VILLASframework


Modulares Co-Simulations-Framework

VILLASframework

VILLASframework ist ein Toolset für lokale und geographisch verteilte Echtzeit-Co-Simulation.

Echtzeitvernetzung von Prüfständen

Echtzeitsimulatoren werden bereits intensiv für akademische Forschungen sowie industrielle Anwendungen in elektrischen Energienetzen genutzt. Der primäre Einsatzbereich von Echtzeitsimulatoren liegt im Bereich der Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation. Die HIL Simulation integriert dabei simulierte Komponenten mit einem physikalischen Prüfling in einer Rückkopplungsschleife. So können die Interaktionen von realen Komponenten in einem virtuellen Gesamtsystem unter Zuhilfenahme von simulierten Teilsystemen untersucht werden. Neben Kostenersparnissen bei der Entwicklung ermöglicht die HiL Simulation die Validierung von Komponenten auch für Eventualfälle, die ohne Simulation nicht realisierbar sind.

Ein Erweiterung des HiL Ansatz ist die geographisch verteilte Simulation (Geographically Distributed Real Time Simulation - GD-RTS), bei welcher die Simulationsinfrastruktur, bestehend aus Komponentenprüfständen sowie Simulationshardware, nicht an einem Ort installiert ist, sondern über geographische Entfernung hinweg gekoppelt verwendet wird. Da bei HiL Simulationen die Kommunikationslatenzen zwischen Simulationshardware und Prüfständen direkten Einfluss auf den abbildbaren Dynamikumfang der Simulation hat, sind weite Entfernung zwischen gekoppelten Prüfständen eine besondere Herausforderung. Das Potenzial einer solchen geographisch verteilten Simulation (Geographically Distributed Real Time Simulation - GD-RTS) is jedoch groß. Während bei klassischer HiL Simulation Untersuchungen mit mehreren Prüfständen oder verschiedener Simulationshardware aufgrund von hohen Anschaffungskosten und speziellen Anforderungen an diese nur schwer umzusetzbare sind, ermöglich die geographisch verteilte Simulation existierende Simulationsinfrastruktur an unterschiedlichen Orten gekoppelt zu verwenden. Die Einbindung von unterschiedlichsten Prüfstandskomponenten ermöglicht die Interaktion zwischen interdisziplinären Expertenteams dessen Zusammenarbeit an gemeinsamen Komponententests zuvor nicht möglich war. Für Hersteller und/oder Zertifizierer ermöglicht die geographisch verteilte Simulation den entfernten Zugang zu Simulationsinfrastruktur ohne Komponenten oder Personal zwischen Standorten verschieben zu müssen. Ein weiterer Vorteil besteht in der Sicherstellung der Vertraulichkeit von zum Beispiel Modelldaten, die bei einer solchen Simulation nur über definierte Schnittstelle die Kommunikationsinfrastruktur eines Verbundteilnehmers verlassen.

VILLASframework

VILLAS ist Framework zur Kopplung von Testständen und Echtzeitsimulatoren zwischen geographisch verteilten Laboren. Die Entwicklung von VILLAS wird maßgeblich von der RWTH Aachen getrieben und wurde hier ursprünglich zur geographisch verteilten Echzeitsimulation elektrischer Netze entworfen, ist aber auch ohne Einschränkungen für die Simulation in anderen Domänen sowie multi-physikalischer Systeme verwendbar.

Das Framework besteht aus mehreren unabhängigen Komponenten, welche je nach Anforderungen und benötigter Funktionen kombiniert werden können.

Zentral ist dabei VILLASnode als Schnittstelle zur Kopplung zwischen den beteiligten Komponenten. Es ermöglicht den echtzeitfähigen Datenaustausch über verschienste Protokolle und Datenformate.

Zusätzlich stellt VILLASweb eine web-basierte Benutzeroberfläche bereit mit der Szenarien, Nutzergruppen, Laborinfrastruktur sowie Messergebnisse verwaltet werden können. Die Durchführung von Experimenten kann mit Hilfe einer frei-programmierbaren virtuellen Leitwarte überwacht und gesteuert werden. Zu diesem Zweck können Echtzeitdaten über die VILLASnode Schnittstelle direkt in die web-basierte Leitwarte übertragen werden.

Die Konfiguration, Inventarisierung und Steuerung der beteiligten Laborinfrastruktur wird über den VILLAScontroller realisiert, welcher den aktuellen Zustand sowie Steuerbefehle und Konfigurationen zwischen der virtuellen Leitwarte und der Laborinfrastruktur austauscht.

Der modulare Aufbau des Frameworks ermöglicht eine einfache Erweiterbarkeit um neue Schnittstellen, Protokolle und Datenformate. Unterstützt wird dies durch den offenen Entwicklungsansatz, der das Framework vollständig als Open-Source Software unter der Apache-2.0 Lizenz externen Nutzern zur Verfügung stellt und diesen die Zusammenarbeit an der gemeinsamen Codebasis ermöglicht.

VILLAS ist daher als herstellerunabhängiges Werkzeug zur Kopplung verschienster Komponenten einsetzbar und wird bereits seit mehreren Jahren an bisher ca 29. Universitäten und Forschungseinrichtungen eingesetzt (https://villas.fein-aachen.org/docs/users). Die Leistungsfähigkeit von VILLASframework wurde bereits in mehreren nationalen, sowie internationalen Forschungsprojekten unter Beweis gestellt. Weitere Veröffentlichungen zum VILLASframework sind unter https://villas.fein-aachen.org/docs/publications abrufbar.

Finanzierung wird durch folgende Forschungsprojekte bereitgestellt:

Komponenten

VILLASframework besteht aus mehreren Komponenten:

Architektur

Dokumentation

Wir stellen Benutzerdokumentation auf dieser Webseite zur Verfügung: https://villas.fein-aachen.org/.

Für weitere Fragen treten Sie bitte unserem Slack Channel bei: FEIN Aachen e.V. Slack.

Publikationen

VILLASframework wird präsentiert und/oder verwendet in folgenden Publikationen.

Wir bitten akademische Nutzer unserer Tools eines der folgenden Paper in ihren eigenen Publikationen zu zitieren:

Präsentationen

Orte der Verwendung

Teile des VILLASframework werden oder wurden an folgenden Orten verwendet:

Kontakt / Mailingliste

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Steffen Vogel (svogel2@eonerc.rwth-aachen.de) koordiniert die Enwicklung des VILLASframework und dessen Anwendungen in Projekten am ACS.

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Institute for Automation of Complex Power Systems (ACS) EON Energy Research Center (EONERC) RWTH University Aachen, Germany