Microsoft Word - Izwestie_SU_2_2011-_stranizi_3-73.doc

Препис

1 РАЗРАБОТВАНЕ НА СРЕДА ЗА СИМУЛАЦИЯ НА ИНТЕЛИГЕНТНИ ЕНЕРГИЙНИ МРЕЖИ Мартин Иванов Стела Костадинова Розалина Димова Abstract: Innovation in network architectures, control mechanisms and management algorithms are proposed for future implementation of smart grids. In order to assess their impact on the overall system, a simulation approach is needed that includes not only the communication but also power grid field. This report is a proposal to build an integrated simulation environment, covering the service requirements of the energy transfer and distribution. Kеy words: telecommunications, smart grid, simulation Резюме: Иновации в областите на мрежовите архитектури, контролните механизми и алгоритмите за управление се предлагат за реализация на бъдещите интелигентни енергийни мрежи. За да се оцени тяхното въздействие върху цялостната система е нужен симулационен подход, който обхваща не само комуникационната, но и електроенергийната област. В този доклад е представено предложение за изграждане на интегрирана симулационна среда, покриваща изискванията за обслужването на енергопреноса и разпределението. Ключови думи: телекомуникации, smart grid, симулация. Въведение Интелигентните енергийни мрежи ще интегрират в себе си силовите електропреносни, електроразпределителни мрежи и информационните и комуникационни технологии с цел повишаване на ефективността при генерирането, транспорта, разпределението и консумацията на електроенергия. В глобален план, интересът към подобен подход нараства драстично. Програмата EU цели съкращаване на емисиите на въглероден двуокис с 20%, достигане на 20% дял на възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) от общото генериране на ел. енергия и ограничаване на консумацията при потребителите с 20% [1],[2]. Управлението, защитата и информационните услуги предоставяни от обслужващите комуникационни мрежи ще повишат ефективността, надеждността и нивата на сигурност; ще позволят лесното интегриране в мрежата на алтернативните енргийни източници и прехода към разпределено генериране на електроенергия; ще позволят въвеждането на динамично ценообразуване, наличие на спотови енергийни пазари, понижаване на пиковите товари върху генераторите и осигуряване на максимална информираност на консуматорите относно потреблението. В повечето случаи новите енергийни мрежи (познати също като Smart Grids) ще използват вече съществуващи комуникационни мрежи, като по този начин оползотворяват предишните инвестиции (фиг.1). Енергийните мрежи поставят редица изисквания относно работата на комуникационните такива, което налага нуждата от старателна оценка на възможностите предлагани от вече съществуващите и широко използвани технологии. 24

2 Ясно е, че неравномерностите в потреблението и предлагането ще имат значително влияние върху бъдещите електроенергийни мрежи планирането на доставките се усложнява поради непостоянния характер при генерирането на енергия от ВЕИ и все по-променливите модели на потреблението. Въпреки това, комуникационните технологии ще играят важна роля в справянето с това предизвикателство, както се вижда от последните тенденции в академичните среди и индустрията [3]. Проблеми За да се осъществи концепцията Smart Grid се предлагат много иновативни архитектури, механизми за контрол и мрежови технологии. За да се оцени тяхното въздействие върху цялостната система е нужен симулационен подход, който обхваща не само комуникационната, но и електроенергийната област. Симулаторите са често използвани в контекста на изследванията в информационните и комуникационни технологии [4]. Примери в тази област са мрежовият симулатор ns-2, неговия наследник ns-3 и OMNeT++. За жалост, главният недостатък на тези среди е трудната интеграция с цел изграждане на косимулационна среда за енергийните и комуникационни мрежи. Нуждата от такава интегрирана среда води до редица опити за едновременно Фиг.1. Концепция на Smart Grid използване на няколко симулатора, които да обменят информация помежду си в реално време [5],[6]. Цели Развиваната от нас интегрирана симулационна среда има за цел да улесни изследването на Smart Grid мрежите, като бъде в състояние да симулира безпроблемно енергийната и комуникационна части. Ето защо, представяме шест основни цели за изпълнение: Създаване на възможности за изследване на оптимални комуникационни архитектури изпълняващи изискванията за обслужване на енергопреноса синхронизирано използване на три дискретни симулационни и една емулационна платформи съхранение и обработка на трафик създаване на статистически модели среда за разработка и изследване на нови услуги динамично ценообразуване на ел. енергия, спотови пазари, предоставяне на консуматорите пълна информация относно енергопотреблението в реално време и т.н. възможности за бъдещо развитие на средата с добавяне на допълнителни 25

3 компоненти в зависимост от растежа на физическите мрежи съгласуване на резултатите с целите на Европейската енергийна политика до 2020 година. Ко-симулатора дава възможност за системна оценка, която обхваща свойствата на комуникационните мрежи (например QoS в реално време), методите за мрежов контрол, сензорите, задвижващите механизми и техния ефект върху физическата среда. Приложение Имайки в предвид широко използваните мрежови симулатори, критерийте по които са избрани програмните продукти се базират главно върху възможностите и очакваните резултати при интеграцията на съществуващите телекомуникационни мрежи с електроенергийните мрежи. За дискретна симулация на комуникационните мрежи сме избрали OMNeT++ [7] и Network Simulator версия 2 и 3 [8],[9] безплатни и широко разпространени симулатори поддържащи външни интерфейси за връзка с реални мрежи. Предимство представлява поддръжката на Еclipse-базирана програмна среда, позволяваща създаването на комплексни модели на комуникационни архитектури чрез езиците C++ и NED. За WAN емулация в LAN среда е избран емулаторът WANem [10] използва се за изкуствено създаване на стеснения в мрежата, закъснения, генериране на трафик върху голям набор протоколи с цел оценка на поведението на мрежата в лабораторни условия. Енергийната мрежа ще се представя чрез Modelica - обектно-ориентиран програмен език за моделиране на мащабни и комплексни физически системи [11]. За Modelica са разработени голям брой библиотеки, алгоритми и модели обхващащи областите на енергетиката и електрониката. Обобщена структура на примерна Smart Grid мрежа и ролите на симулаторите и емулатора са показани на фиг.2. Моделите в OMNeT++ се състоят от прости и комбинирани модули (състоящи се от други модули), които комуникират помежду си чрез предаване на съобщения (фиг.3). Съобщенията се изпращат през входно-изходни интерфейси които представляват комуникационните връзки Фиг.2. Области на симулация между компонентите. Модулната структура на OMNeT++ го прави изключително гъвкав и съответно е избран за основен програмен продукт в нашата работа. 26

4 Фиг.3. Модулна структура в OMNeT++ Симулацията при интелигентните енергийни мрежи използва връзките между модулите за моделиране както на комуникационната, така и на енергийната мрежа. Пример за създадена обобщена симулационна структура в OMNeT++ е показан на фиг.4. Модулите които се разглеждат отделно са управлението и контрола (coordinationservice), множество модули house представляващи домакинствата свързани както към енергийната (powergrid), така и към комуникационната (ictrouter) мрежи. powersimulator и timekeeper представляват поддържащи модули, участващи в симулацията, но не представляват компоненти на Smart Grid мрежите. Фиг.5 показва единичен house модул, като за всяко отделно домакинство има възможност за конфигуриране консумацията на ел. енергия, капацитета на фотоволтаичните панели, комуникационни параметри: пропускателна способност на канала, закъснения на пакетите и т.н. Фиг.5. Структура на house модулът Синхронизация Ко-симулационната платформа трябва да поддържа двупосочна комуникация между симулаторите. Например, NS-3 моделира комуникацията на данни от сензори събрани от симулацията на Modelica, и обратно, Modelica използва контролни сигнали обменяни в мрежата на NS-3. Основният технически проблем представлява двупосочната синхронизация между симулаторите. Тъй като всички горепосочени симулатори са дискретни, времевият интервал на симулацията се разделя на равни дискретни интервали с продължителност t d. Всеки участник извършва определено събитие в рамките на интервала (изпращане на пакет и т.н), като симулаторите се редуват и същевременно обменят информация един с друг относно резултатите от последното завършено събитие (фиг.6). С оглед на използваните изчислителни мощности, сме приели t d = 10 µs. Фиг.4. Структура на Smart Grid симулация чрез OMNeT++. Комуникационните и електроенергийни връзки са показани съответно с прекъснати и цели линии Фиг.6. Дискретна симулация 27

5 Синхронната работа на интегрираната симулационна среда се осъществява чрез HLA (High-level Architecture) IEEE стандарт за синхронизация на разпределени симулационни ресурси, поддържан от гореизброените симулатори [12]. Заключение В настоящият доклад предлагаме изграждането на интегрирана симулационна среда, която дава възможност за моделиране и симулация както на комуникационните, така и на енергийните мрежи. Изследването на управлението, защитата и информационните услуги предоставяни от обслужващите комуникационни мрежи ще повишат ефективността, надеждността и нивата на сигурност; ще позволят лесното интегриране в мрежата на алтернативните енргийни източници и прехода към разпределено генериране на електроенергия. Тъй като средата е в процес на развитие, се предвижда се интегриране с MATLAB, автоматизация по IEC61850, разширяване на базата от симулационни модели и т.н. [6] Kevin Mets, Tom Verschueren, Chris Develder, Tine L. Vandoorn, Lieven Vandevelde, Integrated Simulation of Power and Communication Networks for Smart Grid Applications, IEEE CAMAD 2011 [7] A. Varga, An overview of the OMNeT++ simulation environment, in Proc. 1st Int. Conf. Simulation Tools and Techniques for Commun., Netw. and Systems (SIMUTools), Marseille, France, Mar [8] T. Issariyakul, E. Hossain, Introduction to Network Simulator NS2. Springer, [9] NS-3 документация: [10] [11] [12] IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) - Framework and Rules jsp?punumber= Използвана литература: [1] SMART 2020: Enabling the low carbonconstrained economy in the information age, The Climate Group, Tech. Rep., [2] Energy 2020 A Strategy for Competitive, Sustainable and Secure Energy, European Comission, [3] Hundreds of leading experts address global energy issues at first IEEE international conference on smart grid communications, IEEE Commun. Mag., vol. 48, no. 11, pp , Nov [4] E. Weingӓrtner, H. Vom Lehn, K. Wehrle, A performance comparison of recent network simulators, Proc. IEEE Int. Conf. Commun. (ICC 2009), Dresden, Germany, Jun , pp [5] A. Al-Hammouri, V. Liberatore, H. Al- Omari, Z. Al-Qudah, M. Branicky, Co- Simulation Platform for Actuator Networks, SenSys '07 Proceedings of the 5th international conference on Embedded networked sensor systems, За контакти: 9010 Варна, ул. Студентска 1 Технически университет -Варна Стела Костадинова е-mail: stela.kostadinova@gmail.com Розалина Димова е-mail: rdim@abv.bg