Adaptive wireless sensor network protocols for smart grid applications

Abstract

Günümüzün elektrik enerjisi sistemleri yaygın ve etkili iletişimin, izlemenin ve otomasyonun eksikliğinden sıkıntı çekmektedir. Bu problemlerin üstesinden gelebilmek için yeni bir elektrik sistemi olan akıllı şebekeler önerilmiştir. Akıllı şebekelerin ana fikri, geleneksel elektrik dağıtım sistemlerinde enerji tüketimini düşürürken verimliliği, güvenilirliği ve güvenliği arttırmak içim izleme, kontrol ve iletişim yetenekleri eklemektir. Önemli vurgulamak gerekir ki, akıllı şebekeler elektrik dağıtım şirketlerine elektriğin elektrik enerji şebekeleri etrafında mümkün olduğu kadar ekonomik şekilde taşınmasına izin verir.Son zamanlarda, kablosuz algılayıcı ağları akıllı şebeke ortamlarında oldukça kullanılmaya başlanmıştır. Kablosuz algılayıcı ağların kolay yerleştirilmeleri, ucuz maliyetleri, esnekliği, paralel işlemeyle bütünleşmiş akıllılığı gibi yardımcı operasyonları, geleneksel iletişim teknolojileri üzerinde belirli avantajlar getirmiştir.Ayrıca, IEEE 802.15.4 standartına dayalı olan ve akıllı şebeke ortamlarında enerji ilişkili bilgi iletişimi için ekonomik bir çözüm öneren bir uygulama profili olan ZigBee Akıllı Enerji Profili geliştirilmiştir. Akıllı şebeke uygulamalarında ZigBee'nin düşük maliyet, az enerji, az bant genişliği, düşük karmaşıklık, kolay yerleştirilmesi ve kolay kodlanabilir gibi ana özellikleri ZigBee'yi izleme, veri toplama ve analiz için ideal kılar.Bununla beraber, çetin enerji sistemi çevrelerinden dolayı yüksek paket kayıpları ve bağlantı kapasite çeşitliliği akıllı şebeke sistemlerinde kablosuz iletişimin güvenilirliğinde büyük zorluklar yaratır. Bundan dolayı, ağ güvenilirliğini ve dolayısıyla akıllı şebekelerin performansını arttırmak için, güvenilir iletişim protokollerine acil ihtiyaç vardır.Bu tezde, bir iç ana enerji kontrol odası, bir dış 500 kv trafo merkezi ortamı ve bir yer altı ağ iletişim ortamı gibi farklı akıllı şebeke ortamları için ilk olarak kablosuz iletişimlerin güvenilirliğindeki zorlukları çözmek için değiştirilebilir FEC mekanizmaları geliştirilmiştir, sonra ZigBee'nin performansı test edilmiştir ve son olarak, çoklu kanal şemaları uygulanmıştır.Önemli vurgulamak gerekir ki, bu performans değerlendirmeleri Atlanta ABD'de bulunan Georgia Enerji'deki akıllı şebeke ortamlarına yerleştirilmiş olan IEEE 802.15.4 kablosuz algılayıcı ağlarını kullanarak bulunmuş karşılaştırmalı gerçek test değerlerine dayandırılmıştır. Karşılaştırılmalı performans değerleri ağ veri hacmi, paket teslim oranı, sondan sona gecikmeye ve enerji tüketimine dayanılarak uygulanmıştır.

Today?s electric power systems suffer from the lack of pervasive and effective communications, monitoring, and automation. To overcome these problems, a new electric power system, i.e., smart grid, has been proposed. The main idea of smart grid is to add monitoring, control, and communication capabilities to the traditional electricity delivery system to improve efficiency, reliability, and safety while reducing the energy consumption. Importantly, the smart grid will allow the electric utilities to move electricity around the electric power grid as economically as possible.Recently, Wireless Sensor Networks (WSNs) have been widely started to use in smart grid environments. The collaborative operation of WSNs brings significant advantages over traditional communication technologies, including self-organization, rapid deployment, low cost, flexibility and aggregated intelligence via parallel processing.Besides, the ZigBee Smart Energy profile has been developed, which is the application profile based on IEEE 802.15.4 standard and offers an affordable way for communicating energy-related information in smart grid environments. The major features of ZigBee, including low cost, low power, low bandwidth, low complexity and easy deployment and implementation make ZigBee ideal for monitoring, data collection and analyzing for smart grid applications.However, high packet losses and link capacity variations due to harsh power system environments pose great challenges in the reliability of wireless communications in smart grid systems. Therefore, to increase network reliability and thus to improve smart grid system performance, there is an urgent need for reliable communication protocols.In this thesis, firstly an Adaptive Forward Error Correction (AFEC) mechanism has been developed to address the challenges in the reliability of wireless communications, then the performance of ZigBee has been evaluated and finally, a multi-channel scheme has been applied for different smart grid environments, including an indoor main power control room, an outdoor 500 kV substation environment, and an underground network transformer vault environments.Importantly, these performance evaluations are based on a comprehensive set of real-world field tests using IEEE 802.15.4 compliant wireless sensor nodes deployed in smart grid environments at Georgia Power, Atlanta, GA, USA. Comparative performance evaluations are performed in terms of network throughput, packet delivery ratio, end to end delay, and energy consumption.