Contribution to the analysis and evaluation of the digitalisation of smart grids

Abstract

La digitalización es el principal vehículo para hacer la red más inteligente y afrontar los retos de la transición energética. Esta digitalización implica el despliegue de sensores y actuadores en la red de distribución, conectividad y tecnologías de procesamiento de datos, lo que tiene un impacto en múltiples actividades de los Operadores de Sistemas de Distribución (DSO). Esta tesis doctoral aborda algunos de los aspectos más relacionados con la transformación digital de las redes de distribución con el objetivo de aumentar la eficacia de este proceso. Para lograrlo, esta tesis identifica primero las tecnologías clave y los desafíos asociados con esta transformación. En base a esto, propone un marco para medir el nivel de digitalización en las redes de distribución y desarrolla una metodología para realizar Análisis cuantitativos de Escalabilidad y Replicabilidad (SRA) de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) en soluciones de smart grids. Dado que la alta escalabilidad y replicabilidad de las TIC pueden también tener un impacto negativo, la tesis explora el impacto potencial de los ciberataques en dispositivos escalables y replicables, como dispositivos IoT de alto consumo y recursos energéticos distribuidos (DER). Finalmente, la mayor penetración de los DER y el riesgo de ciberseguridad requieren una mejor coordinación entre los operadores. Para ello, la última parte de esta tesis identifica y analiza los estándares de comunicación y modelos de datos que los operadores pueden adoptar para mejorar la coordinación y la resiliencia del sistema. El análisis de las principales tecnologías utilizadas en la digitalización de las redes de distribución y sus aplicaciones muestra que tecnologías disruptivas como los gemelos digitales, las tecnologías de inspección e inmersión, la IA o el Internet de las Cosas (IoT) pueden transformar las distintas actividades de los DSOs. En términos de desafíos, los principales tienen que ver con la ciberseguridad, los procesos centrales y el ecosistema del sector eléctrico en general. Para evaluar la digitalización de las redes de distribución se proponen 16 indicadores, clasificados según los pilares de la digitalización, y alineados con el Artículo 59.1 de la Directiva Europea 2019/944 y con el DSO Observatory del Joint Research Center. Éstos son independientes del caso de uso, requieren una recopilación mínima de datos y podrían usarse para establecer relaciones causales entre el mejor funcionamiento de la red y la infraestructura digital. Para facilitar el proceso de digitalización mediante el despliegue de soluciones escalables y replicables, se desarrolla una metodología para realizar paso a paso el SRA de las TIC en smart grids. Para validar esta metodología, se aplica a dos casos reales simulados con OMNeT++. El caso de estudio A analiza un sistema de monitorización y control de autoconsumo que implementa el protocolo Modbus TCP. El caso de estudio B analiza un sistema de monitorización de condiciones de interiores que usa el protocolo M-Bus inalámbrico para un sistema de gestión de la energía. Los resultados se presentan utilizando mapas de escalabilidad y replicabilidad de las TIC, un nuevo concepto que permite una visión rápida de los escenarios analizados y una estimación eficiente de la viabilidad de escenarios no analizados. Para evaluar el potencial impacto de comprometer masivamente los dispositivos conectados a Internet presentes en las redes inteligentes, se llevan a cabo dos estudios utilizando DigSilent PowerFactory. El primero examina la replicabilidad de los ataques de manipulación de la demanda a través de IoT (MaDIoT) en dos modelos distintos de redes eléctricas: el modelo PST-16, que representa una versión simplificada de Europa, y el modelo IEEE 39-Bus, que representa a Nueva Inglaterra (Norteamérica). Este estudio destaca las diferencias en el éxito y el impacto de los ataques entre los dos modelos, ampliando y complementando investigaciones previas. El segundo estudio evalúa la replicabilidad de los ataques MaDIoT en un sistema eléctrico que incorpora generación solar fotovoltaica distribuida, lo que resulta en una menor probabilidad de éxito. Además, analiza el impacto de los ataques MaDIoT 3.0 en diferentes escenarios. Los ataques MaDIoT 3.0 se presentan en esta tesis como una evolución de los ataques MaDIoT originales y combinan ataques tanto en dispositivos de demanda como de DER. Finalmente, esta tesis examina los protocolos y estándares comúnmente utilizados en proyectos europeos recientes para el intercambio de datos entre operadores de red. Se analiza la utilización de estos protocolos y estándares para el intercambio de tipos específicos de información, con un enfoque particular en el Common Information Model (CIM), que proporciona una gran cobertura de información técnica pero necesita mayor desarrollo, y dos mecanismos de comunicación alternativos (publicación- suscripción y cliente-servidor), cuyas características deben ser consideradas a la hora de desarrollar una arquitectura TIC.

Digitalisation is the main vehicle to make the grid smarter and face the challenges of the energy transition. This digitalisation involves the deployment of sensors and actuators in the distribution grid, connectivity, and data processing technologies, having an impact on multiple activities of Distribution System Operators (DSOs). This PhD thesis aims to address some of the aspects significantly related to the digital transformation of distribution grids to increase the effectiveness of this process. To achieve this, this PhD thesis first identifies the key technologies and challenges associated with this transformation. Based on this, it proposes a framework for measuring the level of digitalisation in distribution grids and develops a methodology for conducting quantitative Scalability and Replicability Analyses (SRA) of Information and Communication Technologies (ICT) in smart grid solutions. Since the high scalability and replicability of ICTs may also have a negative impact, the thesis explores the potential impact of cyberattacks on scalable and replicable devices, such as high-wattage IoT devices and Distributed Energy Resources (DER) control devices. Finally, the increased penetration of DER and the cybersecurity risk require better coordination between System Operators (SOs). For this, the last part of this thesis identifies and discusses the communication and data model standards that SOs may adopt to enhance coordination and system resilience. The examination of the main technologies used in the digitalisation of distribution grids and their applications shows that disruptive technologies such as digital twins, inspection and immersive technologies, Artificial Intelligence (AI), or Internet of Things (IoT) can transform the activities of DSOs. In terms of challenges, the main ones associated with digitalisation affect cybersecurity, core processes, and the electric power ecosystem in general. To assess the level of digitalisation in distribution grids, 16 indicators, categorized according to the pillars of digitalisation, are proposed. These indicators are aligned with the guidelines set forth in Article 59.1 of the EU Directive 2019/944 and with the Joint Research Center DSO Observatory. They are designed to be applicable regardless of the use cases, requiring minimal data input, and could be used to establish causal relationships between performance and digital infrastructure. To facilitate the digitalisation process through the deployment of scalable and replicable solutions, a step-by-step methodology for conducting ICT Scalability and Replicability Analysis (SRA) in smart grids is developed. To validate this methodology, it is applied to two real case studies simulated in OMNeT++. Case study A examines a self-consumption monitoring and control system that implements the Modbus TCP protocol. Case study B analyses an indoor conditions monitoring system based on wireless M-Bus for the implementation of an energy management system. The results are presented using ICT scalability and replicability maps, a new concept that allows a quick overview of the analysed scenarios and an efficient estimation of the feasibility of unexplored scenarios. To evaluate the potential impact of massively compromising internet-connected devices present in smart grids, two studies using DigSilent PowerFactory are conducted. The first study examines the replicability of Manipulation of Demand through IoT (MaDIoT) attacks in two different power system models: the PST-16 model, which represents a simplified version of Europe, and the IEEE 39-Bus model, which represents New England (North America). This study highlights the differences in the success and impact of the attacks between the two models, thus expanding and complementing previous research. The second study evaluates the replicability of MaDIoT attacks in a power system that incorporates distributed solar PV generation, resulting in lower probability of success. Furthermore, it analyses the impact of MaDIoT 3.0 attacks in different scenarios. MaDIoT 3.0 attacks are introduced in this thesis as an evolution of the original MaDIoT attacks, and combine attacks on both the demand and DER devices. Finally, this thesis examines the protocols and standards commonly used in recent European projects for data exchange between SOs. It discusses the utilisation of these protocols and standards for exchanging specific types of information, with a particular focus on the Common Information Model (CIM), which provides a great coverage of technical information but needs further development, and two alternative communication mechanisms (publish-subscribe and client-server), whose characteristics must be considered when developing an ICT architecture.