Quality of service-based (QoS-Based) routing for smart grid applications

Abstract

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.