Convergent interoperability stack for smart grid ICT infrastructures

Abstract

The "smart grid", i.e., the combination of an infrastructure for the transmission and distribution of electrical energy with a corresponding information and communication technology (ICT) infrastructure, is intended to ensure the stability of the power grid in the future while at the same time enabling the integration of renewable (mostly volatile) energy sources.The basic problem here is primarily the strong heterogeneity of the stakeholders (energy suppliers, grid operators, customers, equipment manufacturers, system operators, authorities, etc.). An ICT infrastructure must enable all these groups to run their respective applications under defined quality conditions (limited latency, required availability, etc.).Despite many standardization efforts, a generic approach (independent of a specific use case) for the interoperability of all these subsystems is still missing. In closed environments such as in home automation, frameworks exist that provide functionalities such as a common data model or consistent addressing for nodes.However, such frameworks are hardly suitable in the highly distributed smart grid. Therefore, this dissertation aims at a lightweight solution without central frameworks. The required middleware functions are to be mapped to a suitable protocol stack, which essentially has an end-to-end characteristic and requires few central services.Thus, an open meta-architecture for a distributed “system of systems” can be created with minimal access barriers for the participating stakeholders. The protocol stack for data exchange between stakeholders must cover the necessary functionality to ensure interoperability of the stakeholders’ applications. The algorithmic base therefore includes data structures as well as state information and protocol sequences.Finally, the used protocol stack is also validated and evaluated in this dissertation, based on concrete scenarios. The evaluation analyses the results of the executed test scenarios with respect to scalability, coupling strength, rights management, concurrency, trust, security, addressing, statefulness, overlay architectures, and virtualization possibilities.

Das "Smart Grid", also die Verbindung einer Infrastruktur zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie mit einer entsprechenden Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) Infrastruktur, soll in Zukunft die Stabilität des Stromnetzes bei gleichzeitiger Integration erneuerbarer (meist volatiler) Energiequellen sicherstellen. Die Grundproblematik dabei ist in erster Linie die starke Heterogenität der Stakeholder (Energieversorger, Netzbetreiber, Endkunden, Gerätehersteller, Anlagenbetreiber, Behörden, etc.). Eine IKT Infrastruktur muss all diesen Gruppen ermöglichen, ihre jeweiligen Applikationen unter definierten Qualitätsbedingungen (maximal erlaubte Latenz, benötigte Verfügbarkeit, etc.) auszuführen.Trotz vieler Bemühungen zur Standardisierung fehlt ein generischer Ansatz (unabhängig von einem konkreten Use Case) zur Interoperabilität all dieser Teilsysteme nach wie vor. In abgeschlossenen Umgebungen wie in der Home Automation existieren Frameworks, die Funktionalitäten wie ein gemeinsames Datenmodell oder eine einheitliche Adressierung für Knoten bereitstellen. Solche Frameworks sind im hochgradig verteilten Smart Grid jedoch kaum geeignet. Die vorliegende Dissertation strebt daher eine leichtgewichtige Lösung ohne zentrale Frameworks an. Dabei sollen die benötigten Middleware-Funktionen über einen geeigneten Protokollstack abgebildet werden, der im Wesentlichen eine End-to-End Charakteristik aufweist und wenige zentrale Services benötigt.Somit kann eine offene Meta-Architektur für ein verteiltes “System of Systems” geschaffen werden, die minimale Zugangshürden für die beteiligen Stakeholder aufweist. Der Protokollstack zum Datenaustausch zwischen den Stakeholdern muss die notwendige Funktionalität abdecken, um Interoperabilität der Applikationen der Stakeholder sicherzustellen. Die Algorithmik beinhaltet daher Datenstrukturen genauso wie Zustandsinformationen und Protokollabläufe.Schließlich wird der verwendete Protokollstack in dieser Dissertation auch anhand von konkreten Szenarien validiert und evaluiert. Die Evaluierung wertet die Ergebnisse der durchgeführten Testszenarien hinsichtlich Skalierbarkeit, Kopplungsstärke, Rechtemanagement, Konkurrenzbedingungen, Vertrauen, Sicherheit, Adressierung, Zustandsbehaftung, Overlay-Architekturen, und Möglichkeiten zur Virtualisierung aus.