Abstract

A smart grid (SG) is a modernized electrical grid utilizing new electronic information, communications, and control technologies. The smart grid enables the efficient use of energy resources, such as renewables like solar and wind, for environmental friendly energy production and consumption. Bi-directional communication makes possible intelligent metering, monitoring, management, demand response, and energy trading systems. Wireless communications are a potential option to enable communications in SGs but require research on the usability of different wireless solutions for various SG applications.

The research of this thesis, firstly, focuses on a highly loaded public LTE network, in which typical cellular and SG traffic was transmitted simultaneously using the same base station and frequency bands, i.e., a so-called shared LTE network was evaluated. The SG traffic was modeled as three different demand response applications, automatic metering reading, and emergency messaging. Network simulations were conducted in a suburban scenario with different SG and typical traffic volumes. Secondly, a hybrid sensor-LTE network that combines IEEE 802.15.4 and LTE networks was compared against the shared LTE network. Thirdly, an ad hoc LTE method was proposed for smart meters to overcome issues relating to lack of base station connectivity. Fourthly, the applicability of a long-range wide area network (LoRaWAN) for delivering various amounts of traffic was researched.

The results illustrated that shared LTE and hybrid sensor-LTE networks are suitable for delivering some amount of concurrent SG and typical cellular traffic. The ad hoc LTE method enables the delivery of demand response traffic using a multi-hop path from smart meters to the relay node connected to a base station. The reliability of LoRaWAN is insufficient for SG communications, but may be improved with some technology modifications.

Tiivistelmä

Älykäs sähköverkko on modernisoitu sähköverkko, joka hyödyntää sekä uudenlaista sähköistä tietoa että tietoliikenne- ja ohjaustekniikoita. Älykäs sähköverkko mahdollistaa energiaresurssien, kuten uusiutuvien energialähteiden (esimerkiksi aurinko ja tuuli), tehokkaan hyödyntämisen edesauttaen ympäristöystävällistä energian tuotantoa ja kulutusta. Kaksisuuntainen tiedonsiirto mahdollistaa älykkään mittauksen, monitoroinnin, hallinnan, kysyntäjouston ja energiakaupan sähköverkoissa. Langattomat tietoliikennetekniikat ovat potentiaalinen vaihtoehto tiedonsiirron toteuttamiseen älykkäissä sähköverkoissa, mutta vaativat tutkimusta eri langattomien ratkaisujen käyttökelpoisuudesta erilaisten älykkäiden sähköverkkojen sovellusten yhteydessä.

Tämän väitöskirjan tutkimus, ensinnäkin, keskittyy erittäin kuormitettuun, julkiseen LTE-verkkoon, jossa tyypillisiä matkapuhelinliikenteitä ja älykkäiden sähköverkkojen dataa siirrettiin yhtäaikaisesti, käyttäen samaa tukiasemaa ja samoja taajuuskaistoja, toisin sanoen niin kutsuttu jaettu LTE-verkko evaluoitiin. Älykkäiden sähköverkkojen data mallinnettiin perustuen kolmeen eri kysyntäjoustosovellukseen, automaattiseen mittarinluentaan ja hätäviesteihin. Verkkosimulaatiot suoritettiin esikaupunkiskenaariossa, jossa siirrettiin eri määriä älykkäiden sähköverkkojen dataa ja tyypillisiä matkapuhelinliikenteitä. Toiseksi, hybridi-anturi-LTE-verkkoa, joka yhdistää IEEE 802.15.4- ja LTE-verkot, verrattiin jaettuun LTE-verkkoon. Kolmanneksi, ad hoc LTE -menetelmä kehitettiin älykkäitä sähkömittareita varten, jotta yhteysongelmat tukiasemaan saataisiin ratkaistua. Neljänneksi, tutkittiin pitkän kantaman laajaverkon (LoRaWAN) soveltuvuutta eri datamäärille.

Tulokset osoittavat: Jaettu LTE-verkko ja hybridi-anturi-LTE-verkko ovat soveltuvia siirtämään tietyn määrän yhtäaikaista älykkäiden sähköverkkojen dataa ja tyypillistä matkapuhelinliikennettä. Ad hoc LTE -menetelmä mahdollistaa kysyntäjoustotiedon viestinnän käyttäen monihyppyreittiä älykkäiltä sähkömittareilta välittäjälaitteelle, joka on yhteydessä tukiasemaan. LoRaWAN:in toimintavarmuus on riittämätön älykkäiden sähköverkkojen tietoliikenteelle, mutta sitä voi mahdollisesti parantaa tietyillä tekniikkamodifikaatioilla.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Markkula, J., & Haapola, J. (2013). Impact of smart grid traffic peak loads on shared LTE network performance. In 2013 IEEE International Conference on Communications (ICC), 4046–4051. https://doi.org/10.1109/ICC.2013.6655193

2. Markkula, J., & Haapola, J. (2013). LTE and hybrid sensor-LTE network performances in smart grid demand response scenarios. In 2013 IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), 187–192. https://doi.org/10.1109/SmartGridComm.2013.6687955

3. Markkula, J., & Haapola, J. (2018). Impact of shared LTE network high typical traffic loads on smart grid demand response schemes. In 2018 3rd International Conference on Smart and Sustainable Technologies (SpliTech), 1–6.

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Markkula, J., & Haapola, J. (2020). Shared LTE network performance on smart grid and typical traffic schemes. IEEE Access, 8, 39793–39808. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2975879

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Markkula, J., & Haapola, J. (2018). Ad hoc LTE method for resilient smart grid communications. Wireless Personal Communications, 98(4), 3355–3375. https://doi.org/10.1007/s11277-017-5018-1

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

6. Markkula, J., Mikhaylov, K., & Haapola, J. (2019). Simulating LoRaWAN: On importance of inter spreading factor interference and collision effect. In ICC 2019 - 2019 IEEE International Conference on Communications (ICC), 1–7. https://doi.org/10.1109/ICC.2019.8761055

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version