软件，实现故障条件下弹性软件更新协议的验证。
• 识别并分析在通过容器化 SIL 集成真实软件组件时，协同仿真架构中的性能瓶颈。
• 探索使用 mosaik 等开源协同仿真框架在智能电网中进行大规模信息物理系统测试的可行性。
• 为未来信息物理系统协同仿真环境中通信效率、序列化和进程管理的改进提供指导。

提出的方法

• 协同仿真框架集成了电力系统仿真器（pandapower）、ICT 网络仿真器（OMNeT++）以及使用 mosaik 协同仿真器作为中心编排器的软件在环（SIL）组件。
• 容器化应用程序（iPerf3）被部署为虚拟化网络接口（vif）中的客户端和服务器，以模拟 ICT 网络模型中的真实世界数据流。
• 数据流经由以下路径传输：vif → vif-sim → mosaik → OMNeT++ → mosaik → vim-sim’ → vif’，实现网络指标的端到端测量。
• 系统采用 mosaik 的请求-响应模式与非压缩 JSON 进行仿真器间通信，由于单线程轮询和上下文切换，引入了延迟。
• 通过测量节点数量增加（最多 100 个）时的往返时间与 TCP 大块传输速度，分析性能瓶颈。
• 研究识别出当前堆栈中的关键低效问题，包括每个容器的进程创建、多次网络栈遍历以及缺乏事件驱动信号机制，并提出未来优化方案，如多路复用与基于 ZeroMQ 的传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个大规模协同仿真测试平台，以在模拟电力系统与 ICT 网络交互的同时，将真实容器化软件纳入仿真回路？
• RQ2 在使用 mosaik 和 OMNeT++ 的协同仿真环境中集成软件在环时，会产生哪些性能限制？
• RQ3 通信开销、序列化与进程管理如何影响协同仿真信息物理系统中的往返时间与吞吐量？
• RQ4 为支持智能电网中可扩展、低延迟的软件部署测试，需要哪些架构改进？
• RQ5 是否能够有效在协同仿真中模拟容器化应用程序，以评估软件更新与故障情况下的真实世界行为？

主要发现

• 随着节点数量从 10 增加到 100，往返时间从约 23 ms 增加到 447 ms，表明负载下延迟增加，但并非呈指数增长。
• 由于通信栈效率低下，TCP 大块传输速度下降至 3654–6102 kB/s，远低于标准以太网性能。
• mosaik 协同仿真器的单线程请求-响应通信模型与非压缩 JSON 引入了显著延迟，尤其在高轮询频率下更为明显。
• 数据通过多个网络栈传输时，频繁的内核与用户空间上下文切换导致处理延迟。
• 每个容器单独启动一个 vim-sim 进程导致高进程与上下文切换开销，表明多路复用可显著提升性能。
• 研究识别出 ZeroMQ 集成与零拷贝原语是未来降低延迟、提升协同仿真堆栈吞吐量的有前景优化路径。