Tesis:
Contribution to the design, implementation and standardization of semantic middleware architectures for the Smart Grid
- Autor: RODRÍGUEZ MOLINA, Jesús
- Título: Contribution to the design, implementation and standardization of semantic middleware architectures for the Smart Grid
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
- Departamentos: INGENIERIA TELEMATICA Y ELECTRONICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/47152/
- Director/a 1º: MARTÍNEZ ORTEGA, José Fernán
- Resumen: La Red Eléctrica Inteligente, concebida como el tendido eléctrico mejorado con las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones dirigidas a optimizar el consumo de electricidad, permitir una participación bidireccional en la energía suministrada y mejorar la red eléctrica con características como la Respuesta ante la Demanda, Gestión de la Demanda o el Flujo de Potencia Óptimo, se está convirtiendo en uno de los sistemas ciberfísicos más convincentes desarrollado actualmente. Su capacidad para aumentar la energía utilizable de manera sostenible, así como obtener más información sobre su utilidad real, hace posible la mejora del nivel de vida de muchas personas en todo el mundo de una manera más transparente y abierta. Además, al poder integrar la relativamente pequeña potencia suministrada por fuentes de energía renovable aportadas por los usuarios finales que participan en la Red Eléctrica Inteligente (que se convierten en "prosumidores", ya que ambos producen y consumen electricidad), democratiza el acceso a la energía y permite un mayor grado de competitividad entre los actores tradicionales de los mercados energéticos y los recién llegados, garantizando así la mejora general de los servicios que pueden aportar las empresas de utilidades. Sin embargo, todavía hay muchas cuestiones abiertas que deben ser resueltas antes de utilizar completamente el potencial de la Red Eléctrica Inteligente en nuestro beneficio. Entre estas cuestiones, la interoperabilidad de los dispositivos instalados es una de los principales. El equipo que se utiliza en los despliegues de este tipo (Infraestructura de Medición Avanzada, Unidades de Medida de Fasores, Unidades Terminales Remotas, etc.) es fabricado por diferentes compañías con diferentes conocimientos e intereses. Por tanto, la implementación de sus productos tiene a menudo diferentes formas de transmitir información o incluso soluciones propietarias con un bajo grado de compatibilidad con otros dispositivos. De alguna manera, el statu quo es similar a la situación de las redes de ordenadores antes de que se publicaran los primeros estándares: un conjunto de fabricantes ofrecen sus propias soluciones para proporcionar servicios y conectividad, pero tienen problemas al cooperar con los desarrolladores de otros fabricantes de equipos que pueden tener diferentes perspectivas sobre las tecnologías que se pueden utilizar para la transmisión de datos. Aparte de eso, los servicios que deberían estar disponibles para una Red Eléctrica Inteligente o una de sus contrapartes de menor escala (microrred, nanorred) no están claros, ni en términos de qué servicios deben ser o dónde deben estar ubicados. Si bien hay algunas funcionalidades de alto nivel que generalmente se consideran casi obligatorias (las anteriormente mencionadas Gestión de Lado de la Demanda, registro de dispositivos, Respuesta a la Demanda, Flujo Óptimo de Potencia), otras facilidades centradas en datos se describen de una manera más vaga. Las especificaciones de seguridad, la existencia de capacidades semánticas, cómo acceder a las capacidades en un despliegue específico o incluso cómo los dispositivos de hardware se integran no se describen con suficiente detalle. Esta cuestión pone en peligro el objetivo principal de instalar y desarrollar componentes en esta área de conocimiento, ya que dificulta una mayor integración de tanto sistemas heredados que pueden haber sido utilizados por las grandes empresas de utilidades durante mucho tiempo como nuevos desarrollos realizados por empresas más pequeñas que quieren desempeñar un papel en la Smart Grid. Afortunadamente, muchos de estos retos pueden resolverse mediante la implementación de una capa de software ubicada entre las aplicaciones que se pueden incluir para el beneficio de los usuarios finales y el hardware y la infraestructura de red instalada para el intercambio de datos binarios y de paquetes. Esta capa de software, comúnmente referida como middleware, tiene como objetivo principal abstraer la heterogeneidad y complejidad de los componentes de hardware distribuidos subyacentes, de manera que ofrecerá a la capa alta y más basada en aplicaciones una colección de facilidades de aspecto homogéneo y centralizado, comúnmente conformada como una Interfaz de Programación de Aplicaciones a la que pueden acceder los desarrolladores de aplicaciones. El middleware es una herramienta de software muy útil para sistemas distribuidos y ciberfísicos porque permite la integración de casi cualquier tipo de dispositivo, ya sea añadiendo componentes de software en el propio dispositivo o en otra parte del sistema, la cual debe ser lo suficientemente abierta para tener los componentes instalados, o bien debe tener las capacidades de computación necesarias para tener esos componentes instalados. La principal contribución original al conocimiento de esta tesis doctoral es ofrecer una propuesta para un modelo de arquitectura de middleware semántico para la Red Eléctrica Inteligente, basado en componentes software para soluciones distribuidas. Este modelo está destinado a ser utilizado en cualquier tipo de despliegue relacionado con la Red Eléctrica Inteligente, así como a proporcionar un conjunto común de componentes e interfaces a ser tenidos en cuenta en futuras implementaciones. Esta arquitectura se ha denominado Common Middleware Architecture (CMA), ya que tiene como objetivo proporcionar los componentes de software necesarios para el desarrollo de middleware en cualquier caso de uso imaginable dentro de este dominio de aplicación. Se ha diseñado contando con la experiencia acumulada en varios proyectos de investigación en los que la implementación de una capa de middleware fue uno de los principales logros. La CMA ha sido diseñada teniendo en cuenta las principales necesidades de una solución middleware, como abstracción de hardware, conocimiento del contexto, registro de dispositivos, interfaces para el nivel superior, securización e integración de dispositivos. Aunque el dominio principal de la CMA es la Red Eléctrica Inteligente, y se han utilizado demostradores basados en la Red Eléctrica Inteligente para validarla, la CMA también puede adaptarse a otros entornos. En general, el objetivo general de esta tesis es crear un marco fiable para el desarrollo de soluciones de middleware para la Red Eléctrica Inteligente que pueda ser utilizado en otros dominios de aplicaciones donde existen requisitos de abstracción de hardware y disponibilidad de servicio similares a los que se pueden encontrar en esta área del conocimiento. Otro objetivo principal de esta tesis es contribuir a la estandarización del desarrollo de middleware para la Red Eléctrica Inteligente, de modo que habrá un conjunto específico de servicios desarrollados para poder cumplir con las funcionalidades más importantes del middleware (abstracción del hardware, conjunto homogéneo de servicios para aplicaciones, encapsulación de servicios basados en capacidades semánticas y seguridad). Estos dos objetivos se han logrado con las aportaciones realizadas en el estudio del estado del arte, la inferencia de cuestiones y temas abiertos, el establecimiento de una lista de requisitos funcionales y no funcionales y la validación de la propuesta presentada en este manuscrito. Las soluciones desarrolladas pueden ser consideradas como los antecedentes de la arquitectura aquí descrita, por lo que su rendimiento debe ser lo suficientemente bueno para las funcionalidades realizadas para este tipo de capa de software, la cual debería estar presente en cualquier sistema ciberfísico o distribuido que use un grupo de equipos de diferentes capacidades que haya sido desplegado. Además, puesto que se trata de una solución de middleware que resuelve problemas para cuestiones presentes en otros sistemas distribuidos y / o ciberfísicos (Internet de las Cosas, robótica subacuática), puede ser portado a otros dominios con facilidad, ya que servicios como interfaces de acceso a alto nivel o registro de dispositivos también se utilizan en esas situaciones. ABSTRACT The Smart Grid, conceived as the power grid enhanced with Information and Communication Technologies aimed to optimizing electricity consumption, enabling a bidirectional participation in the energy provided and improving the power grid with features like Demand Response, Demand Side Management or Optimal Power Flow, is becoming one of the most compelling Cyber-Physical Systems that is being currently developed. Its capacity to increase usable energy in a sustainable manner, along with collect more information about its actual usefulness, makes possible the improvement of living standards for many people all around the world in a more transparent and open way. What is more, since it is able to integrate the comparatively small power supplied by the Renewable Energy Sources provided by the end users that participate in the Smart Grid (which become “prosumers”, as they both produce and consume electricity), it democratizes access to energy and enables a higher degree of competitiveness between traditional actors in the energy markets and newcomers, thus granting the overall improvement of the services that can be provided by the utility companies. However, there are still many open issues that must be solved before completely using the Smart Grid to our advantage. Among these open issues, interoperability of its installed devices is a major one. The equipment that is used in deployments of this kind (Advanced Metering Infrastructure, Phasor Measurement Units, Remote Terminal Units, etc.) is manufactured by different companies with different backgrounds and interests. Therefore, the implementation of their products has usually different ways to transmit information or even proprietary solutions with a low degree of compatibility with other pieces of hardware. In a way, the status quo is similar to the situation of computer networks before the first standards were released: a plethora of manufacturers offer their own solutions to provide services and connectivity, but they struggle to work cooperatively with developments of other equipment vendors that may have different perspectives on the technologies that can be used for data transmission. In addition to that, the services that should be available for either a Smart Grid or one of its smaller scale counterparts (microgrids, nanogrids) are not made clear, neither in terms of what services they should be or where they should be located. While there are some high level functionalities that are usually regarded as almost mandatory (the aforementioned Demand Side Management, device registration, Demand Response, Optimal Power Flow), other more data-centric facilities are often portrayed in a way vaguer manner. Security specifications, the existence of semantic capabilities, how to access the capabilities in a specific deployment or even how the hardware devices become integrated is not described with enough detail. That issue jeopardizes the main purpose of installing and developing components in this area of knowledge, because it makes difficult a further integration of both legacy systems that may have been used by large utility companies for a long time and new developments done by smaller companies that want to play a role in the Smart Grid. Fortunately, many of these challenges can be solved by implementing a software layer located between the applications that can be included for the benefit of the end users and the hardware and network infrastructure installed for package and binary data interchange. This software layer, commonly referred as middleware, has as its main purpose abstracting the heterogeneity and complexity of the underlying distributed hardware components, so that it will offer to the high, more application-based layer a collection of facilities of homogeneous, centralized appearance, usually shaped as an Application Programming Interface that can be accessed by the application developers. Middleware is a very useful software tool for Cyber-Physical Systems and distributed solutions because it grants the integration of almost any kind of device, either by adding software components in the device itself or in another part of the system, which must be open enough to have the components installed or have the required computational capabilities to have those components installed. The main original contribution to knowledge of this doctoral thesis is offering a proposal for a model of a semantic middleware architecture for the Smart Grid, based on software components for distributed solutions. This model is aimed to be used in any kind of deployment related to the Smart Grid, as well as providing a common set of components and interfaces to be observed in future implementations. This architecture has been called Common Middleware Architecture (CMA), as it aims to provide the necessary software components for middleware development under any imaginable use case within this application domain. It has been designed based on the experience accumulated from several research projects where the implementation of a middleware layer was one of the main achievements. CMA has been designed with the main needs of a middleware solution in mind, such as hardware abstraction, context awareness, device registration, interfaces for the upper level, securitization and device integration. While the main domain of CMA is the Smart Grid, and demonstrators based on the Smart Grid have been used to validate it, CMA can also be adapted to other environments. All in all, the main objective of this thesis is creating a reliable framework for the development of middleware solutions for the Smart Grid, which can be used in other application domains where there are requirements of hardware abstraction and service availability resembling the ones that can be found in this area of knowledge. Another major objective of this thesis is making contributions to the standardization of middleware development for the Smart Grid, so that there will be a specific set of services to be developed in order to comply with the most important functionalities of middleware (hardware abstraction, homogeneous set of services for applications, encasing services based on semantic capabilities and security). These two objectives have been achieved with the contributions done in the study of the State of the Art, the inference of open issues and challenges, the establishment of a list of functional and non-functional requirements and the validation of the proposal put forward in this manuscript. The solutions developed can be regarded as the background of the architecture described here, and therefore its performance should be good enough for the functionalities carried out for this kind of software layer, which should be present in any distributed or Cyber-Physical System that uses a collection of deployed pieces of equipment with different capabilities. Besides, since this is a middleware solution solves problems for issues present in other distributed and/or Cyber-Physical Systems (the Internet of Things, underwater robotics) it can be ported to other domains with ease, as services as high level interface access or device registration are used in those situations as well.