《Electronics》：Innovative Testbed Configurations and Interfacing Techniques for Real-Time Digital Simulation of Cyber-Physical Energy and Power Systems
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测试平台配置和接口方法用于信息物理电力系统（CPPS）的实时数字仿真，在文献中仍然复杂且分散，限制了研究人员比较工具、复现测试平台以及选择适用于通信感知控制和网络安全研究的合适平台的清晰度。本文通过首先比较最新工作，特别关注接口方法和配置架构，然后展示两个代表
测试平台配置和接口方法用于信息物理电力系统（CPPS）的实时数字仿真，在文献中仍然复杂且分散，限制了研究人员比较工具、复现测试平台以及选择适用于通信感知控制和网络安全研究的合适平台的清晰度。本文通过首先比较最新工作，特别关注接口方法和配置架构，然后展示两个代表性测试平台，用于分析网络事件对配电系统和微电网运行的影响，解决了这一问题。第一个测试平台使用Modbus over TCP/IP进行数据交换，将HYPERSIM（OPAL-RT Technologies）与MATLAB（版本R2025a）接口连接。该测试平台配置能够捕获通信延迟对改进型IEEE 13节点测试馈线中Volt-VAR控制的影响。第二个测试平台使用两个实时功率仿真器，OPAL-RT和Typhoon HIL，两者均通过基于模块化Python的脚本与离散事件仿真器（DES）EXata Network Modelling（Keysight Technologies）接口连接。这种接口有效地实现了微电网中网络攻击的仿真。这些测试平台展示了实时仿真的最新进展如何实现更实用的跨域分析，包括通信效应、控制性能和网络脆弱性，同时为设计更强大、面向未来的CPPS仿真环境提供信息。
**论文解读**
**1. 研究背景与问题**
随着电力系统向数字化、分布式和通信依赖型方向发展，信息物理电力系统（Cyber-Physical Power Systems, CPPS）的概念日益凸显。CPPS整合了物理电力网络与计算、通信和控制技术，但物理域与信息域采用不同的仿真原理：物理域通常基于连续时间或离散时间的电磁/机电仿真，而信息域采用离散事件仿真（DES）建模通信行为。这种差异导致跨域交互（如通信延迟、丢包、网络攻击）对电力系统稳定性的影响难以精确评估。现有文献中，实时CPPS测试平台的配置与接口方法复杂且分散，缺乏统一比较，限制了研究人员选择合适平台、复现实验和进行通信感知控制与网络安全研究的能力。
**2. 研究内容与结论**
本文针对上述问题，首先比较了近期实时CPPS测试平台的接口架构、通信工具、协议和硬件集成方式，然后展示了两个代表性测试平台：一是基于HYPERSIM和MATLAB的软件在环（SIL）测试平台，用于分析通信延迟对含高比例分布式能源（DER）的配电系统Volt-VAR控制的影响；二是基于OPAL-RT/Typhoon HIL与EXata（DES）的测试平台，用于微电网网络安全分析，重点评估了两种实时同步机制（主从同步和时间步进同步）。结果表明，第一个测试平台借助MATLAB的广泛可用性，降低了CPPS研究的入门门槛；第二个测试平台通过模块化树莓派（Raspberry Pi）中间件实现了清晰的接口层，并以较低成本支持可扩展的跨域仿真。该研究发表在《Electronics》上，对推动CPPS测试平台的可访问性、模块化和可复现性具有重要意义。
**3. 关键技术方法**
本文采用两个独立测试平台，未涉及特定样本队列。主要技术方法包括：
1. **实时功率仿真平台**：使用HYPERSIM（OPAL-RT）和Typhoon HIL 602+分别执行配电系统与微电网的电磁暂态（EMT）仿真。
2. **通信网络仿真工具**：第一个平台使用MATLAB（R2025a）建模通信网络与控制方案；第二个平台使用EXata Network Modelling（Keysight Technologies）进行DES与数据包级网络仿真。
3. **接口与同步机制**：第一个平台通过Modbus TCP/IP协议实现OPAL-RT硬件目标与MATLAB工作站的以太网连接；第二个平台采用基于Python脚本的树莓派中间件，实现主从同步（基于量化状态系统QSS触发）和时间步进同步两种机制。
4. **通信协议**：主要采用Modbus TCP/IP，涉及OSI/TCP/IP模型中的应用层、传输层和网络接口层。
**4. 研究结果**
**4.1 第1节：引言**
通过比较文献综述，发现现有实时CPPS测试平台在接口方法上高度多样化且报告不一致，促使本文构建了对比性总结表（Table 1）。本文贡献在于：聚焦接口架构比较；展示HYPERSIM-MATLAB测试平台的低成本可访问性；展示OPAL-RT/Typhoon HIL-EXata测试平台的明确接口层与两种同步方案。
**4.2 第2节：基于DER配电系统的CPPS测试平台**
**2.1 测试平台架构**：采用三硬件组件（两台PC工作站与OPAL-RT硬件目标）和三仿真系统（电力网络、通信网络、控制方案），通过以太网与Modbus TCP/IP协议互联。**2.2 物理层**：以光伏（PV）改进型IEEE 13节点测试馈线（NTF）为例，该模型包含11个单相PV源，使用HYPERSIM直接建模。**2.3 信息层**：设计对应的13节点IPoWDM（IP over Wavelength Division Multiplexing）通信网络，考虑传播延迟与组件延迟。**2.4 接口层**：通过OPAL-RT硬件目标与外部PC的以太网连接，支持Modbus等协议，明确OSI/TCP/IP层映射。**2.5 控制方案**：开发集中式Volt-VAR控制方案，协调PV单元、变压器、并联设备和开关，以维持电压稳定。结论：该测试平台能捕获通信延迟对电压控制的影响，且MATLAB的使用降低了研究门槛。
**4.3 第3节：用于微电网网络安全分析的CPPS测试平台**
**3.1 测试平台架构**：分物理层（OPAL-RT或Typhoon HIL）、信息层（EXata）和接口层（树莓派运行Python脚本）。**3.2 仿真硬件**：Typhoon HIL 602+（FPGA基）与OPAL-RT OP5600（高性能计算机+FPGA）。**3.3 信息通信层**：EXata作为DES，采用Bellman-Ford路由算法，支持数据包延迟、拥塞、丢包等建模。**3.4 接口层**：实现主从同步（基于QSS事件触发）和时间步进同步（固定间隔+过期事件丢弃）。**3.4.2 实践实现**：Typhoon HIL-EXata平台采用主从同步，OPAL-RT-EXata平台采用时间步进同步。性能对比显示：主从同步的同步处理时间（约0.1 ms）比时间步进同步快约160倍，RAM利用率为1.36% vs 6.85%（基于8 GB树莓派）。结论：该测试平台能有效模拟分布式拒绝服务（DoS）和虚假数据注入攻击（FDIA）对微电网的影响，且支持理论可扩展至约70个节点/树莓派。
**5. 讨论与结论**
**讨论部分**：
- **可访问性与模块化**：两个测试平台均降低了CPPS研究的入门门槛——第一个通过MATLAB的广泛可用性，第二个通过树莓派中间件的低成本与模块化。
- **可扩展性**：未来需在功率域与信息域引入更大规模、更具代表性的模型（如电网边缘通信节点、物联网设备）。
- **网络安全**：需开发集成控制-信息-通信-功率的“智能电网赛博靶场”，系统化设计、注入和验证网络攻击，并评估弹性和防御措施。
- **密码学验证**：面临资源受限现场设备，需在真实CPPS条件下验证轻量级加密和安全编码方案（如SunSpec Modbus的增强）。
**研究结论**：
本文通过比较近期CPPS测试平台并展示两种创新配置，提供了易于复现的实时仿真框架。HYPERSIM-MATLAB测试平台利用MATLAB建模通信网络与控制方案，降低了学习壁垒；OPAL-RT/Typhoon HIL-EXata测试平台通过树莓派中间件实现模块化接口，支持两种同步机制。这些贡献强调了接口层在CPPS仿真中的核心作用，推动了测试平台的可访问性、模块化和可扩展性发展，为未来更实用、更强大的CPPS仿真环境设计奠定了基础。
