Análisis de escalabilidad y replicabilidad en el proyecto europeo Integrid

Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids

Autores

• Sergio Potenciano Menci, Investigador, Austrian Institute of Technology (AIT)
• Julien Le Baut, Investigador, Austrian Institute of Technology (AIT)
• Javier Matanza, Profesor Colaborador Asistente, Instituto Investigación Tecnológica, Universidad Pontificia Comillas
• Gregorio López, Profesor Colaborador Asistente, Instituto Investigación Tecnológica, Universidad Pontificia Comillas
• Rafael Cossent, Investigador, Instituto de Investigación Tecnológica, Universidad Pontificia Comillas
• Manuel Pio, Investigador, EDP CNET

Resumen

Esta comunicación presenta una metodología, desarrollada en el proyecto H2020 InteGrid, que permite el análisis de escalabilidad de las infraestructuras TIC para Smart Grids. Dicha metodología se basa en SGAM, permitiendo un análisis estandarizado y su replicabilidad. La primera fase consta de un análisis cualitativo que identifica posibles limitaciones en una infraestructura TIC; en la segunda se hace un análisis cuantitativo de los elementos críticos identificados en la primera. El artículo muestra los resultados en el piloto esloveno desarrollado en el proyecto InteGrid, que combina un sistema de semáforos para la validación de productos de flexibilidad y una VPP comercial que ofrece productos terciarios a través de agregación local.

Palabras clave

Escalabilidad, Flexibilidad, Modelado, Replicabilidad, Simulación, Smart Grid Architectural Model (SGAM), Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC)

Introducción

Esta comunicación presenta resumidamente parte del trabajo desarrollado en el proyecto europeo InteGrid [1], financiado dentro del programa H2020, sobre escalabilidad y replicabilidad de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) para Smart Grids. Los principales objetivos del proyecto InteGrid son:

• Investigar el papel de la distribuidora eléctrica como optimizador del sistema y facilitador de mercado.
• Integrar diferentes actividades de demostración desplegadas en tres regiones europeas diferentes, concretamente Portugal, Eslovenia y Suecia.

En el proyecto InteGrid se utiliza un enfoque basado en clusters que permite tener un marco común para analizar aspectos relativos a la escalabilidad de la infraestructura TIC. Estos clusters recopilan parte de la información y características de los pilotos del proyecto.

Este artículo presenta la metodología propuesta en el proyecto InteGrid para análisis de escalabilidad. Esta metodología se basa en el Smart Grid Architectural Model (SGAM), que, al tratarse de un modelo estándar, facilita también la realización de análisis de replicabilidad. Además, este artículo ilustra el funcionamiento de la metodología propuesta aplicándolo al piloto esloveno, que combina un sistema de semáforos para la validación de productos de flexibilidad y una Virtual Power Plant (VPP) comercial que ofrece productos terciarios a través de agregación local.

El resto del artículo está estructurado de la siguiente manera. La sección 2 presenta una visión general de la metodología propuesta que, a grandes rasgos, consta de dos fases: una cualitativa y una cuantitativa. La sección 3 resume cómo se aplica la fase cualitativa al piloto esloveno. La sección 4 presenta resumidamente parte del análisis cuantitativo llevado a cabo para dicho piloto. Por último, la sección 5 presenta las principales conclusiones del artículo, así como trabajos futuros.

Metodología propuesta

La Figura 1 muestra una visión general de la metodología propuesta. Como ya se ha comentado, se compone de una fase cualitativa y una cuantitativa. La fase cualitativa se compone a su vez de 2 etapas. En la primera se particulariza el modelo SGAM para el cluster en cuestión (la Figura 2 muestra el modelo SGAM para el cluster 3 del proyecto InteGrid). Una vez hecho esto, se realiza una clasificación de atributos agrupados por categorías mediante la realización de encuestas a los actores involucrados. En estas encuestas, los actores expresan su interés en los diferentes atributos y dichos intereses se ponderan de manera independiente para acabar decidiendo aquellos que se van a estudiar más en detalle. A continuación, se identifican y caracterizan los nodos y los enlaces del modelo SGAM relacionados con dichos parámetros. Los actores involucrados puntúan de nuevo estos elementos y estas puntuaciones vuelven a ponderarse de manera independiente para decidir los elementos críticos, que se analizarán cuantitativamente.

En la fase cuantitativa, en primer lugar, se caracteriza la torre de protocolos involucrada y se modela el escenario en cuestión para, a continuación, llevar a cabo simulaciones de estrés. Los resultados de dichas simulaciones permitirán saber si la infraestructura bajo estudio efectivamente escala o si, por el contrario, haría falta actualizarla para garantizar su correcto funcionamiento en escenarios futuros, con la correspondiente inversión asociada.

Análisis cualitativo

Los actores involucrados en el cluster 3 son: la distribuidora eléctrica (Elektro Ljubliana), el agregador (Cybergrid), el proveedor de Cloud (SAP) y proveedores de distintos servicios (INESC-Tec y AIT). Las categorías en las que se agrupan los atributos son: fiabilidad (5 atributos), recursos computacionales (4 atributos) y manejabilidad (4 atributos). Las puntuaciones de estos actores sobre los atributos agrupados por categoría con respecto a los enlaces resultan en la gráfica mostrada en la Figura 3. Para ver a qué enlace corresponden los diferentes identificadores mostrados en la Figura 3 puede consultar la Figura 2. La Figura 3 permite identificar visualmente los cuellos de botella de la infraestructura TIC (aquellos enlaces con puntuaciones bajas).

Concretamente, en este caso los enlaces críticos serían:

• 3: Smart meter de la subestación primaria a través de Ethernet switch hacia el backbone de la distribuidora. Tecnología: fibra óptica
• 4:  Smart meter del feeder hacia el backbone de la distribuidora. Tecnología: fibra óptica
• 7: Smart meter de la subestación secundaria a través del concetrador de datos hacia el backbone de la distribuidora. Tecnología: fibra óptica
• 11: concentrador de datos a backbone de la distribuidora. Tecnología: PLC-G3
• 11’: concentrador de datos a backbone de la distribuidora. Tecnología: GPRS
• 9-10: Smart meters a concentrador de datos. Tecnología: PLC-G3
• 9’-10’: Smart meters a backbone de la distribuidora. Tecnología: GPRS

Análisis cuantitativo

Para el análisis cuantitativo es muy útil el uso de simulaciones, ya que suponen una herramienta flexible y de bajo coste para evaluar la escalabilidad de una infraestructura. En el caso de las Smart Grids, la infraestructura eléctrica y la TIC están relacionadas, habiendo diferentes enfoques en la literatura para modelar dicha relación [2]. Estos diferentes enfoques pueden dividirse en 3 grandes grupos:

• Simulaciones desacopladas, que se centran sólo en la parte eléctrica o en la TIC, pero considerando aspectos de la parte complementaria.
• Simulaciones monolíticas, en las que se abordan tanto la parte eléctrica como la TIC en un único simulador.
• Co-simulaciones, en las que se ejecutan simulaciones para cada parte en paralelo, habiendo un mecanismo de coordinación entre ellas. Este mecanismo puede ser no estándar (p.ej., memoria compartida, pipes, sockets) o estándar, destacando en esta categoría Funcional Mockup Interface (FMI) y High Level Architecture (HLA).

El análisis cuantitativo llevado a cabo en el proyecto InteGrid se basa en simulaciones desacopladas, ya que se pretende evaluar el rendimiento de determinados elementos de la infraestructura TIC identificados como críticos en la fase cualitativa de la metodología, que considera aspectos relacionados con la infraestructura eléctrica. Concretamente, estas simulaciones se realizarán con el conocido simulador de redes OMNeT++.

Debido a la limitación de extensión, en este artículo sólo se van a comentar los resultados obtenidos para el enlace 11’, que conecta el concentrador de datos con el backbone de la distribuidora mediante GPRS. La Figura 4 (a) muestra la topología de red simulada en OMNeT++, donde cada uno de los canales de GPRS se ha modelado como un canal virtual dedicado. La Figura 4 (b) muestra los resultados obtenidos. Esta figura muestra el porcentaje de uso del canal en diferentes situaciones (peor y mejor caso). Puede apreciarse que en el backbone la fibra óptica puede gestionar sin problema el tráfico agregado de los smart meters, por lo que no es necesario una ampliación de la infraestructura. Se observa que es así incluso en el peor caso (mayor cantidad de nodos – 1000 – y mayor frecuencia de interrogación – 1 vez/segundo). Conviene destacar que se asume que la infraestructura celular es dedicada. En el caso de que no lo fuera, los resultados obtenidos serían interesantes para estimar el uso de recursos que le supondría al operador de telecomunicaciones ofrecer este servicio a la distribuidora eléctrica.

Conclusiones y trabajos futuros

El análisis de escalabilidad y replicabilidad representa un tema que está ganando interés para los diferentes actores europeos involucrados en la Smart Grid. Este artículo presenta la metodología propuesta en el proyecto H2020 InteGrid para evaluar la escalabilidad de infraestructuras TIC. Dado que la metodología propuesta se basa en el modelo estándar SGAM, también favorece la realización de estudios de replicabilidad. La metodología se basa en una fase cualitativa y otra cuantitativa. El principal resultado de la cualitativa son gráficas que permiten identificar visualmente los elementos críticos de la infraestructura bajo estudio, pudiendo hacerse incluso automáticamente, lo que se plantea como trabajo futuro. En la fase cuantitativa se llevan a cabo simulaciones de estrés para estimar si la infraestructura en cuestión está preparada para escenarios futuros o si, por el contrario, será necesario actualizarla, con la consecuente inversión asociada. El funcionamiento de la metodología propuesta se ilustra para el demostrador esloveno del proyecto InteGrid, que combina un sistema de semáforos para la validación de productos de flexibilidad y una Virtual Power Plant (VPP) comercial que ofrece productos terciarios a través de agregación local. En la fase cualitativa se identifican los elementos críticos para este caso. Debido a la limitación de extensión del artículo, se muestran sólo los resultados de la fase cuantitativa para uno de los enlaces identificados como críticos, no observándose problemas de escalabilidad.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido parcialmente financiado por la Comisión Europea a través del proyecto H2020 InteGrid. Los autores quieren agradecer al resto de socios del consorcio el apoyo prestado.

Referencias

1. Página web del Proyecto InteGrid.
2. K. Mets, J. A. Ojea and C. Develder, «Combining Power and Communication Network Simulation for Cost-Effective Smart Grid Analysis,» in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 16, no. 3, pp. 1771-1796, Third Quarter 2014.Francis, P. & Petit, C., 1976, Volcanoes, Penguin Books Ltd, Harmondsworth.
3. Página web de OMNeT++.