Evaluation of cloud-based real-time simulation of smart grids

Abstract

Power systems are suffering profound transformations in the transition toward modern energy systems, facing significant challenges regarding the decentralization, decarbonization, and digitalization of power grids. The literature generally presents approaches requiring optimal coordination between the power grid and Information and Communication Technologies. The research of these solutions requires realistic testing environments, which is why Digital Real-Time Simulators have gained popularity in power system laboratories. Furthermore, cloud computing has enabled a cost-efficient alternative for the sector’s digitalization. However, cloud technologies are not used for real-time constrained workloads traditionally. This thesis evaluates a proposed cloud infrastructure as a computational tool to serve digital twins modeling power systems. To this end, this thesis implements a private cloud based on Kubernetes. It sets a laboratory for cloud-native applications interacting with a cloud-based real-time simulator based on an open-source real-time simulation framework. Additionally, it presents an application model that other researchers can replicate to test with the simulation loop, their software-based solutions for the automation of power systems. The results presented in this thesis evidence the capabilities and limitations of abstracting physical compute resources to execute real-time workloads in the context of digital twins for smart grids. Although the evaluation is addressed as a soft-constrained real-time application for a testing environment, this work opens a discussion to address firm-constrained real-time applications in production-grade environments.

Los sistemas eléctricos están sufriendo transformaciones profundas como parte del proceso del transición a sistemas modernos de energía. La denominada transición energética enfrenta grandes retos de cara a la descentralización, descarbonización, digitalización y democratización de los sistemas eléctricos. Para afrontarlos, la industria y la academia han propuesto soluciones que en general requieren de una coordinación optima entre la red eléctrica y los sistemas de tecnologías de la información y comunicaciones. La investigación de dichas soluciones depende de ambientes realistas de pruebas, por eso los simuladores digitales de tiempo real se han vuelto muy populares en los laboratorios. Por otra parte, la computación en la nube se ha vuelto un habilitador tecnológico para el sector eléctrico. Sin embargo, las tecnologías de nube no suelen ser utilizadas para cargas de trabajo con restricciones de tiempo real. Esta tesis tiene como objetivo evaluar una infraestructura de nube propuesta, como herramienta de computo para servir gemelos digitales de sistemas de potencia. En esta tesis se implementó una nube privada basada en un cluster de Kubernetes, que sirve como laboratorio para aplicaciones nativas en nube que interactuan con el lazo de simulación de un framework de simulación en tiempo real de código abierto. Adicionalmente, se presenta una modelo de aplicación que podría ser replicado para probar soluciones basadas en software orientadas a la automatización de sistemas de potencia. Los resultados presentados en esta tesis evidencian las capacidades y las limitaciones de la abstracción de recursos computacionales para la ejecución de cargas de trabajo con restricciones de tiempo real, enfocado en los gemelos digitales de sistemas de potencia. Todos las evaluaciones se desarrollaron en un ambiente de laboratorio donde se podría considerar que las restricciones de tiempo real son suaves, pero se abre una discusión a la posibilidad de llevarlo a ambientes productivos con restricciones firmes. (texto tomado de la fuente)