A scalable simulation method for cyber-physical power systems

Happ, Sonja; Monti, Antonello (Thesis advisor); Benigni, Andrea (Thesis advisor)

1. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: E.ON Energy Research Center : ACS, Automation of complex power systems 85
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xi, 151 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

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.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Automation of Complex Power Systems [616310]