Operation of Modular Smart Grid Applications Interacting through a Distributed Middleware

IoT-functionality can broaden the scope of distribution system automation in terms of functionality and communication. However, it also poses risks regarding resource consumption and security. This article presents a field approved IoT-enabled smart grid middleware, which allows for flexible deployment and management of applications within smart grid operation. In the first part of the work, the resource consumption of the middleware is analyzed and current memory bottlenecks are identified. The bottlenecks can be resolved by introducing a new entity that allows to dynamically load multiple applications within one JVM. The performance was experimentally tested and the results suggest that its application can significantly reduce the applications' memory footprint on the physical device. The second part of the study identifies and discusses potential security threats, with a focus on attacks stemming from malicious software applications within the framework. In order to prevent such attacks a proxy based prevention mechanism is developed and demonstrated

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

Cellular networks for smart grid communication

The next-generation electric power system, known as smart grid, relies on a robust and reliable underlying communication infrastructure to improve the efficiency of electricity distribution. Cellular networks, e.g., LTE/LTE-A systems, appear as a promising technology to facilitate the smart grid evolution. Their inherent performance characteristics and well-established ecosystem could potentially unlock unprecedented use cases, enabling real-time and autonomous distribution grid operations. However, cellular technology was not originally intended for smart grid communication, associated with highly-reliable message exchange and massive device connectivity requirements. The fundamental differences between smart grid and human-type communication challenge the classical design of cellular networks and introduce important research questions that have not been sufficiently addressed so far. Motivated by these challenges, this doctoral thesis investigates novel radio access network (RAN) design principles and performance analysis for the seamless integration of smart grid traffic in future cellular networks. Specifically, we focus on addressing the fundamental RAN problems of network scalability in massive smart grid deployments and radio resource management for smart grid and human-type traffic. The main objective of the thesis lies on the design, analysis and performance evaluation of RAN mechanisms that would render cellular networks the key enabler for emerging smart grid applications. The first part of the thesis addresses the radio access limitations in LTE-based networks for reliable and scalable smart grid communication. We first identify the congestion problem in LTE random access that arises in large-scale smart grid deployments. To overcome this, a novel random access mechanism is proposed that can efficiently support real-time distribution automation services with negligible impact on the background traffic. Motivated by the stringent reliability requirements of various smart grid operations, we then develop an analytical model of the LTE random access procedure that allows us to assess the performance of event-based monitoring traffic under various load conditions and network configurations. We further extend our analysis to include the relation between the cell size and the availability of orthogonal random access resources and we identify an additional challenge for reliable smart grid connectivity. To this end, we devise an interference- and load-aware cell planning mechanism that enhances reliability in substation automation services. Finally, we couple the problem of state estimation in wide-area monitoring systems with the reliability challenges in information acquisition. Using our developed analytical framework, we quantify the impact of imperfect communication reliability in the state estimation accuracy and we provide useful insights for the design of reliability-aware state estimators. The second part of the thesis builds on the previous one and focuses on the RAN problem of resource scheduling and sharing for smart grid and human-type traffic. We introduce a novel scheduler that achieves low latency for distribution automation traffic while resource allocation is performed in a way that keeps the degradation of cellular users at a minimum level. In addition, we investigate the benefits of Device-to-Device (D2D) transmission mode for event-based message exchange in substation automation scenarios. We design a joint mode selection and resource allocation mechanism which results in higher data rates with respect to the conventional transmission mode via the base station. An orthogonal resource partition scheme between cellular and D2D links is further proposed to prevent the underutilization of the scarce cellular spectrum. The research findings of this thesis aim to deliver novel solutions to important RAN performance issues that arise when cellular networks support smart grid communication.Las redes celulares, p.e., los sistemas LTE/LTE-A, aparecen como una tecnología prometedora para facilitar la evolución de la próxima generación del sistema eléctrico de potencia, conocido como smart grid (SG). Sin embargo, la tecnología celular no fue pensada originalmente para las comunicaciones en la SG, asociadas con el intercambio fiable de mensajes y con requisitos de conectividad de un número masivo de dispositivos. Las diferencias fundamentales entre las comunicaciones en la SG y la comunicación de tipo humano desafían el diseño clásico de las redes celulares e introducen importantes cuestiones de investigación que hasta ahora no se han abordado suficientemente. Motivada por estos retos, esta tesis doctoral investiga los principios de diseño y analiza el rendimiento de una nueva red de acceso radio (RAN) que permita una integración perfecta del tráfico de la SG en las redes celulares futuras. Nos centramos en los problemas fundamentales de escalabilidad de la RAN en despliegues de SG masivos, y en la gestión de los recursos radio para la integración del tráfico de la SG con el tráfico de tipo humano. El objetivo principal de la tesis consiste en el diseño, el análisis y la evaluación del rendimiento de los mecanismos de las RAN que convertirán a las redes celulares en el elemento clave para las aplicaciones emergentes de las SGs. La primera parte de la tesis aborda las limitaciones del acceso radio en redes LTE para la comunicación fiable y escalable en SGs. En primer lugar, identificamos el problema de congestión en el acceso aleatorio de LTE que aparece en los despliegues de SGs a gran escala. Para superar este problema, se propone un nuevo mecanismo de acceso aleatorio que permite soportar de forma eficiente los servicios de automatización de la distribución eléctrica en tiempo real, con un impacto insignificante en el tráfico de fondo. Motivados por los estrictos requisitos de fiabilidad de las diversas operaciones en la SG, desarrollamos un modelo analítico del procedimiento de acceso aleatorio de LTE que nos permite evaluar el rendimiento del tráfico de monitorización de la red eléctrica basado en eventos bajo diversas condiciones de carga y configuraciones de red. Además, ampliamos nuestro análisis para incluir la relación entre el tamaño de celda y la disponibilidad de recursos de acceso aleatorio ortogonales, e identificamos un reto adicional para la conectividad fiable en la SG. Con este fin, diseñamos un mecanismo de planificación celular que tiene en cuenta las interferencias y la carga de la red, y que mejora la fiabilidad en los servicios de automatización de las subestaciones eléctricas. Finalmente, combinamos el problema de la estimación de estado en sistemas de monitorización de redes eléctricas de área amplia con los retos de fiabilidad en la adquisición de la información. Utilizando el modelo analítico desarrollado, cuantificamos el impacto de la baja fiabilidad en las comunicaciones sobre la precisión de la estimación de estado. La segunda parte de la tesis se centra en el problema de scheduling y compartición de recursos en la RAN para el tráfico de SG y el tráfico de tipo humano. Presentamos un nuevo scheduler que proporciona baja latencia para el tráfico de automatización de la distribución eléctrica, mientras que la asignación de recursos se realiza de un modo que mantiene la degradación de los usuarios celulares en un nivel mínimo. Además, investigamos los beneficios del modo de transmisión Device-to-Device (D2D) en el intercambio de mensajes basados en eventos en escenarios de automatización de subestaciones eléctricas. Diseñamos un mecanismo conjunto de asignación de recursos y selección de modo que da como resultado tasas de datos más elevadas con respecto al modo de transmisión convencional a través de la estación base. Finalmente, se propone un esquema de partición de recursos ortogonales entre enlaces celulares y D2Postprint (published version

Information-centric networking for machine-to-machine data delivery: A case study in smart grid applications

Largely motivated by the proliferation of content-centric applications in the Internet, information-centric networking has attracted the attention of the research community. By tailoring network operations around named information objects instead of end hosts, ICN yields a series of desirable features such as the spatiotemporal decoupling of communicating entities and the support of in-network caching. In this article, we advocate the introduction of such ICN features in a new, rapidly transforming communication domain: the smart grid. With the rapid introduction of multiple new actors, such as distributed (renewable) energy resources and electric vehicles, smart grids present a new networking landscape where a diverse set of multi-party machine-to-machine applications are required to enhance the observability of the power grid, often in real time and on top of a diverse set of communication infrastructures. Presenting a generic architectural framework, we show how ICN can address the emerging smart grid communication challenges. Based on real power grid topologies from a power distribution network in the Netherlands, we further employ simulations to both demonstrate the feasibility of an ICN solution for the support of real-time smart grid applications and further quantify the performance benefits brought by ICN against the current host-centric paradigm. Specifically, we show how ICN can support real-time state estimation in the medium voltage power grid, where high volumes of synchrophasor measurement data from distributed vantage points must be delivered within a very stringent end-to-end delay constraint, while swiftly overcoming potential power grid component failures. © 1986-2012 IEEE

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

Efficient design assessment in the railway electric infrastructure domain using cloud computing

Nowadays, railway infrastructure designers rely heavily on computer simulators and expert systems to model, analyze and evaluate potential deployments prior to their installation. This paper presents the railway power consumption simulator model (RPCS), a cloud-based model for the design, simulation and evaluation of railway electric infrastructures. This model integrates the parameters of an infrastructure within a search engine that generates and evaluates a set of simulations to achieve optimal designs, according to a given set of objectives and restrictions. The knowledge of the domain is represented as an ontology that translates the elements in the infrastructure into an electric circuit, which is simulated to obtain a wide range of electric metrics. In order to support the execution of thousands of scenarios in a scalable, efficient and fault-tolerant manner, this paper introduces an architecture to deploy the model in a cloud environment, and a dimensioning model to find the types and number of instances that maximize performance while minimizing the externalization costs. The resulting model is applied to a particular case study, allowing the execution of over one thousand concurrent experiments in a virtual cluster on the Amazon Elastic Compute Cloud.This work has been partially funded under the grant TIN2013-41350-P of the Spanish Ministry of Economics and Competitiveness, and the COST Action IC1305 ”Network for Sustainable Ultrascale Computing Platforms” (NESUS)