[论文解读] 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 6

一句话总结

本文全面综述了智能电网建模与仿真（M&S）工具，重点聚焦于集成电力系统与通信网络的联合仿真框架。文中识别出HELICS、FNCS和OpenDSS等关键工具，评估其功能，并指出诸如缺乏跨平台验证和模型/数据文档缺失等挑战。

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.

研究动机与目标

• 识别并分类智能电网（SG）系统中可用的建模与仿真（M&S）工具。
• 评估专有与开源联合仿真平台在集成电力与通信系统方面的能力与局限性。
• 解决智能电网M&S工具链中互操作性与验证的挑战，尤其针对分布式能源资源（DER）和信息物理交互。
• 突出模型与数据集可用性、配置文档以及跨平台兼容性方面的缺口。
• 通过总结主要功能、设计原则与集成模式，支持研究人员和从业者选择合适的智能电网仿真工具。

提出的方法

• 对智能电网M&S工具进行系统性文献综述，重点聚焦于信息与物理组件的联合仿真。
• 将工具分类为专有工具（如PSS、PowerWorld、OPNET、RTDS、OPAL-RT）与开源平台（如HELICS、FNCS、OpenDSS、OMNeT++、ns-3）。
• 分析基于功能模型接口（FMI）及标准化接口（如FMI-2.0联合仿真）的联合仿真机制。
• 评估电力系统建模用仿真引擎（如PSCAD、MATLAB/Simulink、PyPSA）与网络仿真用引擎（如ns-3、OMNeT++）的性能。
• 考察HELICS与FNCS等混合仿真框架，其可实现连续时间电力仿真器与离散事件网络仿真器之间的时间同步耦合。
• 评估工具集成模式，包括功能模型单元（FMU）的使用，以及中间件在实现异构仿真环境间互操作性中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些建模与仿真工具在模拟智能电网中电力系统与通信网络的集成方面最为有效？
• RQ2 HELICS与FNCS等联合仿真框架如何实现不同仿真引擎之间在混合信息物理系统中的互操作性？
• RQ3 现有M&S工具在模型可用性、配置文档与跨平台兼容性方面存在哪些主要技术与实际限制？
• RQ4 OpenDSS、PSCAD与ns-3等工具如何支持分布式能源资源（DER）与微电网的仿真？
• RQ5 标准化接口（如FMI）在实现智能电网应用中模块化与可重用仿真组件方面发挥何种作用？

主要发现

• HELICS与FNCS联合仿真框架是目前最突出的开源解决方案，可实现电力系统仿真器与通信网络仿真器之间的时间同步耦合。
• 专有工具如PSS®与PowerWorld提供成熟且集成的电力系统分析环境，但与开源替代方案相比，其透明度与可扩展性较差。
• 尽管存在大量仿真工具，但许多工具缺乏完整的模型与数据集文档，阻碍了可重复性与验证。
• 使用FMI兼容的功能模型单元（FMU）可实现模块化与可重用的基于组件的建模，尤其适用于联合仿真工作流。
• 联合仿真对于评估涉及实时潮流与离散事件通信延迟的混合系统至关重要，尤其在微电网与配电网中。
• 在跨平台验证与标准化基准测试方面存在显著缺口，许多工具未公开提供模型或配置文件。