Wireless 5G for Medium-Voltage Grid IEC 61850 based Protection Communication

Thumbnail Image

Files

isbn9789526414423.pdf (2.91 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-10-13
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2023

Department

Sähkötekniikan ja automaation laitos
Department of Electrical Engineering and Automation

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

57 + app. 87

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 152/2023

Abstract

To combat climate change, a large amount of carbon-neutral renewable energy production must be integrated into the power system. The most techno-economically affordable solution to accomplish renewable integration is to increase system intelligence by interfacing communication networks with power systems to form a smart grid. Historically grid automation has been hardwired as earlier wireless technologies lacked the reliability required by protection applications. Fifth generation cellular network (5G) promises to reach low latency and high reliability, suitable for protection communication but needs validation whether promised targets are met in practice. Typically, studies on wireless technologies for smart grid applications are simulations, lacking the accuracy of commercially available wireless networks. Thus, protection communication via 5G is the main focus of this thesis. The aim of this thesis is to investigate whether commercially available 5G is applicable for protection communication. This topic is divided into three sub-research questions discussed in this thesis and the publications. Firstly, prior bottlenecks of wireless technologies for protection communication 5G removes are identified. These include a lack of reliability and low latency, which could be resolved by 5G use cases with associated service portfolios, network slicing, and edge computing. The controller-hardware-in-the-loop (CHIL) results show significant improvement in successfully protected faults with 5G standalone (SA); also, fault clearance times are not as widely spread and slanted towards the lower times. Secondly, the thesis identifies limitations hindering 5G's use in protection communication. These include a small packet size of IEC 61850-based messages compared to the optimal size for 5G and a lack of granularity in the network slicing implementations. Substation communication consists of traffic types with diverse requirements, and adding all the traffic into one slice can increase delays and packet loss in protection communication. Furthermore, edge computing will increase the complexity of protection and collaboration with telecommunication providers requiring applicability to be assessed carefully. Thirdly, the thesis proposes approaches to mitigate the identified limitations. IEC 61850-based packet sizes could be optimised by aggregating packets under the same Ethernet header for wireless transmission. If slicing lacks granularity, protection communication could be prioritised by overall prioritisation of all traffic and adjustment of individual traffic sources. The CHIL results show that prioritisation improves the reliability of protection communication without impacting latency. Additionally, the suitability of edge computing is assessed by a computational study highlighting the bottleneck of total uplink traffic in the urban scenario and the lack of density of devices in the rural scenario.

Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi suuri määrä hiilineutraalia uusiutuvaa energian tuotantoa on liitettävä sähköverkkoon. Teknistaloudellisesti halvin ratkaisu uusiutuvan liittämiseksi on järjestelmän älykkyyden lisääminen yhdistämällä tietoliikenne- ja sähköverkot muodostamaan älykäs sähköverkko. Historiallisesti verkkoautomaatio on ollut johdotettua koska aiemmista langattomista teknologioista on puuttunut suojaussovellusten tarvitsema luotettavuus. - 5G-teknologia lupaa saavuttaa matalan viiveen ja korkean luotettavuuden, jolloin se olisi sopiva suojauskommunikaatioon, mutta luvattujen tavoitteiden täyttyminen täytyy varmistaa käytännössä. Yleensä langatonta teknologiaa älykkään sähköverkon sovelluksille tutkitaan simuloimalla, jossa ei voida huomioida kaupallisten langattomien verkkojen oikeellisuutta. Siksi suojauskommunikaatio 5G:llä on tämän työn aiheena. Väitöskirjan tavoitteena on selvittää, soveltuuko kaupallinen 5G suojauskommunikaatioon. Aihe on jaettu kolmeen alakysymykseen, joista ensimmäinen on suojauskommunikaatiolle aiempien langattomien teknologioiden haasteiden, jotka 5G ratkaisee, tunnistaminen. Näitä haasteita ovat luotettavuuden ja matalan viiveen puute, mitkä voidaan ratkaista 5G käyttötapauksilla ja näiden palveluvalikoimilla, verkon viipaloinnilla ja reunalaskennalla. Tulokset simuloinnista, jossa laitteisto on osa silmukkaa (hardware-in-the-loop), osoittavat huomattavan parannuksen suojatuissa vioissa itsenäisessä 5G Standalone -verkossa sekä vian erotusaikojen hajonnassa ja kallistumisessa kohti matalampia aikoja. Toiseksi väitöskirja tunnistaa rajoitteita 5G:n käytössä suojauskommunikaatiossa, kuten IEC 61850-pohjaisten viestien pienen pakettikoon verrattuna 5G:n ihanteelliseen pakettikokoon sekä hienojakeisuuden puutteeseen verkon viipalointitoteutuksissa. Sähköasemakommunikaatio koostuu tietoliikennelajeista, joilla on monipuoliset vaatimukset, ja liittämällä kaiken liikenteen yhdelle viipaleelle viiveet ja pakettihäviö suojauskommunikaatiossa voivat kasvaa. Lisäksi reunalaskenta lisää suojauksen monimutkaisuutta ja vaadittavaa yhteistyötä teleoperaattorien kanssa, joten reunalaskennan soveltuvuutta täytyy arvioida huolellisesti. Kolmanneksi väitöskirja esittää ratkaisuja tunnistettujen rajoitteiden lieventämiseksi. IEC 61850-pohjaisia pakettikokoja voitaisiin tehostaa kokoamalla paketteja saman Ethernet-otsakkeen alle langattoman tiedonsiirron ajaksi. Jos viipaloinnin hienojakeisuus on puutteellista, suojauskommunikaatio voitaisiin asettaa etusijalle sekä koko liikenteen asettelussa tärkeysjärjestykseen että yksittäisten liikennelähteiden mukauttamisella. Tulokset osoittavat, että suojauksen etusijalle asettelu kasvattaa suojauskommunikaation luotettavuutta ilman vaikutuksia viiveisiin. Lisäksi reunalaskennan soveltuvuutta arvioitiin laskennallisilla tutkimuksilla, joiden tulokset korostavat kokonaissiirtoyhteyden ylöspäin olevan haaste kaupunkitapauksessa ja laitetiheyden puutteen olevan haaste maaseututapauksessa.

Description

Supervising professor

Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland

Thesis advisor

Mäki, Kari, Research Prof. D.Sc., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland

Keywords

5G, cellular networks, fault indication, grid automation, IEC 61850, protection, reliability, wireless technology, 5G, IEC 61850, langaton teknologia, luotettavuus, soluverkko, suojaus, verkkoautomaatio, vian ilmaisu

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Raussi, P., Kilpi, J., Kokkoniemi-Tarkkanen, H., Kulmala, A., Hovila, P. 2022. Edge Computing supported Fault Indication in Smart Grid. In 2022 IEEE International Conference on Communications, Control, and Computing Technologies for Smart Grids (SmartGridComm), Singapore, Singapore, pp. 278-283, October 2022.
    DOI: 10.1109/SmartGridComm52983.2022.9960979 View at publisher
  • [Publication 2]: Kokkoniemi-Tarkkanen, H., Raussi, P., Horsmanheimo, S., Hovila, P., Kulmala, A., Borenius, S. 2023. 5G Edge for Power System Applications. In International Conference on Electricity Distribution (CIRED), Rome, Italy, June 2023. Accepted for proceedings.
  • [Publication 3]: Raussi, P., Kokkoniemi-Tarkkanen, H., Ahola, K. 2022. Methodology to Decrease Packet Loss in IEC 61850 Substation Communication over Wireless 5G Communication. CIGRE Science and Engineering, number 26, pp. 117-128, November 2022.
  • [Publication 4]: Raussi, P., Pärssinen, J., Noponen, S., Opas, M., Raitio, P., Salonen, J. 2022. Impact of Cyber-Attacks on Process Bus and Time Synchronisation Communication at Substations. In CIGRE 2022 Kyoto Symposium, Kyoto, Japan, pp. 1-10, April 2022.
  • [Publication 5]: Pärssinen, J., Raussi, P., Noponen, S., Opas, M., & Salonen, J. 2022. The Digital Forensics of Cyber-Attacks at Electrical Power Grid Substation. In 10th International Symposium on Digital Forensics and Security (ISDFS 2022), Istanbul, Turkey, pp. 1-6, June 2022.
    DOI: 10.1109/ISDFS55398.2022.9800831 View at publisher
  • [Publication 6]: Shafiq, S., Khan, B., Raussi, P., Taleb Al-Awami, A. 2021. A Novel Communication-Free Charge Controller for Electric Vehicles Using Machine Learning. IET Smart Grid, vol. 4, number 3, pp. 334-345, March 2021.
    DOI: 10.1049/stg2.12032 View at publisher
  • [Publication 7]: Raussi, P., Kokkoniemi-Tarkkanen, H., Ahola, K., Heikkinen, A., Uitto, M. 2023. Prioritizing Protection Communication in a 5G Slice: Evaluating HTB Traffic Shaping and UL Bitrate Adaptation for Enhanced Reliability. The Journal of Engineering, volume 2023, number 9, pp. 1-18, September 2023.
    DOI: 10.1049/tje2.12309 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1442-3

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC