Contribution to the design, implementation and standardization of semantic middleware architectures for the Smart Grid
- Autores: Jesús Rodríguez Molina
- Directores de la Tesis: José Fernán Martínez Ortega (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Tomás Robles Valladares (presid.), Ana Belén García Hernando (secret.), Rodolfo Elías Haber Guerra (voc.), Juan Ramón Velasco Pérez (voc.), Jonathan Rodríguez González (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Sistemas y Servicios para la Sociedad de la Información por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- 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.
