Software Defined Networks based Smart Grid Communication: A Comprehensive Survey

The current power grid is no longer a feasible solution due to ever-increasing user demand of electricity, old infrastructure, and reliability issues and thus require transformation to a better grid a.k.a., smart grid (SG). The key features that distinguish SG from the conventional electrical power grid are its capability to perform two-way communication, demand side management, and real time pricing. Despite all these advantages that SG will bring, there are certain issues which are specific to SG communication system. For instance, network management of current SG systems is complex, time consuming, and done manually. Moreover, SG communication (SGC) system is built on different vendor specific devices and protocols. Therefore, the current SG systems are not protocol independent, thus leading to interoperability issue. Software defined network (SDN) has been proposed to monitor and manage the communication networks globally. This article serves as a comprehensive survey on SDN-based SGC. In this article, we first discuss taxonomy of advantages of SDNbased SGC.We then discuss SDN-based SGC architectures, along with case studies. Our article provides an in-depth discussion on routing schemes for SDN-based SGC. We also provide detailed survey of security and privacy schemes applied to SDN-based SGC. We furthermore present challenges, open issues, and future research directions related to SDN-based SGC.Comment: Accepte

On application of least-delay variation problem in ethernet networks using SDN concept

The goal of this paper is to present an application idea of SDN in Smart Grids, particularly, in the area of L2 multicast as defined by IEC 61850-9-2. Authors propose an Integer Linear Formulation (ILP) dealing with a Least-Delay-Variation multicast forwarding problem that has a potential to utilize Ethernet networks in a new way. The proposed ILP formulation is numerically evaluated on random graph topologies and results are compared to a shortest path tree approach that is traditionally a product of Spanning Tree Protocols. Results confirm the correctness of the ILP formulation and illustrate dependency of a solution quality on the selected graph models, especially, in a case of scale-free topologies

Internet of Things-aided Smart Grid: Technologies, Architectures, Applications, Prototypes, and Future Research Directions

Traditional power grids are being transformed into Smart Grids (SGs) to address the issues in existing power system due to uni-directional information flow, energy wastage, growing energy demand, reliability and security. SGs offer bi-directional energy flow between service providers and consumers, involving power generation, transmission, distribution and utilization systems. SGs employ various devices for the monitoring, analysis and control of the grid, deployed at power plants, distribution centers and in consumers' premises in a very large number. Hence, an SG requires connectivity, automation and the tracking of such devices. This is achieved with the help of Internet of Things (IoT). IoT helps SG systems to support various network functions throughout the generation, transmission, distribution and consumption of energy by incorporating IoT devices (such as sensors, actuators and smart meters), as well as by providing the connectivity, automation and tracking for such devices. In this paper, we provide a comprehensive survey on IoT-aided SG systems, which includes the existing architectures, applications and prototypes of IoT-aided SG systems. This survey also highlights the open issues, challenges and future research directions for IoT-aided SG systems

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

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