Arquitecturas system-on-chip para cyber physical system gateway en smart grid

Zusammenfassung

La forma en que funciona la red eléctrica no ha cambiado mucho desde su creación en la década de 1930, los métodos y medios de transmisión de los datos siguen siendo similares. Aunque la infraestructura general permanece inalterada, algunas tecnologías han cambiado desde entonces, y el ritmo de cambio ha aumentado significativamente en la última década. Por ejemplo, la introducción de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) en la operación de las redes eléctricas ha dado como resultado una red compleja denominada Smart Grid. En términos generales, el sistema eléctrico actual consiste en una compleja red en la que están interconectadas las centrales eléctricas, la infraestructura de transporte de electricidad, la infraestructura de distribución, y la carga.Desde un punto de vista tecnológico, la Smart Grid puede ser vista como una superposición de una red de comunicación sobre la red eléctrica. La red de comunicaciones de la Smart Grid es un tipo de red capaz de proporcionar servicios avanzados, como el envío de datos de sensores en tiempo real, la redundancia y la ciber-seguridad. Se implementa utilizando una variedad de tecnologías de redes y medios de comunicación, incluyendo el mismo cableado eléctrico, redes inalámbricas y otras infraestructuras de comunicaciones existente, como las redes Ethernet basadas en cables de cobre o fibra óptica. Existen ventajas y desventajas asociadas a cada opción y es probable que los tres enfoques puedan utilizarse para las comunicaciones en la Smart Grid. Como resultado, las redes mencionadas se integran finalmente en el sistema, lo que obliga a que los equipos utilizados para gestionar las comunicaciones sean completamente heterogéneos. Por ello, desde una perspectiva global que favorezca la interoperabilidad, es imprescindible disponer de dispositivos de comunicaciones que combinen requisitos de procesamiento en tiempo real, sincronización avanzada, alta disponibilidad en las comunicaciones, reconfigurabilidad y ciber-seguridad. Estos dispositivos se conocen comúnmente como Cyber Physical System (CPS).A modo de resumen, un CPS típico se compone de varios dispositivos conectados a través de redes cableadas e inalámbricas. Estos dispositivos abarcan desde plataformas embebidas, sistemas en tiempo real, sensores y actuadores, hasta dispositivos en red. Por lo tanto, los CPS se benefician de los continuos desarrollos de nuevas plataformas de computación y sensórica de bajo coste, las comunicaciones inalámbricas, las redes de comunicación de gran ancho de banda y sistemas que permiten realizar una gestión más eficiente de la energía de los dispositivos.La propuesta de investigación presentada en esta tesis busca realizar contribuciones en el campo de los sistemas embebidos, planteando una arquitectura común de nodos que sirva como referencia de arquitectura CPS para la Smart Grid. Esta arquitectura deberá dar solución a la integración directa de los nodos en la red, permitiendo a su vez procesamiento en tiempo real, necesario en ciertas secciones y operaciones de la Smart Grid.En primer lugar, se presentará una visión general de la red eléctrica actual (Smart Grid). En particular, se describirá los elementos fundamentales de una subestación, y se presentará los estándares de comunicación utilizados para garantizar y satisfacer los requisitos de interoperatividad que deben cumplir las redes de transmisión y distribución modernas. A continuación, se describirán los requisitos y las características de funcionamiento que debe cumplir un dispositivo CPS Gateway para poder ser utilizado en la red eléctrica inteligente. Por otra parte, se definirá un CPS y se describirán sus partes, características y campos de aplicación. A continuación, se realizará un estudio detallado de varias arquitecturas existentes que representan ventajas significativas para su utilización en la Smart Grid. En segundo lugar, se propondrán arquitecturas CPS Gateway sobre plataformas reconfigurables System-on-Chip que garantice procesamiento en tiempo real, necesario en ciertas secciones y operaciones de la Smart Grid. También, deberá incorporar mecanismos avanzados de sincronización, comunicaciones de alta disponibilidad mediante comunicaciones redundantes, compatibilidad con la infraestructura de automatización de subestaciones actualmente en fase de despliegue (IEC 61850) y ciber-seguridad para las tramas SV y GOOSE.Para finalizar, el dispositivo Zynq de Xilinx será utilizado como plataforma de validación de las arquitecturas propuestas. La última parte de la tesis, describirá el hardware utilizado para realizar los experimentos. A continuación, se describirán los experimentos realizados para validar las arquitecturas. En este sentido, se implementarán tres arquitecturas para verificar el funcionamiento del CPS Gateway. La primera arquitectura, tendrá como finalidad validar los requisitos de sincronización, interoperabilidad y alta disponibilidad. En la segunda arquitectura se implementará un protocolo y un módulo de comunicaciones que permita la configuración remota del CPS Gateway. Finalmente en la tercera arquitectura se propondrá el uso de cifrado simétrico como mecanismo de ciber-seguridad para las tramas SV y GOOSE.