Recently, the increasingly growing population and diminishing power resources have
threatened the electric utilities in generating and distributing the necessary electricity and
forced them finding new ways to generate the electricity with renewable energy resources.
The imbalance between power demand and supply is one of the problems of the electric
utilities, since generating electricity more than the actual necessity may result in huge
electricity lost due to the non-existence of the advanced electricity storage options. In
addition to the imbalance between power demand and supply, the equipment failures and
the lack of comprehensive monitoring and control capabilities are other important signs
to take incremental steps for switching to a smarter power grid with effective communication,
automation and monitoring skills. This new concept is conceived as smart grid,
which is a modern power grid system with advanced communication, monitoring, sensing
and control capabilities.
In general, smart grid is a distributed system that many of its components are spread
over a wide range of area. Thus, a reliable communication and coordination between
distributed components of the smart grid is required for the safety and reliability of the
power delivery system. To this end, effective management and reliable operation of smart
grid can be achieved with the installation of wireless sensor nodes on the critical power
grid equipment. In these systems, collected sensor data can be used to diagnose arising
problems quickly, and hence, system breakdowns due to the cascading effect initiated by
a single fault in the power grids can be prevented.
The main objective of this thesis is to analyze the behavior of a multi-path and multispeed
(MMSPEED) routing protocol in different line-of-sight (LOS) and non-line-ofsight
(NLOS) smart power grid environments, e.g., 500kV outdoor substation, main power
control room and underground network transformer vaults. MMSPEED routing protocol
is a novel packet routing mechanism that guarantees QoS provisioning in two quality domains,
e.g., reliability and timeliness domains. It provides several packet delivery options
for timeliness domain and probabilistic multi-path forwarding for reliability domain. Furthermore, a comparison has been made for multi-path and single-path routing algorithms
to see the performance for achieving service differentiation in different smart grid environment
which has harsh environmental conditions that posse additional challenges for
WSN technology to provide reliability and latency requirements. Hence, the wireless
channel should be modelled by taking account multiple parameters that can affect the
signal quality. Since log-normal shadowing model takes into account both fading and
distance affects in the surrounding of transmitters and receivers, it is the preferred propagation
model in this thesis. From the extensive simulations, the presented algorithm
provides a clear service differentiation in smart grid environments.
Günümüzde, hızla artan nüfus ve tükenmekte olan enerji kaynakları, elektriğin yeteri
oranda üretilmesini ve herkese ulaşabilmesi önündeki en büyük tehditlerden birisidir. Bu
sebeple, yenilenebilir enerji kaynaklarının sisteme entegre edilebilmesi için çalışmalar
hızla sürmektedir. Elektrik üretimi ve harcanmasındaki arz ve talep eşitsizliği, elektrik
şirketlerinin en büyük sorunlarından birisidir. Gerçek zamanlı elektrik tüketiminin
bilinmemesi, elektriğin fazladan üretilmesine, ve elektrik saklanamadığı için, kullanım
fazlasının boşa gitme riski vardır. Elektrik sisteminin çok eski olması, sürekli arızalar
çıkarması çok büyük tehdit unsurlarından bir kaçıdır. Bu nedenle, daha akıllı, yeni iletişim
teknolojileri ile donatılmış akıllı şebekeye geçiş yapılmalıdır.
Akıllı şebeke sistemi yapı itibariyle dağıtıktır ve bir çok elemanı çok geniş bir coğrafik
alana yayılmıştır. Bu nedenle, bu kadar geniş alana yayılmış sistem parçalarının gözlenmesi,
aralarındaki alışverişin güvenilir bir şekilde yapılıp yapılmadığının anlaşılması için,
kullanılacak iletişim teknolojisinin çok özenli bir şekilde seçilmesi gerekmektedir. Kablosuz
algılayıcı ağlar (KAA) akıllı şebeke sistemi için gelecek vadeden bir teknolojidir.
KAA’ların iletişim maliyetlerini düşürmesi nedeniyle dünya genelinde, akıllı şebeke sistemini
hayata geçirmek için telekom şirketleri, elektrik dağıtım şirketleri ortaklaşa bir çok
çalışma yürütmektedirler. Bu çalışmalarda telekom şirketlerinin iletişim altyapısını kullanan
akıllı sayaçlar ve ev aletleri gibi bir çok akıllı cihaz elektrik şirketleri ile iletişime
geçerek veri alışverişinde bulunmaktadır. Elektrik dağıtım şirketleri de toplanan bu verilerin
analizini yaparak akıllı şebekenin sağladığı çift yönlü iletişim hattı ile bu cihazlara
geri bildirimde bulunmaktadır. Bu geribildirimler günlük elektrik kullanımı, anlık
kullanım ücreti gibi veriler içerebilmektedir. Hatta, akıllı sayaçlar ¨üzerinden yapılan
bu çift yönlü veri alışverişi sayesinde yasal olmayan kullanımlar tespit edilerek, anında
müdahale ile elektrik sayaçlarının kapatılması ve elektrik kaçaklarının önlenebilmesi dahi mümkün olabilmektedir. İletişim becerileri kısıtlı ve enerji açlığı çeken düğüm noktalarının
bulunduğu KAA’larda bilginin doğru yönlendirilmesi çözülmesi gereken çok
büyük bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu yönlendirme problemini çözmek
için geliştirilmiş pek çok yöntem de bu iddiamızı destekler niteliktedir. Düğüm noktalarının
yerleşimi, KAA’nın enerji tüketimi, iletişim kanalındaki asimetri, hata toleransı,
genişletilebilirlik ve servis kalitesi olarak özetlenebilecek pek çok etken yönlendirme algoritması
tasarımı sırasında gözönünde bulundurulmalıdır.
Bu tezde, akıllı şebeke ortamında kullanılan ve servis farklılaştırılmasını başarılı bir şekilde
sağlayan, çok-yollu ve tek-yollu yönlendirme algoritmasınının analizini yapıyoruz. Önerilen
yönlendirme algoritması başarılı bir şekilde veri paketlerini güvenilir ve zamanında olmak
üzere taşımayı başarabilmiştir. Yapılan birçok deneysel sonuçla ve çizilen grafiklerle bu
başarı detaylı bir şekilde anlatılmıştır. MMSPEED adı verilen bu yönlendirme algoritması
farklı paket iletim seçenekleri sunarken, aynı zamanda çok-yönlü iletim sağlayarak
güvenilirliği arttırmaktadır. Ayrıca, çok-yönlü ve tek yönlü yönlendirme algoritmalarının
akıllı şebeke ortamındaki performans değerlendirmesi de yapılmıştır. Log normal shadowing
kanal modeli kullanılarak bütün performans sonuçları değerlendirilmiştir.
