A scalable simulation method for cyber-physical power systems

Happ, Sonja; Monti, Antonello; Benigni, Andrea

doi:39853

A scalable simulation method for cyber-physical power systems

Happ, Sonja^RWTH*

2020 & 2021

VerantwortlichkeitsangabeSonja Happ, Institute for Automation of Complex Power Systems

Ausgabe1

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource (xi, 151 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-942789-84-4

ReiheE.ON Energy Research Center : ACS, Automation of complex power systems ; 85

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Druckausgabe: 2020. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; Benigni, Andrea (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-09-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-11644
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/807836/files/807836.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
agent-based modeling and simulation (frei) ; cyber-physical power system (frei) ; parallel programming (frei) ; scalable simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Elektrische Energieversorgungssysteme erfahren einen Paradigmenwechsel von unidirektionalem hin zu bidirektionalem Leistungsfluss. Dieser Wechsel wird durch die steigende Anzahl verteilter Energiewandlungsanlagen verursacht, die insbesondere in Verteilnetzen installiert werden. Netzbetreiber müssen traditionelle Methoden der Netzbetriebsführung überdenken, da diese nicht für bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt sind. Basierend auf wissenschaftlichen Untersuchungen wurden Kommunikationstechnik und Datenverarbeitungssysteme als Schlüsselelemente für die Integration verteilter Energiewandlungsanlagen in die Betriebsführung identifiziert. Die Kopplung eines elektrischen Energieversorgungssystems mit Kommunikations- und Datenverarbeitungssystemen ergibt ein cyber-physikalisches elektrisches Energieversorgungssystem (cyber-physical power system, CPPS). Dessen Verhalten entsteht aus den Interaktionen seiner Komponenten, welche wiederum durch physikalische Kopplung und Kommunikation verursacht werden. Bei der Modellierung und Simulation solcher Systeme müssen diese Interaktionen gleichzeitig als Ursache und als Mittel zur Bestimmung des Gesamtsystemverhaltens berücksichtigt werden. Die potenziell große Anzahl an Systemkomponenten und deren Heterogenität stellen große Herausforderungen dar, die sowohl für die Modellierung als auch für die Simulation spezielle Lösungen erfordern. Diese Dissertation identifiziert die folgenden vier Hauptanforderungen für die Simulation von CPPSs basierend auf einer Auswertung existierender Ansätze: Skalierbarkeit (1) ist durch die zu erwartende Anzahl an Systemkomponenten motiviert. Die Gesamtsystemlösung muss aus den Interaktionen der Komponenten entstehen (2). Zur Simulation großer Systeme werden skalierbare und flexible Methoden zur Verwaltung von Eingangsdaten und Simulationsergebnissen benötigt (3). Interoperabilität (4) ist erforderlich, damit eine Kopplung mit anderen Simulationswerkzeugen oder Datenverarbeitungssystemen möglich ist. Der zentrale Beitrag dieser Dissertation ist die Simulationsmethode Distributed Agent-based Simulation of Complex Power Systems (DistAIX). Sie ermöglicht die simulative Untersuchung von CPPSs mit bislang unerreichter Skalierbarkeit ohne dabei einzelne Interaktionen durch Vereinfachung oder Aggregation zu vernachlässigen. Durch Techniken aus dem Hochleistungsrechnen werden Skalierbarkeit erreicht sowie die limitierte Rechenleistung einzelner Rechenknoten überwunden. Agentenbasierte Modellierung und Simulation stellen sicher, dass das Systemverhalten aus Interaktionen entsteht. Systemkomponenten werden als Agenten modelliert, die jeweils ein elektrisches Modell sowie ein individuelles Verhalten aufweisen. Agenten werden für die Berechnung der Simulation auf Prozesse verteilt. DistAIX ist in ein Framework eingebettet, das eine flexible Szenarioerzeugung und datenbankgestützte Ergebnisspeicherung ermöglicht. Simulationsergebnisse können in einer speziellen Anwendung ausgewertet werden, die von der Komplexität des agentenbasierten Modells abstrahiert. Für den Datenaustausch mit externen Systemen steht eine generische Kommunikationsschnittstelle zur Verfügung. DistAIX wird in dieser Dissertation detailliert eingeführt und bezüglich der vier genannten Hauptanforderungen für die Simulation von CPPSs ausführlich untersucht.

Electrical power systems undergo a paradigm change from unidirectional to bidirectional power flow. This change is caused by an increasing number of distributed energy resources installed especially in distribution systems. System operators are forced to rethink the traditional ways of system operation since these are not designed for a bidirectional power flow. Research has identified information and communication technology as a key enabler for the integration of distributed energy resources in the system operation through communication and data processing. The coupling of an electrical power system with a communication and data processing system results in a cyber-physical power system (CPPS). The overall behavior of a CPPS emerges from the interactions of its components through physical coupling and communication. Modeling and simulation of CPPS have to consider these interactions as the source and the means to obtain the overall system solution. The potentially large number of components and their heterogeneity constitute severe challenges that require solutions for both the modeling and the computation of the simulation itself. This dissertation identifies the following four major requirements of CPPS simulation based on a review of existing approaches and their shortcomings. The requirement of scalability (1) is motivated by the expected number of system components. The system solution has to emerge from the interactions of its components (2). Large-scale simulations require a scalable and flexible management of input and result data (3) that is not available in existing solutions. Interoperability (4) is required to enable the coupling with other simulation tools or data processing systems for CPPSs. As the main contribution of this dissertation, the simulation method Distributed Agent-based Simulation of Complex Power Systems (DistAIX) is proposed. It enables the simulative assessment of CPPSs at an unprecedented scale without neglecting interactions through simplification or aggregation of components. It utilizes parallel computing to achieve scalability and to overcome the limited processing power and memory resources of single computing nodes. Agent-based modeling and simulation addresses the requirement of emergence of the system solution from interactions. System components are modeled as agents that include an electrical model and a specific behavior. They are distributed to processes for the computation of the simulation. DistAIX is embedded in a framework facilitating a flexible scenario creation and a database-supported result storage. Results can be post-processed in a dedicated application that abstracts from the agent-based modeling approach and the database storage. A generic communication interface is integrated to exchange data with external systems during a simulation. The DistAIX method is introduced and assessed comprehensively throughout this dissertation with respect to all four identified CPPS simulation requirements.

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