Master's Thesis

Digital Twin Builder

Final Thesis 3.68 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Hadwiger

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Antonín Bohačík

Reviewer: Ing. Petr Blažek, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents the design and implementation of a software tool for fully automated creation of digital twins of electrical distribution networks. The tool processes a standardized IEC 61850 configuration file, automatically extracts the substation structure, and orchestrates the deployment of interconnected virtual machines, each representing a specific network role: terminal units communicating via the IEC 61850 standard, a network switch providing layer-2 topology, a SCADA data concentrator, and a gateway enabling external connectivity. The solution includes a service scenario scheduler capable of simulating link failures and transmission parameter degradation, as well as a mechanism for integrating real physical devices into the running digital twin via a VPN tunnel. The tool's functionality was validated through deployment tests, load tests, and fault scenario tests. The load tests identified the operational limits of the system on the test environment, while the fault scenario tests confirmed correct behavior of the simulated network under both link failure and degradation conditions.

Keywords:

Digital Twin, fault simulation, IEC~61850, network virtualization, Open vSwitch, QEMU/KVM, SCADA, SCD

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Otázky oponenta: - Nástroj zpracovává soubor SCL ze standardu IEC 61850, jehož součástí jsou i protokoly GOOSE a SV. Uvažoval jste o realizaci komunikace GOOSE mezi virtuálními stanicemi pro věrnější napodobení reálné sítě? - Digitální dvojče popisujete jako obousměrně propojené s reálným objektem, zatímco generovaná data jsou náhodná. Jakým způsobem by nástroj odrážel skutečný stav reálné rozvodny? - V tab. 4.2 uvádíte mezi stanicemi i „Historian server", v kapitole 3.2 ale popisujete pouze čtyři prvky (vRTU, vTOP, vGW a OpenMUC), kde sběr dat zajišťuje OpenMUC. Co „Historian server" představuje a je součástí nasazeného digitálního dvojčete? Student obhájil diplomovou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Communications and Informatics (MPC-TIT)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Mlýnek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Martin Vaculík, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Šilhavý, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Martin Kyselák, Ph.D. (člen)
Ing. Rudolf Vohnout, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Bezpalec, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Benešl, Ph.D. (člen)
Jakub Lešinský (člen)
Ing. Viet Anh Phan (člen)

Supervisor’s report
Ing. Antonín Bohačík

Student se ve své diplomové práci zabýval návrhem a implementací nástroje pro automatizovanou tvorbu digitálních dvojčat energetických rozvoden založených na standardu IEC 61850. Práce je po stránce prezentační na nadprůměrné úrovni, text je vhodně strukturován a všechny důležité aspekty řešené problematiky jsou popsány přehledně a věcně. Přestože je rozsah práce spíše průměrný, je text velmi výstižný a soustředí se na podstatné části návrhu i implementace řešení. Formální a jazyková úroveň práce je dobrá a odpovídá požadavkům kladeným na diplomovou práci. Práce s odbornou literaturou je na nadprůměrné úrovni, použity byly výhradně odborné publikace a všechny zdroje jsou řádně citovány. Výsledky práce hodnotím velmi kladně a lze konstatovat, že výsledné řešení předčilo původní očekávání. Vznikl komplexní a prakticky využitelný nástroj, který bude dále využíván v rámci výzkumu energetických rozvoden, zejména pro účely simulace, testování, analýzy a dalšího vývoje. Oceňuji rovněž návrh programového řešení s důrazem na budoucí rozšiřitelnost a možnost dalšího rozvoje systému. Během semestru byl student mimořádně aktivní, pravidelně konzultoval dosažené výsledky nad rámec běžných požadavků a případné nejasnosti řešil bezprostředně po jejich vzniku. S ohledem na celkově nadprůměrné zpracování tématu a kvalitu vytvořeného výsledku práci hodnotím známkou A a uděluji 100 bodů. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Blažek, Ph.D.

Předložená diplomová práce je se svými 66 stranami včetně příloh logicky členěna do čtyř hlavních kapitol. Cílem práce bylo navrhnout a realizovat nástroj pro automatickou tvorbu digitálního dvojčete energetické rozvodny ze souboru SCD.
V teoretické části autor popisuje datovou komunikaci v energetice, standard IEC 61850 a jeho protokoly (MMS, GOOSE, SV), protokol IEC 60870-5-104 a koncept digitálních dvojčat. V praktické části student navrhl a realizoval nástroj vDTB, který automaticky zpracuje soubor SCD, vytvoří virtuální prvky sítě, umožní jejich ovládání přes webové rozhraní, připojení reálného zařízení přes VPN a simulaci servisních stavů. Funkčnost nástroje student ověřil funkčními, chybovými a zátěžovými testy.
Po odborné stránce je práce na nadprůměrné úrovni. Student prokázal velmi dobrou orientaci v průmyslové komunikaci i ve virtualizačních technologiích a volbu použitých technologií v práci zdůvodňuje. Interpretace výsledků je na velmi dobré úrovni. Z formálního hlediska je práce na velmi dobré úrovni s minimem typografických a gramatických chyb. V literatuře je uvedeno nadprůměrných 70 zdrojů zaměřených na řešenou problematiku, kde převažují odborné/vědecké dokumenty.
Na základě zadání a vypracované práce považuji všechny cíle za splněné a navrhuji hodnocení A/98. Topics for thesis defence:
  1. Nástroj zpracovává soubor SCL ze standardu IEC 61850, jehož součástí jsou i protokoly GOOSE a SV. Uvažoval jste o realizaci komunikace GOOSE mezi virtuálními stanicemi pro věrnější napodobení reálné sítě?
  2. Digitální dvojče popisujete jako obousměrně propojené s reálným objektem, zatímco generovaná data jsou náhodná. Jakým způsobem by nástroj odrážel skutečný stav reálné rozvodny?
  3. V tab. 4.2 uvádíte mezi stanicemi i „Historian server", v kapitole 3.2 ale popisujete pouze čtyři prvky (vRTU, vTOP, vGW a OpenMUC), kde sběr dat zajišťuje OpenMUC. Co „Historian server" představuje a je součástí nasazeného digitálního dvojčete?
Points proposed by reviewer: 98

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová