Smart grid architecture for rural distribution networks: application to a Spanish pilot network

This paper presents a novel architecture for rural distribution grids. This architecture is designed to modernize traditional rural networks into new Smart Grid ones. The architecture tackles innovation actions on both the power plane and the management plane of the system. In the power plane, the architecture focuses on exploiting the synergies between telecommunications and innovative technologies based on power electronics managing low scale electrical storage. In the management plane, a decentralized management system is proposed based on the addition of two new agents assisting the typical Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) system of distribution system operators. Altogether, the proposed architecture enables operators to use more effectively—in an automated and decentralized way—weak rural distribution systems, increasing the capability to integrate new distributed energy resources. This architecture is being implemented in a real Pilot Network located in Spain, in the frame of the European Smart Rural Grid project. The paper also includes a study case showing one of the potentialities of one of the principal technologies developed in the project and underpinning the realization of the new architecture: the so-called Intelligent Distribution Power Router.Postprint (published version

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

An intelligent-agent approach for managing congestion in W-CDMA networks

PhDResource Management is a crucial aspect in the next generation cellular networks since the use of W-CDMA technology gives an inherent flexibility in managing the system capacity. The concept of a “Service Level Agreement” (SLA) also plays a very important role as it is the means to guarantee the quality of service provided to the customers in response to the level of service to which they have subscribed. Hence there is a need to introduce effective SLA-based policies as part of the radio resource management. This work proposes the application of intelligent agents in SLA-based control in resource management, especially when congestion occurs. The work demonstrates the ability of intelligent agents in improving and maintaining the quality of service to meet the required SLA as the congestion occurs. A particularly novel aspect of this work is the use of learning (here Case Based Reasoning) to predict the control strategies to be imposed. As the system environment changes, the most suitable policy will be implemented. When congestion occurs, the system either proposes the solution by recalling from experience (if the event is similar to what has been previously solved) or recalculates the solution from its knowledge (if the event is new). With this approach, the system performance will be monitored at all times and a suitable policy can be immediately applied as the system environment changes, resulting in maintaining the system quality of service

Final report on the evaluation of RRM/CRRM algorithms

Deliverable public del projecte EVERESTThis deliverable provides a definition and a complete evaluation of the RRM/CRRM algorithms selected in D11 and D15, and evolved and refined on an iterative process. The evaluation will be carried out by means of simulations using the simulators provided at D07, and D14.Preprin

Digitization of the entire traffic system and mitigation of the ongoing traffic crisis across cities of developing nations

This thesis report is submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Bachelor of Science in Electrical and Electronic Engineering, 2015.This paper focuses on a novel approach for handling the present traffic situation in perspective of Bangladesh. We plan to moderate the ongoing traffic predicament that currently plagues Dhaka city and gradually expand it to the whole country. Road traffic congestion is apparently a borderless ordeal in Dhaka and its adjacent cities and the situation tends to worsen as new cars enter the current stream every day. The aim of the paper is to develop a threefold solution to counter the traffic clogging. The approach taken during the course of this research focused primarily on an experimental evaluation of the small-scale model of the traffic routing algorithms. Among the threefold solution, the first approach is to develop a traffic algorithm to calculate the routes with shortest possible times to destinations. We plan to implement the system‟s usability by providing feedback to our target users (car drivers) so that they can decide on which route to take. This will be done by means of an overhead display on the car dashboards backed up by an embedded OS or Android. For our input we plan to take the amount of cars that are at any specific route at a time and provide that data to the car driver by the means of modern vehicle density measurement techniques. Travelling times are calculated using Dijkstra‟s algorithm and the shortest possible time required is provided to the commuters taking into consideration the situation of the roads at any point of time. The second approach is to make use of 24-hour Dynamic Traffic Light Controllers (DTLCs) based on artificial neural networks. The DTLC will be implemented using the Intel NUC in conjunction with the Arduino Mega. The decision making algorithm is designed to replicate, in a meager form, the human brain with the system trained to learn to respond to certain traffic situations. At present the BRTA (Bangladesh Road Transport) employs Static Traffic Light Controllers (STLCs) to handle traffic flow at some intersections while other, less important, ones have manual control in the form of the traffic officer in charge

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

Impact of regulatory aspects on 5G mobile communication systems

The fifth generation of mobile communication networks generally known as 5G is a technology that, if we read anything about it we can arrive to the conclusion that it can be a revolution in many aspects. Starting with the great change that the telephone introduced, followed by the great improvements that the mobile phones carried along with them and finally internet and broadband access from any part of the world with a pocket device, we arrive to a time where 5G not only will it improve the existing technologies but it will allow the development of new inventions such as Internet of Things (IoT) that up to the date is reduced to various experiments and trials. The fifth generation of mobile communication systems will allow the development of applications, data models, data analysis at very high speeds, sensor measurements, and data transmissions instantly and a very long list of other things that will result in a revolution in one hand for the people’s lives and in the other to the markets and the way the companies carry out their business models and their internal and external general management. People’s quality of life will be affected substantially thanks to the establishment of 5G. This will be achieved thanks to the high speeds and the characteristics that 5G includes, and it will allow, for example, that a refrigerator can inform its owner about what products are needed or about what food is about to expire. This simple example is only one of many others that we can find when talking about 5G. Nonetheless, in order to be able to enjoy these advantages that 5G incorporates, it is necessary to conduct a development and deployment in an agreed upon way between all the different organisms and bearing in mind the regulatory aspects and the legislation valid and that needs to be developed in order to have a correct deployment. To do this, the regulatory organisms, and the commissions of the different countries have to agree between them and investigate what is the best way to provide the best standards, and to ease and speed up the deployments and start-ups of this new technology. After developing a detail study of the current requirements, objectives and the legislation and standardization, as well as the state of art of the technologies that provide us with the services that we enjoy nowadays, I have studied the barriers and drivers for the deployment of 5G. Finally, and after this previous study, I have analysed the possible deployments for this technology and how will it affect to the economic and social environment the use of these types of mobile communications. At the same time I have arrived to the final conclusions that 5G will be a complete revolution and anything that enables and eases the implementation has to be welcome.La quinta generación de redes de telecomunicaciones móviles comúnmente conocida como 5G es una tecnología de la que, si leemos cualquier información, llegaremos a la conclusión de que puede suponer una revolución en muchos aspectos. Comenzando por el gran cambio que supuso la invención del teléfono, seguida por la evidente y alta mejora que introdujo el teléfono móvil y finalmente la conexión a internet y el acceso de banda ancha desde cualquier parte del mundo con un dispositivo de bolsillo, llegamos a un momento en el que el 5G no solo mejorará las tecnologías ya existentes sino que permitirá desarrollar ideas tales como el internet de las cosas que, a día de hoy, se reducen a, varios experimentos y pruebas. El 5G permitirá el desarrollo de aplicaciones, modelos de datos, análisis de datos a altas velocidades, lecturas de sensores y transmisión de datos de forma instantánea y una larga lista de mejoras más que resultará en una revolución por una parte de la vida de las personas y por otra de los mercados y de la forma en la que las empresas llevarán a cabo sus modelos de negocio y en general su gestión externa e interna. La calidad de vida de las personas se verá afectada de forma sustancial gracias a la implantación del 5G. Esto se conseguirá debido a que las altas velocidades y las características que incorpora el 5G permitirán que, por ejemplo, una nevera avise a su dueño de aquello que falte en su interior, o que le informe de aquellos productos que están a punto de caducar. Este simple ejemplo solo es uno de todos los posibles que se pueden encontrar a la hora de hablar del 5G. Sin embargo, para poder llegar a disfrutar de todas las ventajas que el 5G aporta, es necesario llevar a cabo un desarrollo y un despliegue de forma conjunta entre los diferentes organismos, y teniendo en cuenta la normativa y legislación vigente y que se necesita desarrollar, para que este despliegue sea correcto. Para ello, los organismos regulatorios y las comisiones de diferentes países, deben ponerse de acuerdo e investigar cuál será la mejor forma de proporcionar los mejores estándares y facilitar y acelerar los despliegues y puestas en marcha de esta nueva tecnología. Después de llevar a cabo un estudio detallado sobre los requisitos, objetivos y la normativa y estandarización actual, así como el estado del arte de las tecnologías que hoy nos proporcionan los servicios de los que disfrutamos, se han estudiado las barreras y los aspectos favorecedores para la implantación del 5G. Finalmente, y tras este previo estudio, se han detallado los posibles despliegues para esta tecnología y se ha estudiado como afectará al entorno económico y social la utilización de este tipo de redes de comunicaciones móviles. A su vez, se han llegado a las conclusiones finales de que el 5G supondrá toda una revolución, y que todo aquello que favorezca su despliegue e implantación, debe ser bienvenido.Ingeniería Telemátic

Enabling sustainable power distribution networks by using smart grid communications

Smart grid modernization enables integration of computing, information and communications capabilities into the legacy electric power grid system, especially the low voltage distribution networks where various consumers are located. The evolutionary paradigm has initiated worldwide deployment of an enormous number of smart meters as well as renewable energy sources at end-user levels. The future distribution networks as part of advanced metering infrastructure (AMI) will involve decentralized power control operations under associated smart grid communications networks. This dissertation addresses three potential problems anticipated in the future distribution networks of smart grid: 1) local power congestion due to power surpluses produced by PV solar units in a neighborhood that demands disconnection/reconnection mechanisms to alleviate power overflow, 2) power balance associated with renewable energy utilization as well as data traffic across a multi-layered distribution network that requires decentralized designs to facilitate power control as well as communications, and 3) a breach of data integrity attributed to a typical false data injection attack in a smart metering network that calls for a hybrid intrusion detection system to detect anomalous/malicious activities. In the first problem, a model for the disconnection process via smart metering communications between smart meters and the utility control center is proposed. By modeling the power surplus congestion issue as a knapsack problem, greedy solutions for solving such problem are proposed. Simulation results and analysis show that computation time and data traffic under a disconnection stage in the network can be reduced. In the second problem, autonomous distribution networks are designed that take scalability into account by dividing the legacy distribution network into a set of subnetworks. A power-control method is proposed to tackle the power flow and power balance issues. Meanwhile, an overlay multi-tier communications infrastructure for the underlying power network is proposed to analyze the traffic of data information and control messages required for the associated power flow operations. Simulation results and analysis show that utilization of renewable energy production can be improved, and at the same time data traffic reduction under decentralized operations can be achieved as compared to legacy centralized management. In the third problem, an attack model is proposed that aims to minimize the number of compromised meters subject to the equality of an aggregated power load in order to bypass detection under the conventionally radial tree-like distribution network. A hybrid anomaly detection framework is developed, which incorporates the proposed grid sensor placement algorithm with the observability attribute. Simulation results and analysis show that the network observability as well as detection accuracy can be improved by utilizing grid-placed sensors. Conclusively, a number of future works have also been identified to furthering the associated problems and proposed solutions

An Intelligent Transportation System: the Quito City Case Study

Managing traffic in a large city has become a topic of great interest in both politics and science. The costs of poor traffic management have been quantified as losses equal to millions of dollars, not counting the unquantifiable value of the time that a person loses in traffic jams. Intelligent transport systems (ITS) offer a set of innovative solutions specific to the management of different modes of transport. This article focuses on the development of an ITS for the city of Quito that allows smart decision-making to direct heavy haul transporters that want to enter the city via one of its main access routes. Technologies such as Sensor Web Enablement (SWE), in association with the Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) communication protocol, facilitate the development of a vehicular management platform/system capable of sending notifications in real-time and issuing instructions to drivers regarding traffic delays along routes, average speeds, etc. The system supports a network of heterogeneous sensors accessible through the web. It can integrate any device that uses HTTP protocol. Time interval and location range testing have been undertaken to refine the accuracy of the system and make it adaptable to any geographic situation. The system allows communicate with the server through MQTT or through web services, using technologies such as: MongoDB and GeoJSON. One of the most relevant results is that the degree of accuracy of the system is within appropriate ranges when compared to commercial applications such as Google Maps and Waze