Resilient communications in smart grids

Abstract

As redes elétricas, algumas já centenárias, foram concebidas para uma realidade bastante diferente da actual. O facto de terem sido desenhadas para transportar e distribuir a energia de forma unidirecional, torna a infraestrutura rígida, causando problemas em termos de escalabilidade e dificulta a sua evolução. Conhecidas questões ambientais têm levado a que a geração de energia baseada em combustíveis fosseis seja substituída pela geração através de fontes de energia renováveis. Esta situação motivou a criação de incentivos ao investimento nas fontes de energia renováveis, o que levou a que cada vez mais consumidores apostem na microgeração. Estas alterações causaram uma mudança na forma como é feita a produção e distribuição de energia elétrica, com uma aposta crescente na interligação entre as várias fontes ao longo da infraestrutura, tornando a gestão destas redes uma tarefa extremamente complexa. Com o crescimento significativo de consumidores que também podem ser produtores, torna-se essencial uma coordenação cuidada na injeção de energia na rede. Este facto, aliado à crescente utilização de energia elétrica, faz com que a manutenção da estabilidade da rede seja um enorme desafio. As redes inteligentes, ou smart grids, propõem resolver muitos dos problemas que surgiram com esta alteração do paradigma de consumo/produção de energia elétrica. Os componentes da rede passam a comunicar uns com os outros, tornando a rede eléctrica bidirecional, facilitando assim a sua manutenção e gestão. A possibilidade de constante troca de informação entre todos os componentes que constituem a smart grid permite uma reação imediata relativamente às ações dos produtores e consumidores de energia elétrica. No entanto, com esta alteração de paradigma surgiram também muitos desafios. Nomeadamente, a necessidade de comunicação entre os equipamentos existentes nas smart grids leva a que as redes de comunicação tenham de cobrir grandes áreas. Essa complexidade aumenta quando a gestão necessita de ser feita ao nível de cada equipamento e não de forma global. Isto ´e devido ao facto de nas redes de comunicação tradicionais, o plano de controlo e o de dados estarem no mesmo equipamento, o que leva a que o seu controlo seja difícil e propício a erros. Este controlo descentralizado dificulta também a reorganização da rede quando ocorrem faltas pelo facto de não existir um dispositivo que tenha o conhecimento completo da rede. A adaptação rápida a faltas de forma a tornar a comunicação resiliente tem grande importância em redes sensíveis a latência como é o caso da smart grid, pelo que mecanismos eficientes de tolerância a faltas devem ser implementados. As redes definidas por software, ou Software Defined Networks (SDN), surgem como uma potencial solução para estes problemas. Através da separação entre o plano de controlo e o plano de dados, permite a centralização lógica do controlo da rede no controlador. Para tal, é necessário adicionar uma camada de comunicação entre o controlador e os dispositivos de rede, através de um protocolo como o Openflow. Esta separação reduz a complexidade da gestão da rede e a centralização lógica torna possível programar a rede de forma global, de modo a aplicar as políticas pretendidas. Estes fatores tornam a SDN uma soluçãoo interessante para utilizar em smart grids. Esta tese investiga formas de tornar a rede de comunicações empregue numa smart grid resiliente a faltas. Pelas vantagens mencionadas anteriormente, é usada uma solução baseada em SDN, sendo propostos dois módulos essenciais. O primeiro tem como objectivo a monitorização segura da rede, permitindo obter em tempo real métricas como largura de banda, latência e taxa de erro. O segundo módulo trata do roteamento e engenharia de tráfego, utilizando a informação fornecida pelo módulo de monitorização de forma a que os componentes da smart grid comuniquem entre si, garantindo que os requisitos das aplicações são cumpridos. Dada a criticidade da rede elétrica e a importância das comunicações na smart grid, os mecanismos desenvolvidos toleram faltas, quer de tipo malicioso, quer de tipo acidental.

The evolution on how electricity is produced and consumed has made the management of power grids an extremely complex task. Today’s centenary power grids were not designed to fit a new reality where consumers can also be producers, or the impressive increase in consumption caused by more sophisticated and powerful appliances. Smart Grids have been prepared as a solution to cope with this problem, by supporting more sophisticated communications among all the components, allowing the grid to react quickly to changes in both consumption or production of energy. On the other hand, resorting to information and communication technologies (ICT) brings some challenges, namely, managing network devices at this scale and assuring that the strict communication requirements are fulfilled is a dauting task. Software Defined Networks (SDN) can address some of these problems by separating the control and data planes, and logically centralizing network control in a controller. The centralised control has the ability to observe the current state of the network from a vantage point, and programatically react based on that view, making the management task substantially easier. In this thesis we provide a solution for a resilient communications network for Smart Grids based on SDN. As Smart Grids are very sensitive to network issues, such as latency and packet loss, it is important to detect and react to any fault in a timely manner. To achieve this we propose and develop two core modules, a network monitor and a routing and traffic engineering module. The first is a solution for monitoring with the goal to obtain a global view of the current state of the network. The solution is secure, allowing malicious attempts to subvert this module to be detected in a timely manner. This information is then used by the second module to make routing decisions. The routing and traffic engineering module ensures that the communications among the smart grid components are possible and fulfils the strict requirements of the Smart Grid.