Implementação e avaliação de uma rede Wi-SUN FAN para aplicações em redes inteligentes de energia

Abstract

O uso de redes elétricas inteligentes tem mostrado vantagens econômicas e operacionais nas regiões em que o modelo foi aplicado. Entretanto, sua implementação esbarra em um alto custo de manutenção e expansão, já que muitas tecnologias utilizadas neste setor não são interoperáveis por serem baseadas em protocolos proprietários. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo analisar a viabilidade do uso de uma rede wireless baseada em padrões abertos chamada Wi-SUN com perfil FAN para aplicações de AMI (Advanced Metering Infrastructure), através da análise de métricas de rede. Os capítulos abordam de forma sistemática os protocolos que compõe o Wi-SUN FAN, mostrando suas particularidades e configurações para a regulamentação brasileira de rádiofrequência. Uma análise teórica do perfil, bem como três experimentos práticos, foram apresentados mostrando o desempenho da rede em relação à latência; confiabilidade de entrega de dados e throughput. No primeiro experimento, dispositivos enviaram periodicamente dados de tamanhos variáveis para o roteador de borda alterando parâmetros da rede como modo de uso dos canais (Frequency Hopping ou canal fixo), modo de transmissão e topologia. Nele, a periodicidade de envio de pacotes de seis roteadores foi variada a fim de se determinar o menor valor, ao qual as métricas de confiabilidade e latência atendem aplicações de AMI. Um segundo experimento foi desenvolvido para verificar a influência do número de saltos (Hops) no throughput máximo e na latência, a fim de analisar a viabilidade de aplicações que necessitam de alto volume de dados como o FOTA (Firmware over the air). Por último, também foram analisadas a confiabilidade e latência da rede, em função das interferências na faixa ISM de 915MHz, buscando-se determinar a robustez da rede em ambientes com muita interferência de RF. Os resultados demonstraram a viabilidade da rede Wi-SUN perfil FAN para as aplicações de AMI e apresentou uma correlação entre os parâmetros da rede com as métricas, permitindo que gestores, engenheiros e técnicos tomem decisões assertivas na aplicação dessa rede em AMI.

The smart grid adoption has shown great economical and operational advantages in areas where it was implemented. However, it comes with high costs associated with the lack of interoperability on the proprietary technologies. In such context, this work intended to evaluate an open standard based network called WiSUN profile FAN in Advanced Metering Infrastructure (AMI) applications, by means of a network metrics analysis. The chapters systematically details the Wi-SUN FAN protocols exposing their particular features and configurations for Brazilian radiofrequency regulation. A theoretical in-depth protocol analysis and three practical experiments were provided to support the network performance evaluation regarding latency; data delivery reliability and throughput. On the first experiment, the nodes sent variable payload messages periodically to a border router with varying network parameters such as channel usage method (Frequency Hopping or Fixed Channel), Unicast transmission patterns and topology to determine the minimum period the network could reach the reliability and latency expected for AMI applications. The second one was developed to evaluate the hops influence on maximum throughput to determine the feasibility of applications that requires high data rates such as Firmware Over the Air (FOTA). Lastly, the reliability and latency against interference within ISM sub Giga Hertz spectrum was analyzed in order to determine the network applicability on noisy environment. The results shown that Wi-SUN FAN networks could reached AMI requirements under certain conditions. In addition, it shown a correlation between the network parameters and the metrics, supporting managers and engineers to get better decisions about Wi-SUN FAN network.