Multi-layered Reliability Analysis in Smart Grids

Mgr. Stanislav Chren

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Dnešní elektrické rozvodné sítě se nedokáží vyrovnat s narůstající poptávkou po dodávce elektrické energie a její kvalitě. Problémy současných rozvodných sítí se snaží řešit inteligentní rozvodné sítě - smart gridy. Jde o novou generaci rozvodných sítí, která je vybavena moderními informačně-komunikačními technologiemi. Rozvodnou síť považujeme za kritickou infrastrukturu, což znamená, že spolehlivost je jedním z jejích klíčových kvalitativních atributů. Existuje mnoho metod pro vyhodnocování spolehlivosti rozvodné sítě a predikci výskytu chyb. Nicméně, většina z nich se soustředí pouze na fyzickou úroveň celé infrastruktury a nezohledňuje více vrstev, kterými smart grid disponuje, jako např. softwarové komponenty a služby. Cílem této práce je vyvinutí přístupu pro analýzu spolehlivosti, který by zohlednil více-vrstvou architekturu smart gridu a zahrnul tak fyzické komponenty, softwarové komponenty a scénáře použití služeb. Díky tomu bude možné vyhodnotit spolehlivost systému vzhledem k jeho nabízeným službám a bude možné zjistit dopad selhání služby na jednotlivé zúčastněné strany. V našem přístupu vytvoříme obecný referenční model smart gridu, který bude parametrizován parametry relevantními pro analýzu spolehlivosti. Následně bude možné vytvořit instanci referenčního modelu pro konkrétní smart grid systém. Ta bude transformována do formálního modelu za účelem výpočtu odhadu spolehlivosti systému. Součástí práce je implementace open-source nástroje pro podporu modelovacího a výpočetní procesu. Výsledky práce budou ověřeny na realistických případových studiích.

Abstract:

Current electricity power grids cannot cope with the increasing demand on the power supply and its quality. The problems of the present power grids are going to be addressed by "smart grids", which represent next-generation power grids that are equipped with modern information and communication technologies. Power grid is a critical infrastructure, which means that reliability is one of its key quality attributes. There exist many methods for evaluation of power system reliability and prediction of failures. However, they mostly focus only on the physical level of the grid and do not consider multiple layers of the smart grids, such as software components and services. In our work, we aim to develop an approach for reliability analysis that would take into account multi-layered nature of smart grid by incorporating the physical components, software components and service usage scenarios. Such approach would be able to evaluate the reliability of the system with respect to the offered services and it could show an impact of the service failure to its stakeholders. In our approach, we will create a general smart grid reference model parametrized with parameters relevant to the reliability analysis. Afterwards, it will be possible to instantiate the reference model for a specific smart grid system. Next, it will be transformed into a formal model in order to obtain the estimation of system reliability. Finally, an open-source tool will be implemented to support the modeling and computation process. The results of our work will be validated on realistic case study of a smart grid system.

Keywords

Smart Grid, Smart Grid Reference Architecture Model, Reliability analysis, Markov chains, Failure detection

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 3. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 26. 5. 2017
• Reader: Mgr. Filip Procházka, Ph.D., doc. Ing. Petr Mlýnek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Informatics / Computer Systems