Design and Implementation of Scalable Communication Interfaces for Reliable and Stable Real-time Co-Simulation of Power Systems

📄 arXiv: 2502.07866v1 📥 PDF

作者: Qi Xiao, Jongha Woo, Lidong Song, Ning Lu, Victor Paduani

分类: eess.SY

发布日期: 2025-02-11

💡 一句话要点

设计可扩展通信接口，实现电力系统实时协同仿真，提升高比例新能源接入下的稳定性和可靠性

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 电力系统 协同仿真 实时仿真 通信接口 新能源接入 数据外推 OPAL-RT

📋 核心要点

  1. 现有电力系统协同仿真方法难以有效应对高比例新能源接入带来的复杂性和实时性挑战。
  2. 论文设计了本地和远程两种通信接口，并提出实时数据外推方法，以解决数据分辨率不匹配导致的不稳定性问题。
  3. 实验结果表明，所提出的通信接口具有良好的可扩展性和有效性，能够提升实时协同仿真的稳定性和可靠性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种可扩展的通信接口设计与实现方案，旨在实现高比例逆变器型资源（IBRs）接入电力系统的可靠、稳定的实时协同仿真。该通信接口分为本地和远程两种类型。在本地场景中，子系统通过局域网（LAN）连接，低延迟通信促进了电磁暂态（EMT）和相量域模型的无缝集成，从而能够与电力和能源管理算法进行高效交互。对于远程场景，数据交换通过基于互联网的文件共享或VPN通信实现。使用OPAL-RT作为实时仿真器评估了这两种方法的性能，展示了可扩展性、有效性以及实时协同仿真应用特有的挑战。为了减轻时间敏感型协同仿真中数据分辨率不匹配引起的不稳定性，提出了一种实时数据外推方法，显著提高了稳定性和可靠性，确保了更准确的仿真结果。实现代码已在GitHub上提供，为研究人员提供了复制和扩展这项工作的工具。

🔬 方法详解

问题定义：电力系统协同仿真旨在模拟大规模逆变器型资源（IBRs）接入输配电网的情况。然而，现有方法在高IBR渗透率下，面临着通信延迟、数据分辨率不匹配等问题，导致仿真不稳定甚至崩溃。尤其是在实时协同仿真中，这些问题会严重影响仿真结果的准确性和可靠性。

核心思路：论文的核心思路是设计一种可扩展的通信接口，并结合实时数据外推方法，以解决高IBR渗透率下电力系统实时协同仿真的稳定性和可靠性问题。通过区分本地和远程通信场景，并针对性地采用不同的通信方式，可以有效降低通信延迟。同时，实时数据外推方法可以弥补数据分辨率不匹配带来的影响。

技术框架：整体架构包括多个子系统，每个子系统代表电力系统的一部分，例如输电网、配电网或新能源发电单元。这些子系统通过通信接口进行数据交换，实现协同仿真。通信接口分为本地和远程两种类型。本地通信采用低延迟的局域网（LAN）连接，适用于子系统位于同一物理位置的情况。远程通信采用基于互联网的文件共享或VPN连接，适用于子系统位于不同地理位置的情况。此外，还包括一个实时数据外推模块，用于弥补数据分辨率不匹配带来的影响。

关键创新：论文的关键创新在于提出了一种可扩展的通信接口设计，能够适应不同规模和地理位置的电力系统协同仿真。同时，实时数据外推方法的引入，有效解决了数据分辨率不匹配带来的不稳定性问题。这种方法能够显著提高实时协同仿真的稳定性和可靠性，从而获得更准确的仿真结果。

关键设计：实时数据外推方法是关键设计之一。具体实现细节未知，但其核心思想是利用历史数据预测未来时刻的数据，从而弥补数据分辨率的不足。此外，本地通信采用低延迟的通信协议，例如TCP/IP或UDP，以保证实时性。远程通信则需要考虑网络延迟和带宽限制，选择合适的通信协议和数据压缩方法。

📊 实验亮点

论文使用OPAL-RT作为实时仿真器，验证了所提出的通信接口和实时数据外推方法的有效性。实验结果表明，该方法能够显著提高实时协同仿真的稳定性和可靠性，具体性能数据未知，但代码已开源，方便其他研究者复现和改进。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于电力系统规划、运行和控制等领域。通过实时协同仿真，可以评估高比例新能源接入对电力系统稳定性的影响，优化电力系统运行策略，提高电力系统的可靠性和经济性。此外，该研究成果还可以用于开发新型电力系统仿真平台，为电力系统研究人员提供更强大的工具。

📄 摘要（原文）

Co-simulation offers an integrated approach for modeling the large-scale integration of inverter-based resources (IBRs) into transmission and distribution grids. This paper presents a scalable communication interface design and implementation to enable reliable and stable real-time co-simulation of power systems with high IBR penetration. The communication interface is categorized into two types: local and remote. In local scenarios, where subsystems are connected within a single local area network (LAN), low-latency communication facilitates the seamless integration of electromagnetic transient (EMT) and phasor-domain models, enabling efficient interactions with power and energy management algorithms. For remote scenarios, data exchange is achieved via internet-based file sharing or VPN-enabled communication. The performance of both methods is evaluated using OPAL-RT as a real-time simulator, demonstrating scalability, effectiveness, and challenges specific to real-time co-simulation applications. To mitigate instability arising from data resolution mismatches in time-sensitive co-simulations, a real-time data extrapolation method is proposed. This approach significantly enhances stability and reliability, ensuring more accurate simulation outcomes. The implementation code is available on GitHub, providing researchers the tools to replicate and expand upon this work.