ETArch-SG: An SDN-based architecture proposal for communication support in smart grids

Communication in the Electrical Power System (EPS) presents challenges to meet a number of important requirements, such as: wide scope, reliability, information sharing, security, availability, mobility, among others. Currently, almost all actions related to these communications are linked to non-automated processes, which must be performed by system operators (human). The publication of IEC 61850 standards has made it easier to automate EPS communication, including the ability to access a greater amount of information, with complete independence from device manufacturers, and is a significant step in the evolution of Smart Grids. However, the grid management, control and protection systems still lack alternatives that allow the access and effective use of these information, to overcome the challenges foreseen for the future of Smart Grids. In this scenario, Future Internet architectures have great potential for the development of new functionalities capable of meeting the requirements of this type of communication. In particular, this work presents an architecture based on SDN, called ETArch-SG, whose main objective is to offer more efficient support to the communication system in Smart Grids, when compared to conventional technologies. This work intends to attend the communications performed in the internal environment of the substations and also to help in the communication between the control centers and the intelligent devices, that measure the behavior of the transmission lines. The analysis of information about the global operation of an energy system and about the protocols governing the communication of data in this environment, allowed to propose peculiar solutions for the transportation of information of the supervisory system and for exchange of messages between intelligent devices, where the control and protection operations have fairly severe time requirements. In addition to improvements to more efficiently meet the time constraint requirements of various types of messages that travel through the grid, this work also presents contributions in automating the process of setting up Intelligent Electronic Devices (IEDs) and in optimizing resources through virtualization of the concentrator devices, which are essential between the communication of synchrophasors. The results presented here open up a whole range of possibilities for the work to continue in full evolution.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorTese (Doutorado)As comunicações do Sistema Elétrico de Potência (SEP) revelam um enorme desafio na busca incessante por mecanismos que possam atender a uma série de requisitos inerentes ao bom funcionamento deste sistema, tais como: grande abrangência, confiabilidade, compartilhamento de informações, segurança, disponibilidade, entre outros. Atualmente, quase todas as ações relacionadas a esta comunicação estão vinculadas a processos não automatizados, executados obrigatoriamente por operadores (humanos) de sistemas, basicamente pela falta de confiabilidade da infraestrutura de comunicação. A criação do conjunto de padrões IEC 61850 trouxe novas facilidades para automatização da comunicação no SEP, incluindo a possibilidade de acessar uma quantidade maior de informações, com total independência de fabricantes de dispositivos, sendo este um grande passo para a evolução da Smart Grid (SG). Apesar disso, os sistemas de gerenciamento, controle e proteção da rede elétrica permanecem carentes de alternativas que viabilizem o acesso e utilização efetiva destas informações, para superar os desafios previstos para o futuro das Smart Grids. Neste cenário, arquiteturas de Internet do Futuro são alternativas que apresentam potencial para o desenvolvimento de novas funcionalidades capazes de atender aos requisitos deste tipo de comunicação. Em particular, este trabalho apresenta uma arquitetura baseada em Software Defined Network (SDN), chamada Entity Title Architecture for Smart Grid Communications (ETArch-SG), cujo principal objetivo é oferecer um suporte mais eficiente para o sistema de comunicação em Smart Grids, quando comparado a tecnologias atuais. O trabalho propõe atender às comunicações realizadas no ambiente interno de subestações e também auxiliar na comunicação entre as centrais de controle e os dispositivos inteligentes, que medem o comportamento das linhas de transmissão. De posse de um arcabouço de informações sobre o funcionamento geral de um sistema elétrico de potência e sobre os protocolos que governam a comunicação de dados neste ambiente, foi possível propor soluções peculiares para o transporte de informações do sistema supervisório e para a troca de mensagens entre os dispositivos inteligentes, onde as operações de controle e proteção possuem requisitos temporais bastante severos. Além de melhorias para atender, de forma mais eficaz, os requisitos temporais dos diversos tipos de mensagens que circulam pelo grid, este trabalho também apresenta contribuições na automatização do processo de configuração de Intelligent Electronic Device (IED)s e na otimização de recursos através da virtualização de dispositivos concentradores, que são imprescindíveis na comunicação entre sincrofasores. Os resultados aqui apresentados demonstram que a Arquitetura ETArch-SG é uma proposta promissora para Smart Grids