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:
- RESERVE: European Unions Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 727481.
- VILLAS: Funding provided by JARA-ENERGY. Jülich-Aachen Research Alliance (JARA) is an initiative of RWTH Aachen University and Forschungszentrum Jülich.
- Urban Energy Lab 4.0: Funding is provided by the European Regional Development Fund (EFRE).
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:
- A. Monti et al., “A Global Real-Time Superlab: Enabling High Penetration of Power Electronics in the Electric Grid,” in IEEE Power Electronics Magazine, vol. 5, no. 3, pp. 35-44, Sept. 2018.
- M. Stevic, S. Vogel and A. Monti, “From Monolithic to Geographically Distributed Simulation of HVdc Systems,” 2018 IEEE 19th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), Padova, Italy, 2018, pp. 1-5.
- M. Mirz, S. Vogel, B. Schäfer, A. Monti, “Distributed Real-Time Co-Simulation as a Service,” 2018 IEEE International Conference on Industrial Electronics for Sustainable Energy Systems (IESES), Waikato, NZ, Jan. 2018.
- S. Vogel, M. Mirz, L. Razik and A. Monti, “An Open Solution for Next-generation Real-time Power System Simulation,” 2017 IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2), Beijing, 2017, pp. 1-6.
- M. Stevic et al., “A Multi-Site European Framework for Real-Time Co-Simulation of Power Systems,” IET Generation, Transmission & Distribution, Jun. 2017.
- M. Stevic, M. Panwar, M. Mohanpurkar, R. Hovsapian and A. Monti, “Empirical study of simulation fidelity in geographically distributed real-time simulations,” 2017 North American Power Symposium (NAPS), Morgantown, WV, 2017, pp. 1-6.
- C. F. Covrig et al., A European Platform for Distributed Real Time Modelling & Simulation of Emerging Electricity Systems. European Union: JRC Science Hub, 2016.
- E. Bompard et al., “A multi-site real-time co-simulation platform for the testing of control strategies of distributed storage and V2G in distribution networks,” in 18th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’16 ECCE Europe), 2016, pp. 1–9.
- M. Stevic et al., “Virtual integration of laboratories over long distance for real-time co-simulation of power systems,” in IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2016, pp. 6717–6721.
- M. Stevic, S. Vogel, A. Monti, and S. D’Arco, “Feasibility of geographically distributed real-time simulation of HVDC system interconnected with AC networks,” in PowerTech, 2015 IEEE Eindhoven, 2015, pp. 1–5.
- M. Stevic, A. Monti and A. Benigni, “Development of a simulator-to-simulator interface for geographically distributed simulation of power systems in real time,” IECON 2015 - 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Yokohama, 2015, pp. 005020-005025.
- M. Stevic and S. Vogel, “Geographically Distributed Simulation: a backbone platform for studying integration of offshore wind energy,” MARINET Infrastructure Access Rep., Dec. 2014.
Präsentationen
- VILLAS concept (ERIGrid - VILLAS workshop, 13th September 2018, OFFIS Oldenburg)
- VILLASframework Applications (ERIGrid - VILLAS workshop, 13th September 2018, OFFIS Oldenburg)
- VILLASframework (ERIGrid - VILLAS workshop, 13th September 2018, OFFIS Oldenburg)
- Co-simulation interfaces for connecting distributed real-time simulators (RT16 - OPAL-RT User Conference - Steffen Vogel - 7th June 2016 - Munich, Germany)
- “An open solution for next-generation real-time power system simulation”, 2017 IEEE Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2), Beijing, 2017
Orte der Verwendung
Teile des VILLASframework werden oder wurden an folgenden Orten verwendet:
Kontakt / Mailingliste
Das Projekt verwendet eine öffentliche Mailingliste für Ankündigungen. Bitte klicken sie auf den obigen Link zum abonnieren.
Für weitere Fragen treten Sie bitte unserem Slack Channel bei: FEIN Aachen e.V. Slack.
Steffen Vogel (post@steffenvogel.de) koordiniert die Enwicklung des VILLASframework und dessen Anwendungen in Projekten am ACS.
Institute for Automation of Complex Power Systems (ACS) EON Energy Research Center (EONERC) RWTH University Aachen, Germany