Effiziente Modellierung eines HIL-Multi-Grid-Systems für Skalierbarkeit und Parallelität in einem CPS-Sicherheitstestbed

Ein durch ein Cyber-Ereignis ausgelöster Stromausfall im Netz zwingt die Netzbetreiber dazu, ihre Wiederherstellungs- und Wiederinbetriebnahmeprozesse unter Berücksichtigung von Cyber-Risiken und physikalischen Einschränkungen zu intensivieren. Kürzlich kam es bei koordinierten Cyberangriffen auf das ukrainische Stromnetz zu einem solchen, durch ein Cyber-Ereignis ausgelösten Stromausfall. Verschiedene Testumgebungen für cyber-physikalische Systeme (CPS) haben mit einer Vielzahl von Konzepten versucht, solche miteinander verflochtenen Ereignisse zu analysieren und Abhilfemaßnahmen zu bewerten. Allerdings stellten Ressourcenbeschränkungen und modulare Integrationskonzepte erhebliche Hindernisse dar, wenn es darum ging, groß angelegte Netzmodelle (Skalierbarkeit) und isolierte Mehrnetzmodelle (Parallelität) in einer einzigen Echtzeit-Ausführungsumgebung für die CPS-Sicherheitstestumgebungen vom Typ „ hardware-in-the-Loop“ (HIL) zu modellieren. In diesem Beitrag werden ein sorgfältig durchdachtes Design und eine effektive Modellierung zur Simulation groß angelegter Netzmodelle und isolierter Mehrfachnetzmodelle in einer HIL-Echtzeit-Simulatorumgebung vorgeschlagen, die in industrietaugliche „ hardware “- und „ software “-Systeme integriert ist. Wir haben unser bestehendes HIL-CPS-Sicherheitstestbed genutzt, um die Skalierbarkeit anhand der Echtzeitleistung eines synthetischen US-Netzmodells mit einem Texas-2000-Bus sowie die Parallelität anhand der Echtzeitleistung von zehn gleichzeitig laufenden IEEE-39-Bus-Netzmodellen und einem IEEE-118-Bus-Netzmodell zu demonstrieren. Die Experimente lieferten aussagekräftige Ergebnisse: 100-prozentige Echtzeitleistung ohne Überläufe, geringe Latenz beim Empfang und bei der Ausführung von Steuersignalen von SEL-Relais über das IEC-61850-Protokoll sowie geringe Latenz bei der Berechnung und Übertragung von Netzdatenströmen – einschließlich Stabilitätskennzahlen – über das IEEE-C37.118-Synchrophasor-Datenprotokoll an SEL-Phasor-Datenkonzentratoren.