Monitoring and analysis of low-voltage network with smart grid architecture model by developing use cases

The objective of this paper is to show the characteristics of smart meters enabling to monitor and analyze the low-voltage (LV) network. This is achieved by developing use cases, where power quality and outage data are transferred from smart meters through distribution network to the control center. To visualize the monitoring process of LV network, the use cases are mapped into smart grid architecture model. The paper proposes a solution to analyze the LV network interruption and power quality problems (over-voltage, under-voltage, voltage sags, and swells). Thus, this paper provides a smart platform for monitoring LV network.© 2021 Authors. This work is licensed under the Creative Commons Attribution-Non-Commercial-NoDerivs 4.0 License https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/.fi=vertaisarvioitu|en=peerReviewed

Exploiting Semantic Technologies in Smart Environments and Grids: Emerging Roles and Case Studies

Semantic technologies are currently spreading across several application domains as a reliable and consistent mean to address challenges related to organization, manipulation, visualization and exchange of data and knowledge. Different roles are actually played by these techniques depending on the application domain, on the timing constraints, on the distributed nature of applications, and so on. This paper provides an overview of the roles played by semantic technologies in the domain of smart grids and smart environments, with a particular focus on changes brought by such technologies in the adopted architectures, programming techniques and tools. Motivations driving the adoption of semantics in these different, but strictly intertwined, fields are introduced using a strong application-driven perspective. Two real-world case studies in smart grids and smart environments are presented to exemplify the roles covered by such technologies and the changes they fostered in software engineering processes. Learned lessons are then distilled and future adoption scenarios discussed

Analysing Integration and Information Security: Enterprise Service Bus Solution for Smart Grid

Electricity is the lifeline of modern society. Without major improvements and new technology, the current electric grid cannot meet the future demand for safe, reliable, sustainable, and affordable electricity. A proposed solution is the Smart Grid that utilises advanced information and communication technologies (ICT). The Smart Grid will help to change the ways electricity is produced and consumed. This thesis focuses on two important areas in the Smart Grid: the integration of existing and new information systems, and the information security of the integration solutions. The Smart Grids and Energy Markets (SGEM) is a project for extensive research on the future of electric energy. As part of the SGEM project, this thesis focuses on the integration of information systems within the distribution domain. Earlier research suggests that concepts such as Service-Oriented Architecture (SOA), Enterprise Service Bus (ESB), and Common Information Model (CIM) are essential for a successful Smart Grid integration. The goal of this work was to study these topics and to provide an integration component to be used in a concrete demonstration environment. The theoretical background section consists of research on various integration architectures and their characteristics, and provides details of their functionality and performance. The integration landscape includes an introduction to the Smart Grid, the electricity distribution domain and related information systems, and the most important standards in the field. An introduction is provided to Microsoft BizTalk Server, the integration platform used in this project. Information security is a key aspect that cross-cuts the entire work. A specific section for related information security aspects is included for each of the discussed topics. The experimental part of this work started from an example ICT architecture and three use cases as described previously within the SGEM project. The use cases are analysed in detail using a data flow approach to define the specific integration and information security requirements. A BizTalk based demonstration environment was designed and implemented. It will serve as a foundation for future work and allow for the integration of other parts of the example architecture. The main result of this work is that, although SOA, ESB, and CIM are beneficial concepts, they are no silver bullet for integration issues. Further, they fundamentally change the approach to information security; this is particularly true for service-orientation. BizTalk offers a viable platform for integration, but, as an ESB, has certain limitations that must be carefully considered. A guideline for implementing the said concepts is offered to aid future integration work. It can be used to lower the barriers for collaboration between experts in the fields of electricity, integration, and information security. Co-operation of the foresaid parties is crucial for building secure, reliable, and efficient integration that will meet the needs of the Smart Grid.Sähköenergia on elintärkeää modernin yhteiskunnan toimivuudelle. Tulevaisuudessa tarvitaan yhä enemmän turvallista, luotettavaa, ympäristön kannalta kestävää ja riittävän edullista sähköenergiaa. Nykyinen sähköverkko vaatii kehittämistä ja merkittäviä parannuksia, jotta se pystyy vastaamaan näihin tarpeisiin. Ratkaisuksi on ehdotettu älykästä sähköverkkoa, Smart Gridiä. Tavoitteena on kehittää uusia tapoja tuottaa ja kuluttaa sähköä hyödyntämällä sähköverkon toteutuksessa laajamittaisesti tieto- ja viestintäteknologioita. Tässä työssä käsitellään kahta Smart Gridin kannalta tärkeää aihetta: tietojärjestelmien integrointia ja tietoturvallisuutta. Smart Grids and Energy Markets (SGEM) -projekti tutkii laaja-alaisesti sähköenergian tulevaisuutta. Osana SGEM-projektia tämä diplomityö keskittyy sähkön jakeluverkon hallinnassa käytettävien tietojärjestelmien integrointiin, sekä siihen liittyvään tietoturvaan. Aiemman tutkimuksen perusteella integraatioratkaisun tärkeimmiksi osa-alueiksi on todettu palveluväylään perustuva palvelupohjainen arkkitehtuuri, sekä kaikille toimijoille yhteinen tietomalli. Tämän työn tavoitteena on tarjota konkreettisia ohjeita ja esimerkkejä mainittujen konseptien hyödyntämisestä. Tarkoitus on demonstroida projektissa aiemmin esitettyä malliarkkitehtuuria rakentamalla testiympäristö ja toteuttamalla siinä tarvittava integraatioratkaisu. Yhtenä päätavoitteena oli tutkia integraation teoriaa ja eri arkkitehtuureja ja esitellä niiden toiminnallisuuden ja suorituskyvyn olennaisia eroja. Monet tahot tarjoavat ohjelmistoalustoja, jotka toimivat eri integraatioarkkitehtuurien käytännön toteutusten pohjana. Toinen päätavoite oli evaluoida erästä integraatio-ohjelmistoa, Microsoftin BizTalk Serveriä. Evaluoinnin pohjana ovat yksityiskohtainen analyysi ja BizTalkiin perustuvan demonstraatioympäristön rakentaminen. Tavoitteena oli toteuttaa tässä ympäristössä yksinkertaisia testejä ja luoda perusta, jota voidaan hyödyntää tulevissa testauksissa. BizTalk-ympäristön tulee mahdollistaa uusien järjestelmien integrointi myöhemmin. Tietoturva tulee ottaa huomioida integrointiprosessin kaikissa vaiheissa. Se on siten koko työtä läpileikkaava aihealue, jota erityisesti painotetaan. Työn ensimmäinen osa esittelee teoreettista taustaa ja toimintaympäristön. Toinen luku esittelee lyhyesti sähköverkon toimintaa lukijoille, joilla ei ole sähköalan taustaa. Olennainen osa on älykkään sähköverkon tietoturva-aspektien käsittely. Smart Grid on ympäristönä ainutlaatuinen yhdistelmä perinteisen tietotekniikan ja automaatioalan järjestelmiä. Laajuutensa ja monimutkaisuutensa vuoksi se on ennennäkemättömän haastava toimintaympäristö tietoturvan kannalta. Automaatiojärjestelmien erityispiirteet, muun muassa reaaliaikavaatimukset, tulee huomioida myös tietoturvan suunnittelussa ja toteutuksessa. Kolmannessa luvussa käsitellään integraation ja eri arkkitehtuurien kehitystä. Luvussa esitellään työn kannalta olennaiset konseptit: palveluorientoitunut arkkitehtuuri (Service-Oriented Architecture, SOA) ja palveluväylä (Enterprise Service Bus, ESB). Samalla käsitellään myös palveluväylän tärkeimmät erot perinteisempään yrityssovellusten integrointiin (Enterprise Application Integration, EAI) verrattuna. Väliohjelmiston (middleware) testaamiseen ja valintaan vaikuttavia asioita sekä tietoturvaa käydään läpi. Tietoturvassa erityisesti palveluorientoituneisuus aiheuttaa suuria muutoksia: monet perinteisessä sovellusarkkitehtuurissa käytetyt tietoturvan toteutusmenetelmät eivät enää ole käyttökelpoisia. Neljäs luku esittelee aluksi tutkimusongelmaa ja toimintaympäristöä eli sähkön jakeluverkon moninaisia tietojärjestelmiä sekä niiden välisiä kommunikaatiotarpeita. Jakeluverkko-operaattorin (Distribution System Operator, DSO) tärkeimmät tietojärjestelmät sekä yhteinen tietomalli (Common Information Model, CIM) esitellään lyhyesti. Lisäksi tärkeimmät standardit ja suositukset käydään läpi, koska niillä on olennainen rooli minkä tahansa laajan ja monimutkaisen järjestelmän kehittämisessä. Tarkastelun näkökulmina ovat Smart Grid, integraatio yleisellä tasolla ja tietoturva Smart Gridissä. Lopuksi esitellään tietovuot ja tietovuokaaviot (Data Flow Diagrams, DFD), jotka tarjoavat hyvän perustan eri järjestelmien välisten tiedonsiirtotarpeiden käsittelyyn ja helpottavat myös tietoturvavaatimusten analysointia. Työssä käytetty integraatioratkaisu, Microsoft BizTalk Server, esitellään viidennessä luvussa. Luvussa kuvataan lyhyesti, mitä BizTalk tekee, mihin sitä voidaan käyttää ja miten se on toteutettu teknisesti. BizTalk on pohjimmiltaan viestinvälitysohjelmisto (message broker). Viestien välityksen toteuttavien komponenttien ja toimintalogiikan esittely antaa hyvän kuvan BizTalkin toiminnasta ja käyttömahdollisuuksista. Toimintalogiikan lisäksi käydään lyhyesti läpi BizTalkin asennus, sovelluskehitys, ajonaikainen ympäristö ja ylläpito. BizTalk on kehitetty alun perin EAI-tuotteeksi, mutta ESB Toolkit -laajennuksen avulla sitä voidaan käyttää myös ESB-palveluväylän rakentamisen perustana. ESB Toolkitin kehitys ja toiminnallisuus käydään läpi. Lopuksi käsitellään myös BizTalkin tietoturvaominaisuuksia. Kuten monet väliohjelmistot ja integraatiotuotteet, BizTalk on monimutkainen ohjelmistokokonaisuus. On syytä korostaa, että sen syvällinen tuntemus vaatii huomattavaa kokemusta. Yhden diplomityön puitteissa BizTalk voidaan esitellä vain pintapuolisesti. Työn toinen osa kuvaa esimerkkiarkkitehtuurin, rakennetun testiympäristön ja testauksen pohjana toimineet kolme käyttötapausesimerkkiä. Arkkitehtuuri ja käyttötapaukset pohjautuvat SGEM-projektissa aiemmin saatuihin tuloksiin. Testiympäristön tarkoituksena on toteuttaa osa malliarkkitehtuurista, tämän työn tavoittena on erityisesti integraatiokomponenttina toimivan BizTalk-pohjaisen palveluväylän toteutus. Testiympäristö ei siis sisällä kaikkia malliarkkitehtuurin osia, ja siihen tulee voida myöhemmin lisätä uusia järjestelmiä. Käyttötapaukset toimivat esimerkkeinä, ja uusia käyttötapauksia tulee voida jatkossa testata demonstraatioympäristön avulla. Testiosuus perustuu käyttötapausten yksityiskohtaiseen analysointiin ja toteutukseen siinä määrin kuin se on testiympäristössä mahdollista. Analysoinnin lähtökohtana perehdyttiin integroitavien järjestelmien välisiin tiedonsiirtotarpeisiin jokaisen eri käyttötapauksissa. Tiedonsiirtoa havainnollistettiin tietovuokaavioiden avulla. Tietovuot ovat hyödyllinen apuväline myös integrointiin liittyvien tietoturvariskien ja -vaatimusten analysoinnissa. Työn kolmannessa osassa käydään läpi tulokset ja johtopäätökset. Testiympäristöä rakennettaessa ja käyttötapauksia analysoitaessa kävi ilmi, että kokonaisuudessa on vielä suuria puutteita. Testiympäristön integraatiokomponentti eli BizTalk asennettiin ja sillä suoritettiin yksinkertaisia testejä. Käyttötapausten toteutus jäi puutteelliseksi osaltaan siksi, että ympäristön monia muita järjestelmiä ei ollut saatavilla. Kuitenkin jo käyttötapausten analysointivaihe toi ilmi monia ongelmakohtia. Havaitut ongelmat ja niihin liittyvät kehitysehdotukset on käyty läpi käyttötapauskohtaisesti seitsemännessä luvussa. Kahdeksas luku esittelee käyttötapausten analysoinnista opittuihin asioihin pohjautuvan ohjeistuksen, jota voidaan käyttää tulevien käyttötapausten suunnittelussa. Yhdessä BizTalk-luvun teorian ja asennetun BizTalk-ympäristön kanssa ohjeistus helpottaa ympäristön jatkokehitystä. Ohjeiden mukaisen prosessin avulla uusien käyttötapausten analysointi ja suunnittelu ja sitä kautta tietoturvallisen integraation rakentaminen helpottuu. Jakeluverkon tietojärjestelmien turvallinen ja toimiva integraatio on älykkään sähköverkon toteutuksen avaintekijöitä. Palveluorientoitunut arkkitehtuuri, palveluväylä sekä yhteinen tietomalli voivat tarjota ratkaisuja integraation haasteisiin. Johtopäätöksenä voidaan kuitenkin todeta, että ne vaativat merkittäviä muutoksia sekä ajatusmalleissa että ohjelmistojen ja integraation toteutustavoissa. Ne eivät ole integraation hopealuoteja eivätkä olemassa olevan arkkitehtuurin päälle liimattavia komponentteja, jotka ratkaisisivat integraatio-ongelmat. Lisäksi erityisesti palveluorientoituneisuus vie pohjan monilta pitkään käytössä olleilta tietoturvan toteutustavoilta ja vaatii uutta ajattelua myös tietoturvaratkaisuihin. Olennaisen tärkeää on ymmärtää palveluväylän erot perinteisempiin integraatioratkaisuihin nähden ja verrata näitä toteutusvaihtoehtoja integraatiolle asetettuihin vaatimuksiin. Jakeluverkko-operaattorin tietojärjestelmät ovat monoliittisia, eivätkä ne välittömästi muutu palvelupohjaisiksi. Ala kehittyy muutenkin hitaasti muun muassa sähköverkon toiminnan kriittisyyden vuoksi. Lisäksi toimintaympäristö pysyy suhteellisen samanlaisena, vaikka muutokset tulevaisuudessa lienevätkin aiempaa nopeampia. Tällaisessa ympäristössä myös perinteinen, monoliittinen viestinvälityspalvelin saattaa olla hyvä integraatioratkaisu. Integraatioratkaisut kehittyvät kohti palvelupohjaisuutta ja dynaamisen palveluväylän hyödyntämistä, mutta käytännön toteutuksen vaatimat merkittävät muutokset tulee ymmärtää ja huomioida. Tämän työn perusteella ESB-pohjaisen palveluorientoituneen integraatioratkaisun käyttöönotto sähkön jakeluverkkoympäristössä vaatii huomattavaa jatkokehitystä. Työn teoriaosuus toimii johdantona aiheeseen, ja tuloksena kehitetty ohjeellinen prosessi tarjoaa perustan käytännön toteutuksen kehittämiseen

A comparative study on multi-agent and service-oriented microgrid automation systems from energy internet perspective

The current advancements of energy, information, communication, and automation technologies and their integration have provided ways for the energy industry to transform into cleaner energy systems. This transition has contributed to the concept called energy internet. The recent energy technologies provide clean energy generation, storage and demand response through distributed energy resources. Information, communication, and automation technologies aim to provide supporting software tools and enabling mechanisms to automate the operation and control of those resources in a coordinated way. Thus, researchers and the software industry are developing software frameworks and platforms to support energy system automation. Commonly, most of the frameworks follow the design principles of either multi-agent systems (MAS) or service-oriented architecture (SOA). However, there are many frameworks and no straightforward criteria to select which one to implement in energy systems’ automation applications to fulfill the energy internet vision. This study provides a conceptual investigation of MAS- and SOA-based software solutions by designing a use case for microgrid application automation considering its expansion for enabling energy internet. Two software frameworks, RIAPS and Arrowhead, have been selected as the candidates of MAS and SOA from the literature study. This study shows that neither MAS or SOA approach alone might not meet the requirements of microgrid automation and energy internet. Consequently, a combined approach of MAS and SOA is proposed.publishedVersionPeer reviewe

Context-awareness and the smart grid: Requirements and challenges

New intelligent power grids (smart grids) will be an essential way of improving efficiency in power supply and power consumption, facilitating the use of distributed and renewable resources on the supply side and providing consumers with a range of tailored services on the consumption side. The delivery of efficiencies and advanced services in a smart grid will require both a comprehensive overlay communications network and flexible software platforms that can process data from a variety of sources, especially electronic sensor networks. Parallel developments in autonomic systems, pervasive computing and context-awareness (relating in particular to data fusion, context modelling, and semantic data) could provide key elements in the development of scalable smart grid data management systems and applications that utilise a multi-technology communications network. This paper describes: (1) the communications and data management requirements of the emerging smart grid, (2) state-of-the-art techniques and systems for context-awareness and (3) a future direction towards devising a context-aware middleware platform for the smart grid, as well as associated requirements and challenges

Scenarios for the development of smart grids in the UK: literature review

Smart grids are expected to play a central role in any transition to a low-carbon energy future, and much research is currently underway on practically every area of smart grids. However, it is evident that even basic aspects such as theoretical and operational definitions, are yet to be agreed upon and be clearly defined. Some aspects (efficient management of supply, including intermittent supply, two-way communication between the producer and user of electricity, use of IT technology to respond to and manage demand, and ensuring safe and secure electricity distribution) are more commonly accepted than others (such as smart meters) in defining what comprises a smart grid. It is clear that smart grid developments enjoy political and financial support both at UK and EU levels, and from the majority of related industries. The reasons for this vary and include the hope that smart grids will facilitate the achievement of carbon reduction targets, create new employment opportunities, and reduce costs relevant to energy generation (fewer power stations) and distribution (fewer losses and better stability). However, smart grid development depends on additional factors, beyond the energy industry. These relate to issues of public acceptability of relevant technologies and associated risks (e.g. data safety, privacy, cyber security), pricing, competition, and regulation; implying the involvement of a wide range of players such as the industry, regulators and consumers. The above constitute a complex set of variables and actors, and interactions between them. In order to best explore ways of possible deployment of smart grids, the use of scenarios is most adequate, as they can incorporate several parameters and variables into a coherent storyline. Scenarios have been previously used in the context of smart grids, but have traditionally focused on factors such as economic growth or policy evolution. Important additional socio-technical aspects of smart grids emerge from the literature review in this report and therefore need to be incorporated in our scenarios. These can be grouped into four (interlinked) main categories: supply side aspects, demand side aspects, policy and regulation, and technical aspects.

Novel processes for smart grid information exchange and knowledge representation using the IEC common information model

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.The IEC Common Information Model (CIM) is of central importance in enabling smart grid interoperability. Its continual development aims to meet the needs of the smart grid for semantic understanding and knowledge representation for a widening domain of resources and processes. With smart grid evolution the importance of information and data management has become an increasingly pressing issue not only because far more data is being generated using modern sensing, control and measuring devices but also because information is now becoming recognised as the ‘integral component’ that facilitates the optimal flexibility required of the smart grid. This thesis looks at the impacts of CIM implementation upon the landscape of smart grid issues and presents research from within National Grid contributing to three key areas in support of further CIM deployment. Taking the issue of Enterprise Information Management first, an information management framework is presented for CIM deployment at National Grid. Following this the development and demonstration of a novel secure cloud computing platform to handle such information is described. Power system application (PSA) models of the grid are partial knowledge representations of a shared reality. To develop the completeness of our understanding of this reality it is necessary to combine these representations. The second research contribution reports on a novel methodology for a CIM-based model repository to align PSA representations and provide a knowledge resource for building utility business intelligence of the grid. The third contribution addresses the need for greater integration of information relating to energy storage, an essential aspect of smart energy management. It presents the strategic rationale for integrated energy modeling and a novel extension to the existing CIM standards for modeling grid-scale energy storage. Significantly, this work has already contributed to a larger body of work on modeling Distributed Energy Resources currently under development at the Electric Power Research Institute (EPRI) in the USA.Dr. Martin Bradley on behalf of National Grid Plc. and the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC

Developing a Digital Twin at Building and City Levels: A Case Study of West Cambridge Campus

A digital twin (DT) refers to a digital replica of physical assets, processes, and systems. DTs integrate artificial intelligence, machine learning, and data analytics to create living digital simulation models that are able to learn and update from multiple sources as well as represent and predict the current and future conditions of physical counterparts. However, current activities related to DTs are still at an early stage with respect to buildings and other infrastructure assets from an architectural and engineering/construction point of view. Less attention has been paid to the operation and maintenance (O&M) phase, which is the longest time span in the asset life cycle. A systematic and clear architecture verified with practical use cases for constructing a DT would be the foremost step for effective operation and maintenance of buildings and cities. According to current research about multitier architectures, this paper presents a system architecture for DTs that is specifically designed at both the building and city levels. Based on this architecture, a DT demonstrator of the West Cambridge site of the University of Cambridge in the UK was developed that integrates heterogeneous data sources, supports effective data querying and analysis, supports decision-making processes in O&M management, and further bridges the gap between human relationships with buildings/cities. This paper aims at going through the whole process of developing DTs in building and city levels from the technical perspective and sharing lessons learned and challenges involved in developing DTs in real practices. Through developing this DT demonstrator, the results provide a clear roadmap and present particular DT research efforts for asset management practitioners, policymakers, and researchers to promote the implementation and development of DT at the building and city levels