Hardware-In-the-Loop (HIL) networksimulation for supporting electrical power grid sub-stations

Abstract

Utviklingen av strømnettet går mot en digitalisering og konvensjonelle transformatorstasjoner (eng: sub-stations) planlegges å fases ut til fordel for digitaliserte. Ved å digitalisere transformatorstasjonene er det mulig å redusere kompleksiteten på kabling, samt antall komponenter. Det vil også muliggjøre forbedring av monitorering og kontroll i nettet. For å oppnå disse målsetningene, må datanettverkene som skal støtte strømnettet benytte validerte dataprotokoller før de kan benyttes i daglig drift.

Ved å inkludere fysiske komponenter, som er tenkt brukt i daglig drift i simuleringer (eng: Hardware-In-The-Loop), er det mulig å kostnadseffektivt validere protokoller og komponenter. Det vil også gjøre simuleringer mer pålitelig og føre til større tillit før de blir tatt i bruk.

Prosjektet utfører en bakgrunnstudie ved å utforske hva som er forsket på, samt hva som gjøres i dag av simuleringer hvor fysiske komponenter er inkludert i produkter med åpen kildekode. På grunn av tilgjengelighet og kostnader på kommersielle produkter ble ikke disse vurdert i prosjektet. Network Simulator 3 (NS3) ble valgt for å utvikle en nettverkssimulator med teknikker for å omgå kernel ved hjelp av rammeverket Data Plane Development Kit (DPDK).

Evalueringene og valideringene under utviklingsfasen ble utført i forskjellige scenarier, hvorav én skjer i et miljø med fysiske komponenter fra strømnettet. Implementasjonen viser gode egenskaper og er kapabel til å levere jitter under 10μs og ende-til-ende forsinkelser under 150μs.

Resultatene viser at den foreslåtte implementasjonen av NS3, forbedret ved hjelp av DPDK, og kan sees på som et steg mot samsimuleringer mellom både datanettverk- og strømnettverk-simuleringer.

The development of electrical power systems is reaching a more digitalized structure and conventional sub-stations are planned to be exchanged with digital ones. By digitalizing sub-stations it is possible to simplify the wiring complexity, reduce the number of components and enhance monitoring and control of the grid. To achieve this, the computer network supporting the grid must rely on thoroughly validated protocols before they can be put into operation.

By using a Hardware-In-The-Loop (HIL) simulated environment, it is possible to cost efficiently validate protocols and hardware. By including real components from power systems it is possible to run more reliable simulations and increase the confidence in protocols and new components before they are used in the grid.

The thesis provides a background study on the state of the art of HIL simulations in power systems and identifies issues with existing open-source alternatives. Commercial hardware and software alternatives were not considered due to their high-cost and limited access. The Network Simulator 3 (NS3) was selected to develop a computer network simulator enhanced with kernel bypassing techniques, using the Data Plane Development Kit (DPDK).

The evaluation and validation of the developed NS3 solution was conducted in different settings, including in a testbed with real hardware used in power systems. The new implementation was compared against legacy modules of NS3 and specialized network hardware, showing promising results in terms of latency and jitter, respectively below 150μsec and 10μsec on average.

The obtained results show that the proposed NS3 approach, enhanced with DPDK, is a viable solution for HIL simulation with digitalized components from electrical power systems and can be seen as a step towards co-simulation between power-grid simulators and computer-network simulators.