104
Blekinge Institute of Technology Licentiate Dissertation Series No. 2012:01 School of Computing COORDINATION AND MONITORING SERVICES BASED ON SERVICE LEVEL AGREEMENTS IN SMART GRIDS Shahid Hussain

Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

Blekinge Institute of Technology

Licentiate Dissertation Series No. 2012:01

School of Computing

Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL agreeMentS in SMart gridS

Co

or

din

at

ion

an

d M

on

ito

rin

g S

er

viC

eS

B

aS

ed

on

Se

rv

iCe

Le

ve

L a

gr

ee

Me

nt

S in

SM

ar

t g

rid

S Shahid H

ussain

ISSN 1650-2140

ISBN: 978-91-7295-224-9

The EU Climate and Energy package, setting

the 20-20-20 targets of future energy systems by

2020 will change the landscape of future energy

system in Europe and worldwide. A transition

from monopolised controlled Power network to

customer oriented Smart Grids operating in dere-

gulated energy markets poses several regulatory,

organizational and technical challenges. To that

end several international Smart Grid projects

have been launched worldwide in EU, the US

and China. To cope with the inherent complexity

of Smart grid systems the systemic property of

Interoperability has been proposed by organisa-

tions such as NIST and GridWise in the US and

is also adopted by EU.

Interoperability of smart grids entails design,

implementation, validation and maintenance of

systems ensuring technical, information, and or-

ganizational interoperability. In order to address

Quality of Service (QoS) in this setting, the tool

of Service Level Agreements (SLAs) has been

proposed. A SLA set up the coordination bet-

ween stakeholders in a business case and rele-

vant services with set-points and agreements to

be monitored. A challenge is to identify relevant

(new) stakeholders, their competences and roles

in the business case.

In the thesis we specifically address the follo-

wing issues:

• Empowerment of end-users

• Trustworthy integration of DER- Distributed

Energy Resources in delivered services

• Validation (Interoperability) of SLAs

To those ends, we have implemented an experi-

mental test bed based on Multi-Agent systems

and sensor technologies.

The thesis concludes with assessments of our

findings and some pointers to future work. Our

work is validated scientifically and industrially

by participating in the two EU project INTE-

GRAL and SEESGEN-ICT, both ended in late

spring 2011.

aBStraCt

2012:01

2012:01

Shahid Hussain

Page 2: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

Coordination and Monitoring Services Based on Service

Level Agreements in Smart GridsShahid Hussain

Page 3: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 4: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

Coordination and Monitoring Services Based on Service

Level Agreements in Smart Grids

Shahid Hussain

Licentiate Dissertation in Computer Science

Blekinge Institute of Technology licentiate dissertation seriesNo 2012:01

School of ComputingBlekinge Institute of Technology

SWEDEN

Page 5: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

2012 Shahid Hussain School of ComputingPublisher: Blekinge Institute of Technology,SE-371 79 Karlskrona, SwedenPrinted by Printfabriken, Karlskrona, Sweden 2012ISBN: 978-91-7295-224-9 ISSN 1650-2140urn:nbn:se:bth-00518

Page 6: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

 

Abstract 

 The EU Climate and Energy package, setting the 20‐20‐20 targets of future energy systems by 2020 will  change  the  landscape of  future energy  system  in Europe and worldwide.   A transition  from monopolised controlled power network  to customer oriented Smart Grids operating  in  deregulated  energy  markets  poses  several  regulatory,  organizational  and technical  challenges.  To  that  end  several  international  Smart  Grids  projects  have  been launched worldwide  in EU, US and China. To cope with  the  inherent complexity of Smart grids the systemic property of Interoperability has been proposed by organisations such as NIST and GridWise in the USA and is also adopted by EU.  Interoperability of smart grids entails design,  implementation, validation and maintenance of systems ensuring technical,  information, and organizational  interoperability.  In order to address Quality of Service (QoS) in this setting, the tool of Service Level Agreements (SLAs) has been proposed.  A SLA set up the coordination between stakeholders in a business case and  relevant  services with  set‐points and agreements  to be monitored. A  challenge  is  to identify relevant (new) stakeholders, their competences and roles in the business case. In the thesis we specifically address the following issues:  

• Empowerment of end‐users • Trustworthy integration of DER‐ Distributed Energy Resources in delivered services • Validation (Interoperability) of SLAs 

 To  those  ends,  we  have  implemented  an  experimental  test  bed  based  on Multi‐Agent systems and sensor technologies.  The  thesis concludes with assessments of our  findings and some pointers  to  future work. Our work  is validated  scientifically and  industrially by participating  in  the  two EU project INTEGRAL and SEESGEN‐ICT, both ended in late spring 2011. 

V  

Page 7: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

 

Acknowledgement  

I would  like to express my sincere gratitude to my main supervisor Prof. Rune Gustavsson for  his  invaluable  guidance  and  help  in  my  ongoing  studies.  It  is  really  a  wonderful experience I gained from him about understanding not just education but about life.  

Thanks  to  Prof.  Lars  Lundberg  and  Dr. Martin  Fredriksson  for  their  useful  guidance  in understanding PhD education. None the  less the moral support from  Jenny Lundberg and the news about  flaws and breaches  in  ICT  from Bjorn Stål has  really motivated me  to go forward. Thanks to my fellow PhD students that provided me a wonderful experience in life during the stay at BTH. Thanks to all the other co‐workers at BTH for their encouragement that  keep  me  fresh  and  energetic.  I  gratefully  acknowledge  the  contributions  of  Lars Nordström,  Arshad  Saleem,  Nicholas  Honeth  and  Claes  Sandels  for  their  Ideas  and contribution to this thesis. 

Last,  I would  like  to  thank my  Father  and  Family  for  all  their patience  they have  shown during my studies.  

 

This work has been partially funded by the EC grants: FP6‐038576, INTEGRAL FP7‐238868, SEESGEN‐ICT    

VI  

Page 8: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

 

 

 

 

 

 

Dedicated to  

My father & family 

VII  

Page 9: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

 

List of Publications 

The following publications are included in this thesis 

Published Papers 

• Hussain,  S.,  Gustavsson,  R.:  Coordinating  Energy  Business  Models  and  Customer Empowerment  in  Future  Smart Grids.  ICST  Conference  on  E‐Energy.  E‐Energy,  2010. October 14‐15, 2010, Athens, Greece. 

• Hussain,  S.,  Honeth,  N.,  Gustavsson,  R.,  Sandels,  C.,  Saleem,  A.:  Trustworthy Injection/Curtailment  of DER  in Distribution Network maintaining  quality  of  Service. Intelligent  System  Application  to  Power  Systems  (ISAP),  2011  16th  International Conference on. pp. 1–6 (2011). 

• Gustavsson, R., Hussain, S. and Nordström, L: Engineering of Trustworthy Smart Grids Implementing  Service  Level  Agreements.  In  Proceedings  of  16th  International Conference on  Intelligent System Applications to Power Systems. September 25 – 28, 2011, Greece, 2011 (2011). 

 

The following reports were published for EU SEESGEN‐ICT project; some material from the reports has been adapted in this thesis. 

EU Project Published Reports  

• SEESGEN‐ICT D3.2 ICT for Data Management and Inter‐Stakeholders Services Monitoring in Smart Grids, July 2010  • SEESGEN‐ICT D3.3   Report on Technical and Non‐Technical Barriers and Solutions for Inter Stakeholders Service Monitoring in Smart Grids with DER, September 2010  • SEESGEN‐ICT D3.4  Policy Actions and Recommendations for Coordination and Monitoring of Processes in Smart Grids, March 2011    

VIII  

Page 10: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

 

IX  

List of Abbreviations 

 

BMS  Business Management Systems DER  Distributed Energy Resources DG  Distributed Generation DGO  Distributed Generation Operator DN   Distribution Network DS  Distributed System DSO  Distribution System Operator CVPP  Commercial Virtual Power Plant EC2  Elastic Cloud Computing EMS  Energy Management Systems IaaS  Infrastructure as a Service ICT  Information Communication Technologies IKT  Information and Knowledge Technologies OPC  OLE for Process Control PaaS  Platform as a Service PHEV  Plug‐in Hybrid Electric Vehicles PLC  Programmable Logic Controller RES  Renewable Energy Sources RTU  Remote Terminal Unit SaaS  Software as a Service SCADA  Supervisory Control and Data Acquisition SLA  Service Level Agreements SLO  Service Level Objectives TSO  Transmission System Operator VPN  Virtual Private Network VPP  Virtual Power Plant XML  Extensible Markup Language 

Page 11: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 12: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

 

Table of Contents 

PART I ‐ PREAMBLE 

1.  INTRODUCTION ..................................................................................................... 15 

1.1  POWER GRID ............................................................................................................ 15 1.2  SMART GRIDS ........................................................................................................... 16 1.3  STAKEHOLDERS & CHALLENGES OF SMART GRIDS ............................................................ 17 1.4  MONITOR/CONTROL – COORDINATION IN SMART GRIDS .................................................. 20 1.5  CHAPTER SUMMARY .................................................................................................. 23 1.6  THESIS STRUCTURE .................................................................................................... 24 

2  RESEARCH METHODOLOGY ................................................................................... 25 

2.1  SERVICE LEVEL AGREEMENTS (SLAS) ............................................................................. 26 2.2  OBJECTIVES OF THE THESIS ........................................................................................... 26 2.3  CONFIGURATION OF METHODOLOGY ............................................................................. 27 2.4  IDENTIFIED GAPS ....................................................................................................... 27 2.5  RESEARCH QUESTIONS ................................................................................................ 28 2.6  CONTRIBUTIONS ........................................................................................................ 29 

3  COORDINATION ‐ INTEROPERABILITY AND TRUSTWORTHINESS ............................. 31 

3.1  INTEROPERABILITY ..................................................................................................... 32 3.2  TRUSTWORTHINESS .................................................................................................... 34 3.3  CHAPTER SUMMARY .................................................................................................. 37 

4  SLA – A MECHANISM FOR TRUSTWORTHY COORDINATION ................................... 41 

4.1  SLA DESIGN ............................................................................................................. 43 4.2  SLA FRAMEWORK ..................................................................................................... 44 4.3  SLA NEGOTIATING TOOL ............................................................................................. 47 4.4  CLUSTERS OF SLAS .................................................................................................... 48 4.5  MONITORING SLA ..................................................................................................... 49 4.6  ARCHITECTURAL DESIGN ............................................................................................. 50 

5  CONCLUSION ......................................................................................................... 53 

5.1  RESEARCH QUESTION ANSWERS ................................................................................... 53 5.2  RELEVANCE .............................................................................................................. 54 5.3  VALIDATION ............................................................................................................. 54 5.4  CONCLUSION ............................................................................................................ 55 5.5  FUTURE WORK .......................................................................................................... 55 

6  REFERENCES .......................................................................................................... 57 

 

XI  

Page 13: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

 

XII  

PART II ‐ PUBLISHED PAPERS 

COORDINATING ENERGY BASED BUSINESS MODELS AND CUSTOMER EMPOWERMENT IN FUTURE SMART GRIDS ................................................................................................... 63 

TRUSTWORTHY INJECTION/CURTAILMENT OF DER IN DISTRIBUTION NETWORK MAINTAINING QUALITY OF SERVICE ................................................................................ 75 

ENGINEERING OF TRUSTWORTHY SMART GRIDS IMPLEMENTING SERVICE LEVEL AGREEMENTS ................................................................................................................ 87 

 

APPENDIX A 

SLA AGENT IMPLEMENTATION ...................................................................................... 100 

 

Page 14: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PART I PREAMBLE  

   

  

Page 15: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 16: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

      Introduction                                          P a g e  | 15  

  

1. Introduction 

During the  last decade there has been a significant  increase  in the consumption of energy due to increase usage and reliance on electrical devices. The usage of smart devices makes life  comfortable  during  travelling,  reading,  listening,  jogging  and  sleeping.  These  devices create energy demand. Such energy  is  in  the  form of electricity produced by  large power plants at distant location then transports that electricity to the home power outlet with the help of electric wires. The distributed nature of this electric wires network poses numerous challenges for the safe and reliable delivery of the energy.  Numerous  incidents  have  demonstrated  the  frequency  and  serious  consequences  of disruption of energy delivery on the broader scales  like the 2003 blackouts  in USA, where millions of people suffered for a 24 hours outrage costing billions of US dollars. Scandinavia also  suffered  similar  incident  in  2003  and  the  estimated  economy  loss  was  around 4000MSEK  [1].  These  events  raise  concerns  in public opinion  about  the  reliability of  the power systems. The noticeable fact is that the above mentioned blackouts happened due to malfunctioning in SCADA (Supervisory Control and Data Access) system or the staff was not trained enough to verify what was the cause of the alarm, so information was not properly managed  [2].  Therefore  a  need  is  noticeable  for  ICT  (Information  Communication Technology) systems to measure, analyze and control such information.  Traditional power systems are composed of BMS (Business Management System) and EMS (Energy Management System).   

• Power Systems = EMS + BMS   The  EMS  system  is  in  turn  composed  of  tools  supporting  the  operator  to manage  daily energy flow activities; therefore, these tools help the operators to make effective decision. A  subsystem  of  EMS  called  SCADA  system  provides  Control  and Monitoring  of  electrical devices  to  EMS  system.  The  BMS  handles  business  management  functions  like  CRM (Customer Relationship Management) and Billing system.     

1.1 PowerGridTraditional  Power  grid  consists  of  multiple  functions  like  generation,  transmission  and distribution  of  electricity.  Conventional  grid  stakeholders  are  based  on  these  predefined functions. Hence the stakeholders (like DG, TSO and DSO) describe the functionalities of the stakeholders.    The  old  power  systems  primarily  focus  was  to  generate,  transmit  and distribute energy, with predefined quality to support demands. Furthermore  the business should be as cost efficient as possible.   Here are some of the key points in Power Systems 

• Focuses  on  generation  and  distribution  of  power,  the  customer  is  traditionally 

regarded as a passive load.  

Page 17: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

                                                P a g e  | 16 Introduction 

  

• Emphasis  on  hierarchical  monitoring  and  control  of  power  production  and distribution manifested stovepipe SCADA system.  

• Emphasis on subsystem related to reliability and billing. • Generation Operators and TSOs are the main key players that control the market 

and the pricing strategy. • Tariff based billing 

          

Power Distribution 

Generation 

Information flow Energy flow 

Consumer 

Business  Fig 1.1, Architecture view of information/energy flow in power grid 

 Fig 1.1, presents  the architecture view of energy  flow and  information  flow  in  the power grid, the power link between the power generation and distribution are supported by long transmission  lines.  Today  SCADA  systems monitor  different  set  point  for  energy  flow  in generation, transmission and to some extent in distribution as shown by dotted lines in the Fig 1.1. SCADA system relays back the  information to a control centre operator that takes necessary  action  to  keep  demand  and  supply  in  electric  balance.  From  Fig  1.1,  the information about consumption  is  in  the  form of meter data  to generate  the bills  for  the customer.   

1.2 SmartGridsThe  concept of  “smart”  in Smart Grids  refer mostly  to  “Smart distribution grids” utilizing smart  energy  system  components,  empowered  and  active  customers,  and  flexible  and resilient  systems  [3].  This  is  enabled  by  a  transition  of  today’s  hierarchical  and mostly proprietary systems to open,  loosely coupled and  flexible service oriented systems. These flexible  pattern  oriented  interaction models  are  key  enabler  for  smart  grids  as  evolving system. 

Page 18: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

                                                P a g e  | 17  

  

                                                           

Future  Smart  Grid  goals  are  presented  in  number  of  articles;  however  a  standard  and generic  definition  does  not  exist.  In  this  thesis,  we  follow  the  Smart  Grids  European Technology platform1 definition as presented   “Smart  grids  as  electricity  networks  that  can  intelligently  integrate  the  behaviour  and actions of all users connected to it ‐ generators, consumers and those that do both – in order to efficiently deliver sustainable, economic and secure electricity supplies. “   As presented further, a smart grid employs innovative products and services together with intelligent monitoring, control, communication, and self‐healing technologies in order to:  

• Better  facilitate  the  connection  and  operation  of  generators  of  all  sizes  and technologies. 

• Allow consumers to play a part in optimizing the operation of the system. • Provide consumers with greater information and options for choice of supply. • Significantly  reduce  the  environmental  impact  of  the  whole  electricity  supply 

system. • Maintain or even  improve the existing high  levels of system reliability, quality and 

security of supply. • Maintain and improve the existing services efficiently. • Foster market integration towards European integrated market. 

 

1.3 Stakeholders&ChallengesofSmartGridsStakeholders  plays  important  role  in  defining  the  business  and  organization  aspects  in power  grids.  There  are  number  of  challenges  associated  with  the  increase  of  these stakeholders.  In  this  section  we  will  discuss  the  old  and  new  stakeholders  as  well  as challenges involved in the current infrastructure.  

1.3.1 TraditionalStakeholdersIn  traditional  power  systems,  the  stakeholders  have  names  based  on  their  roles.  The stakeholders are:   

• Generation Operator  • Transmission System Operator (TSO) • Distributed System Operator (DSO) • Consumers/End Users (Loads) 

 Usually,  the  TSO monitors  and  controls  the high‐voltage  energy  flow  from  generation  to lower‐voltage levels via the transmission networks. The energy flow at lower voltage levels to end users is managed by DSO.    

 1 EU Smart Grid Home Page http://www.smartgrids.eu/ 

Page 19: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

      Introduction                                          P a g e  | 18  

  

                                                           

Generation Operator  The  estimated  household  electricity  consumption  of  EU  countries  was  approximate 765TWh2  in  2004  [4].Vast  amount  of  resources  are  required  to  balance  this  needs.  The large segment of energy  is produced by big power plants  that generates huge amount of electricity like Dams, Gas/Coal power plants and nuclear power plant. 

There are two categories of generation operator’s • Large scale 

Hydro Generation (DAM), Coal Power Plants, Nuclear power plants  

• Small Scale Small scale Hydro power Generation, Wind farms, Gas Power plants 

The future role of Large generation plant remain the same, however the small scale plants will consider to take more active part in smart grid (referred in section heading DERs).  

TSO  Electricity as  fundamental energy  resource,  it  is  important  to  transport generated energy from  generation  to  consumer  locations.    Transmission  System  Operator manages  large networks of electric wires. These electric wires provide a medium to carry electricity from generation  to  near  location  of  the  consumers.  Additionally  TSO  is  also  responsible  to maintain energy balance by incorporating small power plants that functions in  

 • Increasing/decreasing the amount of energy  • Controlling frequency and harmonics levels • Maintaining voltage level (reliability/protection) 

  DSO DSO  (Distribution  System  Operator)  is  responsible  for  distribution  of  electricity  to  the consumer. Typically the distribution network works at medium (less than 50kV3) and lower (less  than 1 kV) voltage  levels. Due  to  the deregulation  in EU,  the DSO  is  responsible  for running the distribution network maintaining power quality in the network. To maintain the power quality it has to consider either injection or curtailment of DER. The role entails the DSO to act as a facilitator in energy flow and not to participate in actual energy market. The DSO main concern is to optimize the usage of its grid network.  Consumers/End Users (Loads) Consumers are one of the key stakeholders that use electricity. They are divided  into two main categories 

• Residential • Industrial  

 2 TWh ‐ Terawatt hours 3 kV ‐ Kilovolts 

Page 20: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

      Introduction                                          P a g e  | 19  

  

 From the power grid perspective they are termed as loads and these loads are divided into two categories 

• Deferrable loads The  transition  from  simpler  loads  to  Demand  Side Management  (DSM) programs has provided means for DSO to control customer’s energy usage according to agreement. Few Industrial units categorize as deferrable loads, where the DSO/consumer if desired can cut, decrease or increase the loads. 

• Non deferrable loads Consumers  who  do  not  participate  to  reduce  or  increase  loads  in  DSM 

programs referred as non deferrable loads.  

1.3.2 Transition:NewstakeholdersThe  transition  from old power grid  to  future smart grid  introduces new stakeholders and also  there are additional roles  for DG and DSO. As a result,  it creates new business cases and the demand for additional ICT infrastructure to manage information flow.   Distributed Energy Resources (DERs) Operator These  are  the  small  distributed  power  sources  that  are  used  to  generate  power  and typically  incorporated  at  the  distribution  level  in  the  Grid.    DER  injects  energy  at  the horizontal  level  in  the  Grid.  Normally  DER  generate  small  amount  of  electricity  in comparison  to  large  power  plant.  DSO  injects  or  curtails  energy  from  DER  into  the distribution grid  in a short amount of time to balance demand and supply gap resulting  in optimally distribution system management.  These are broadly categorize into two types  

• Schedulable  resources CHP, Small Gas/Diesel Generator, Bio Gas plant 

• Non‐Schedulable resources Wind Power plant, Solar panels 

 DER sells its energy in the day‐ahead market, although their production is dependent on the DSO. However their aim is to provide efficient substitute to central generation of energy.    Commercial Aggregator The  role of  the  commercial aggregator  is  to manage  the  information  flow and act as  the service broker. It acts as a market, the sellers publish their service offerings and the buyers buy those service offerings using the brokerage services.   Empowered Customer In view of the new use cases the need of empowered customer is highly emphasis in recent EU Smart Grid report [4]. As due to the transition and also due to the  influx of PHEVs, the consumer  has  a  new  role  of  producing  energy  also,  thus  sometime  refer  as  prosumer. 

Page 21: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

      Introduction                                          P a g e  | 20  

  

According to Webster dictionary Empower means “to give official authority or legal power”. In  this  thesis  we  argue  that  this  transition  from  loads  to  empowered  customer  needs support of additional tools for empowerment. These tools require ICT platform to facilitate in providing services  to  the customer. These  tools provide sufficient  interfaces  for adding and monitoring services and other information based on negotiated SLAs.  

1.3.3 ChallengesinSmartGridDuring the last century, the State manages and operates the Power Grid from Generation, Transmission  till Distribution.  In  the  last decennium of 20th century,  it was demanded by the EU to de‐regulate the power grid. Due to these de‐regulation new players emerged on the scene resulting additional business perspective with new business offerings along with competitive  prices. However,  as  the  old  infrastructure  has  been  running  almost  for  100 years in a controlled manner, less effort has been done for new business opportunities and services offering. Hence, legacy system like SCADA shall be needed to monitor and control the  existing  components  [5].  This  tight  coupling  entails  the  SCADA  system  to work  in  a vertical manner. Furthermore,  the control and monitoring mechanism works  in  the  same bidirectional way  i.e. measurements  collected  at  the  distribution  level  and  transmission level relay to an operator to manage the generation and distribution accordingly.   Future Smart Grids highlight new stakeholders and future needs of individuals as well as of the  society  at  large  to  save  the  resources  of  the  planet.  It  enhances  the  importance  of adding more  renewable  resources  to  the current  infrastructure and manages  the existing resources  in an effective and efficient manner. The basic  services offered by  the  current infrastructure needs an improved measuring and monitoring mechanism that will provide a way  forward  to  achieve  the  goals  emphasized  in  the  future  Smart Grid  agenda  that  are mentioned as:  

• Consumer empowerment • Interoperability between SCADA and ICT • Managing horizontal integration by incorporating DER and RES  • New services offering like Green energy and V2G integration • Security of the Grid  • Self healing and resilience 

 Solutions for alternative energy sources deem important to manage demand and the supply gap. It has been highlighted in many USA and EU projects to develop new ways for energy sources and enhance methods that helps not only in restoring the energy balance but also  preserve the natural resources to keep the planet clean for future generations.   

1.4 Monitor/Control–CoordinationinSmartGridsAs  already  discussed  in  introduction  section,  currently  power  grids  are  monitored  and controlled by SCADA system. SCADA system is a vital component in today’s energy sector; it provides monitoring  and  controlling  interfaces  between  the  human  and  the machine.  It 

Page 22: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

      Introduction                                          P a g e  | 21  

  

helps the operator to read sensory data or to change state  in actuators to ensure stream flow of energy.  

1.4.1 SCADASystemTraditional SCADA systems evolve from telemetry and telecomm solutions. In the context of power  management,  SCADA  is  used  to  monitor  the  generation,  transmission  and distribution of energy flows. Characteristics of SCADA systems are:  

• Hierarchical  • Highly integrated • Supporting simple data models (set points) 

 SCADA system has evolved through three generations:  

• Mainframe (monolithic) systems • Distributed systems (Mostly proprietary solutions) • Networked systems (Open architectures and protocols) 

 SCADA  system monitors  sensors  to measure  the amount of  some  specific energy  flow or state  of  a  device.    These  measurements  are  affixed  to  a  static,  typically  hard  coded, hierarchical  representation of  the grid. The energy  flow process  consists of  thousands of devices  from  large  scale  transformers  to  small  switches  and  sensors  that  relay measurement to a specific terminal for showing specific information.   Common SCADA system components: 

• Human‐Machine Interface • A supervisory (computer) system • Remote Terminal Units (RTUs) • Programmable Logic Controller (PLCs) • Communication infrastructure (Connecting the supervisory system with RTUs) 

 Control  actions  are  performed  automatically  by  (local  loops)  RTUs  and  PLCs.  The  Host control functions mostly on supervisory level interventions.   Furthermore, it is developed to operate in a closed, controlled networked environment [6, 7]. This  is  relevant  in part due  to  the sensitive nature of  the governed  infrastructure, but also because the components that make out the system span considerably larger period of time  and  area  than  other  corporate  ICT  solutions.  Implies  that  a  larger  span  of  attack techniques are viable and more  likely  to  succeed  than  in a more dynamic open or  semi‐open network such as the internet or an intranet [8].   Moreover, as the SCADA system  is a key component  in  the retrieval of measurements on the  current  state  of  the  governed  infrastructure,  information  somehow  need  to move between the closed SCADA networks to other parts of the corporate network [7]. Thus, it is no  longer feasible to operate under the conditions of the SCADA network being closed to the outside world.  

Page 23: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

      Introduction                                          P a g e  | 22  

  

 As a matter of fact, without added communication systems, a transmission or distribution operator has no way of determining whether customers are connected or a problem has occurred somewhere  in the field [8]. The SCADA offers no  intrinsic way of  informing from one location; what is happening at another location.  Furthermore,  the  tight  coupling  and  integration  of  signals make  it  hard  to  “interpret”, “reuse” or “manage” data  from a SCADA system  [8]. Of course, SCADA systems have also been complemented by tools for data management (predictions, performance analysis) by system administrators. But, in summary, present SCADA systems have to be supplemented by other  ICT systems supporting new energy based business processes  (energy efficiency) and customer empowerment of future Smart Grids.  

1.4.2 ChallengesforICTsupportedSCADAsystemsSCADA  system  is  a  vital  component  in  today’s  utility  sector;  it  provides monitoring  and controlling interfaces between the human and the machine.  There are number of factors to support the need of new SCADA systems:   

• The technology is getting older as it can only manage the energy flow, while there is  a  huge  demand  for managing  information  flow  caused  by  the  emergence  of Smart Grids concepts.  

 • Future  Smart Grids  introduces new  stakeholders  that  require  information  about 

the  energy  flow  in  real  time  that  is  arguably not being provided by  the  current SCADA systems.  

 • In Smart Grids the consumer is also an active participant (new type of stakeholder) 

that makes optimized decision based on his/her usage of energy.  There  are  known  vulnerabilities,  at  different  voltage  levels,  in  currently  used  SCADA technologies as presented in [2, 6, 8].  However, due to the  large  installed base of SCADA systems, we have to deal with several legacy problems during transition from current grids to future Smart grids.  One  challenge  for  SCADA  systems  in  near  future will  be  the  increasing  amount  of  data. There will be more  sensory measurements  in  the network.  These measurements will  be located on low voltage level at the distribution level or at end user premises.  For instance distribution  transformers  are  increasingly  equipped with  on‐line monitoring  systems  and protection relays include measurement functionalities. Present communication systems are becoming more and more reliable for managing these data masses. The key function will be to find the important data and to use it efficiently. This means that data processing will be a vital function and development will be needed also on this area. 

Another challenge for SCADA systems is the increasing amount of generation on all voltage levels  [9,  10].  As  DG  can  be  present  practically  anywhere,  the  real‐time  network 

Page 24: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

      Introduction                                          P a g e  | 23  

  

management becomes more important. For instance the switching state of the DG units can be crucial information for the network operator. From the network reliability point of view, network becomes more dependent on  the  generators  and needs  thereby  to  control  and monitor them efficiently. Also power quality monitoring and management will increase and it needs to be integrated into distribution automation and SCADA. 

Generally  the  protection  system  will  be  using  much  more  communication.  Increase  in communication will also occur between individual relays, not only between SCADA and the relay.  Standardized  protocols  such  as  IEC  61850  enable  effective  communication.  For instance, typical protection problems caused by DG in distribution network could be solved by using communication between feeder relay and DG  interconnection relay. Generally,  it can  also  be  said  that  distribution  system  protection will  start  to  share  similarities with transmission  system  protection  as  the  amount  of  DG  increases.  This  is mainly  because distribution  network  becomes  more  meshed  with  generators  connected.  Thus  some protection solutions could be imported quite simply from transmission networks.  

1.5 ChapterSummaryThe inherit properties of Power System are 

• Distributed Systems • Multiple Stakeholders • Business Cases  

Based  on  above  properties,  the  challenge  is  to make  a  smooth  transition  from  classical monitoring and control stovepipe system to flexible, well‐coordinated and reliable systems of systems.   A stovepipe system  is a  legacy system  that  is an assemblage of  inter‐related elements  that  are  so  tightly  bound  together  that  the  individual  elements  cannot  be differentiated,  upgraded  or  refactored.  Due  to  the  fact  that  future  Smart  Grids  will incorporate new stakeholders with new business cases, eventually results  in huge amount of  additional  information  flow.  The  current  system  tools  like  SCADA  system  is unable  to handle such transition, hence there is a need to have additional ICT infrastructure to handle coordination  between  components.  A  requirement  for  new  ICT  systems  with  loosely coupled  objects  enables  flexibility.  The  decoupling  of  systems  is  enabled  by  a  service oriented  approach;  hence,  web  service  applications  realized  by  developing  small component with  flexible  configuration  yet  having  strong  coordination  orchestrated  as  a service.  A decoupled (and hence more flexible) SCADA system could in fact be realized by coordinated set of services offered by coordinated SLA.   Keeping  in view  the benefits of  ICT  in  individual’s  life  it  is worthy  to open  the  stovepipe energy system and couple it with ICT system to build future Smart Grids platform. The gap between the current power grids infrastructure and future smart grids provides researchers the  opportunity  to  open  up  the  traditional  grid  and  coordinate  information  using  ICT systems.      

Page 25: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

      Introduction                                          P a g e  | 24  

  

1.6 ThesisStructureThis thesis is divided into two parts, Part 1 covers chapter I – V. In chapter I, we introduce background  knowledge,  stakeholder  information,  future  perspective  and  challenges involved  in  the  future smart grids. Chapter  II presents  research  focus, aim and objectives identified  gaps  and  research  questions.  In  Chapter  III  we  address  the  interoperability framework  and  trustworthiness.  Chapter  IV  describes  SLA  mechanism  for  coordinating information  flow.  In Chapter V we  concluded  the  thesis with  SLA  as promising  approach towards  trustworthy  coordination.  Part  II  present  selected  publications  related  to  the research.  

Page 26: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

                              P a g e  | 25     Research Methodology 

  

2 ResearchMethodology EU  commitment  towards  2020  Goals  is  driving  Power  System  players  to  integrate  ICT platform  to  achieve  their  goals. We  have  also  noticed  high  emphasis  in  EU  6th  and  7th Framework  program  to  upgrade  the  traditional  Power  Systems  and  couple  it  with  ICT system  to  create  future  smart  grids  platform.    As mentioned  in  several  EU  smart  grid reports  [3,  11],  there  will  be  a  huge  increase  in  information  flow  within  the  power components. To manage  such huge amount of  information,  there  is a need of additional explicit  ICT platform to manage and monitor the system. Due to the distributed nature of power systems each stakeholder knows only a small part of systems information i.e. at local level. Any malfunction at a  local  level can create cascading effects [2, 10]. Hence, a global view is required to make critical decisions if anything happens at a local level.  Currently, ICT tools deploy at more local level, however to have a global view a strong ICT infrastructure is desired as presented by NIST [12] in Fig 2.1.  

  

 Fig 2.1, NIST Smart Grid Conceptual Model – Top Level [12] 

 As presented  in Fig 2.1, a  step  towards  future Smart Grid  is  to have  strong  coordination mechanism  among  all  the  stakeholders. Coordination binds  two  systems  to manage  and share information [13]. The key mechanism for trustworthy coordination is to manage and monitor the information exchange as agreed by all the stakeholders. Successful Information exchange can be achieved with interoperable systems [14]. Protocols and standards create interoperable  system.  Adherence  to  these  protocols  ensures  interoperability.  Protocols provide horizontal  level  interoperability, whereas  for vertical  interoperability data models are required for information exchange between the network and business layer.  

The  other  important  barrier  is  the  tight  integration  of  Price  with  Energy  (KW/h)  as  a product. The approach we  recommend  is  to  look at  the  system  from  ICT perspective,  to 

Page 27: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Research Methodology                              P a g e  | 26  

  

take advantage of  services and allow new  stakeholders and business  cases. We argue  to decouple  energy  with  price  and  consider  more  added  values  to  customer  by  not  just providing  energy  but  COMFORT  as  a  service.    Consequently,  we  highlight  strong coordination between  ICT and SCADA system  facilitated by Service Level Agreements as a middleware solution towards trustworthy Smart Grids. 

 

2.1 ServiceLevelAgreements(SLAs)SLA (Service Level Agreement) is a formal agreement between the service providers and the customers  in  the  context  of  service  provisioning.  It  plays  significant  role  in  ensuring trustworthiness  among  stakeholders.  The  agreement mostly  covers  the quality  aspect of service like performance, availability and responsibility. It also holds the information about the roles and the responsibilities between the service provider and the customer and within the other stakeholders involved in the provisioning of services.  

The  future  SMART  GRIDS  requires  new  stakeholders  and  the  empowerment  of  the customers  that  are not  supported by  the  current EMS  and BMS  systems. To  incorporate these  stakeholders  and  new  business  cases,  a  strong  coordination  and  monitoring mechanism  is  required  to  ensure  the  provisioning  of  services  in  a  trusted  way. Implementation of systems taking into account functional and non‐functional requirements as well as  issues of flexibility and maintainability take  into models and methods of Service Oriented System engineering. Applications are  then designed as configuration of services. This  transition  from  closely  coupled  system  to  loosely  coupled  systems  with  strong coordination  emphasis  the  need  of  SLA  as  coordination  mechanism.  Moreover,  SLAs provides  tools  for  monitoring  critical  state  parameters  that  are  important  to  measure breakdowns and recover the system from critical situations.  

In this thesis, we argue that Monitoring set points using Service Level Agreements (SLAs) as a  tool  provide  trustworthy  information  exchange  among  the  stakeholders.  Further,  we presented use case scenarios and simulation using agent systems  to provide  the proof of concept of our approach.    

2.2 ObjectivesofthethesisThe  aim  of  the  study  is  to  provide  proof  of  concept  that  SLAs  offers  a mechanism  for trustworthy coordination within Smart Grid systems. 

The following objectives represent the direction of the study 

• SLA governance and procurement.  • Modelling and evaluation of information flows across boundaries provided by SLA 

concerning interoperability. • Benefit of adding ICT infrastructure by promoting additional business perspectives 

like  o Empowerment of the customer o Trustworthy Management of Distributed Energy Resources (DERs) 

Page 28: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

                                  P a g e  | 27 Research Methodology 

  

This study will further help in understanding the maintenance aspect of the system in order to make  it resilient. Future viewpoint  is to develop a trustworthy coordination mechanism between horizontal and vertical  components  to maintain quality of  service  in critical and emergency situations in SMART GRIDS.  

 

2.3 ConfigurationofmethodologyThe methodology adopted  is based on  the  resources we have at our disposal. We  study reports  from  the  relevant EU projects  like EU‐DEEP, CRISP and FENIX as part of  literature review.  To  address  the  gaps mentioned  in  EU  20‐20‐20  goals we  select  appropriate  use cases,  filtered  and  refined  it.  We  model  the  use  cases  into  SLAs  using  agent  based simulations. The purpose of  this method  is  to explore and generate  ideas and awareness about  the usage of  SLAs  in  critical  infrastructure. We develop  agent based  simulation  to provide proof of concept. On the basis of these studies, the second phase will be to develop further an  instrument  to analyze economical and  technical  (ICT)  impact of business cases bounded SLAs in critical infrastructure. 

 

2.4 IdentifiedGapsThe transition of stakeholders from current grid and future smart grids  is presented  in Fig 2.2. 

 

Fig 2.2, Transition of Stakeholders and the requirement of Information flow 

Generation Operator 

TSO

DSO

Loads

DER/DG

TSO

DSO

Empowered Users

Service Broker

SCAD

A

Inform

ation Flow

 

Transition of StakeholdersCurrent Power Grid Future Smart Grid

SCAD

A

Service Provider

Page 29: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Research Methodology                              P a g e  | 28  

  

As presented in Fig 2.2, the new stakeholders emphasise a need for additional ICT system. That will also  support  the need of  coordination mechanism between  the  stakeholders as well as with  the SCADA  system. Hence,  the  following gaps between  the  current grid and future smart grids are identified as.  

• New stakeholders (mostly related to information flow) • Enhanced coordination mechanism • Interoperability issues • Trustworthy information flow 

On  a broader  scale  the  requirement of  ICT platform  is non‐trivial  for  future  smart  grids, however,  in  order  to  have  such  a  platform  there  is  a  need  to  address  and  solve  the following identified questions. 

 

2.5 ResearchquestionsThe following research questions addressed in this thesis: 

 

RQ1 ‐ Describe mechanisms supporting coordination of stakeholders in Smart Grids?  

To answer this research question, we  looked at the methods  for coordination.  In distributed system the two methods provide coordination between systems.   

• Data Driven (e.g., SCADA) • Control Driven  

Both  methods  have  their  own  pros  and  cons,  however  given  the  nature  of heterogeneous  system we adopt  for Control Driven method. However  to ensure the  semantic  translation we  argue  that  end  to  end  SLA  based  coordination  is  a promising approach towards interoperability [15].  

RQ2 ‐ Identify the mechanism supporting trustworthy inclusion of DERs.  

To address this question, we  looked at the concerns  in the management of DERs. Reviewing  through  the  literature we  identify  the Gaps  that concern  the  relevant stakeholders.  These  concerns  inform  us  to  look  at  trustworthy  information exchange.  For  that  we  review  reputation  and  concern  based  trust models.  As trustworthiness provide  certain degree of  trust  that  can be quantified based on user  concerns. We  identify  concerns  based  trust model  is more  appropriate  for trustworthy management of DERs in smart grid [16]. 

RQ3 – Exemplify a proper model supporting system quality?  

The  interoperability model provided by NIST  is very comprehensive;  it provides a framework  for  all  the  systems  providers  to  have  a  common  understanding. However  it  is  unable  to  provide  common  common  understanding  between  the 

Page 30: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Research Methodology                              P a g e  | 29  

  

systems.  To  ensure  this  common  common  understanding  we  propose  that procurement and management of SLA is a promising approach [17].  

 

2.6 ContributionsThe main  contributions  are  in  the  form  of  papers  and  the  tool  we  developed  for  the management of SLA.  Paper  I:  In  this paper we  identified  that  there will be  an  increase  in  information  flow  in energy systems. ICT systems are required to manage it properly; however the integration of the systems requires strong coordination. Coordination between these systems should also consider other factors like mentioned Gaps in SCADA system.  Paper  II:  This  paper  contribution  is  about  curtailment  and  injection  of  DERs; moreover paper II presents use case and certain rule set modelled in the form of SLAs for trustworthy management of DERs.  Paper III:  Contribution in this paper is to understand the need of syntax and semantic while designing  a  system.  Specifically, we  argue  that  interoperability  at  vertical  levels  requires data models that can be address by SLAs.                                                                                                                                                                  The contribution to the research questions are as under         Research Questions  Paper I  Paper II  Paper III RQ1  X     RQ2    X   RQ3    X  X     

Page 31: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 32: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness          P a g e  | 31  

  

3 Coordination‐InteroperabilityandTrustworthiness 

A  transition  from  monopolised  hierarchically  controlled  power  networks  to  customer oriented  Smart Grids  operating  in  deregulated  energy markets  poses  several  regulatory, organizational and  technical challenges  [3]. To  that end  several  international Smart Grids projects  have  been  launched worldwide  in  EU, USA  and  China.  The  core  of  present  day power  systems  is  the EMS – Energy Management System monitoring and  controlling  the performance of production, transport and distribution of power. The EMS  is supported by SCADA  systems  to  monitor  and  control  as  well  as  support  systems  for  protection, optimization and billing. The  important factor  is coordination for effective communication among stakeholders. Coordination is defined as  

“Coordination is managing dependencies between activities” [13, 18]. 

Coordination is required where two or more systems communicate to do a distributed task. Due to the distributed nature of smart grid the tasks needs to be distributed. According to [13], coordination is classified into two models. 

• Data Driven • Control Driven 

In  data  driven  coordination model,  the  actors  exchange  data with  predefined  structural information. A  static  shared  space  is  used  to  represent,  store  and  access  data.  In  agent system “Black board” coordination mechanism exemplifies the data driven coordination.  

Whereas,  in control driven coordination models  the system components  interact  through events or functions. In this type of coordination the exchange of information is about states and data. The change in state or events may modify the control structure of components.  

 

Why Coordination With the advent of Smart Grid new stakeholders emerges that are not directly  involved  in the  power  flow,  but  have  influence  over  services  based  infrastructure.  Most  of  these services are  in the form of  information that provides add‐on values to other stakeholders. The  range  of  the  services  can  vary  from  business  to  technical  aspects.  These  services require  coordination  between  components.  Due  to  these  services  the  increase  in information  exchange  is  advent,  hence  requires  proper management  and monitoring  of coordinated tasks and the data involved in the system. A few concerns like interoperability, trustworthy and reliability raise questions in the current infrastructures [6].  

A number of smart grids pilots in USA and EU have shown progress, however the promises made  by  incorporating  ICT with  energy  systems  are  yet  to  be  proven  at  large  [3]  .  The problems  faced  by  the  engineers  are manifold  further  research  and  development  needs collaboration from multi disciplinary sciences. The current consideration about the  impact of future smart grids is set by EU in it 20‐20‐20 goals. These EU goals drive the researchers and  the  stakeholders  to  change  the  century  old  legacy  systems  to more  customer  focus service  system.  The  previous  Energy  Efficiency  (EE)  programmes  like  Demand  Side 

Page 33: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness          P a g e  | 32  

  

                                                           

Management  (DSM) reduces the amount of energy usage to 7% for  large commercial and industrial  customer  [19], however  the  lack of participation of  residential  and  small  scale commercial customer  in  such programs poses a challenge  [20, 21]. The  future  smart grid needs  to  have  proper  tools  to  incorporate  those  residential  and  small  scale  commercial customers. However, new challenges faced by future smart grids require empowerment of the customers: A subject  in social sciences. That makes  the grid a social‐technical system [11];  hence  a  need  of multi  disciplinary  research  emerges. Moreover,  recent  emphasis drawn  from  EU  Smart  Grids  reports  also  promotes  “Empowered/Active  Customer”. Customer empowerment provides market flexibility and the acceptance of change from the customer’s point of view.  It also provides opportunities  to develop new  third party  tools which help the customer to make intelligent decision based on the information provided by the  service  providers.  This  information  requires  management  of  data  to  be  stored, measured and monitored in a proper way. Eventually, provides opportunities for third party service providers to introduce value added services. These services involve interaction with other services and components of the grid: raise demand for additional coordination. The coordination  need  among  systems  need  to  have  the  following  properties  for managing future smart grids platform. 

• Interoperability • Trustworthiness 

 

3.1 InteroperabilityThe scope and purpose of monitoring has lately changed towards ensuring interoperability of  systems  due  to  increased  complexity  of  the  systems  at  hand  [5].  Analysis  of  larger blackouts, such as the August 14, 2003 blackout in northeast United Stated and Ontario, has shown that this kind of event can be attributed to sequences of interoperability failures4 of related  systems  [2].  The  systemic  property  of  Interoperability  has  been  proposed  by organisations such as NIST5 and GridWise6 in the US and is also adopted by EU. 

NIST has the following definition of Interoperability: 

“The capability of  two or more networks, systems, devices, applications or components  to exchange  and  readily  use  information,  securely,  effectively  and  with  little  or  no inconvenience  to  the  user.  The  system will  share  a  common meaning  of  the  exchanged information and this information will elicit agreed‐upon types of response.” [NIST7] 

The  following  additional  requirements  are  put  forward  by GridWise  Architecture  Council (GWAC8): 

 4 GridWise Architecture Council Report: Reliability Benefits of Interoperability, 2009, pp. 7 – 9. 5 Home page: http://www.nist.gov/smartgrid/ 6 Home page: http://www.gridwiseac.org/ 7 Home page: http://www.nist.gov/smartgrid/ 8 Home page: http://www.gridwiseac.org/ 

Page 34: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

          P a g e  | 33     Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness 

  

                                                           

• “an agreed expectation for the response of the information exchange” • “requisite quality of service in information exchange: reliability, fidelity, security” • “the results of such interactions enables a larger system capability that transcends 

the local perspective of each participating subsystem”  

GWAC  proposed  the  following  Interoperability  Framework  consisting  of  three Interoperability Categories  (Technical,  Informational and Organizational) and Crosscutting Issues related to non‐functional requirements, such as Energy Efficiency (EE). The Technical interoperability is enabled by proper open protocols and network technologies. In order to verify or validate interoperability of Smart grid systems we have to identify suitable views of those  systems.  That  is,  also  take  into  account  the  Informational  and  the Organizational categories of the GWAC Framework. 

 

 

Fig. 3.1, GWAC Interoperability Framework with a layered set of Categories and non‐functional Cross‐cutting Issues 

 

3.1.1 SharedSituationawarenessInteroperability  of  systems  assures  and  entails  shared  situation  awareness  among stakeholders  in a given context. This situation can be regarded as a slice connecting those stakeholders within and across categories (Fig. 3.1). 

Since  decades  representation  and  processing  of  information  have  been  at  the  core  of technologies  underpinning  knowledge  based  systems  such  as  AI  and MAS  (Multi‐agent systems) as well as systems supporting information sharing such as Semantic web9. Formal models of semantics, e.g., ontology’s and  reasoning, has supported digital  representation and  processing  of  semantic  content10.  However,  there  is  a  fundamental  gap  between 

 9 Home page: http://semanticweb.org/wiki/Main_Page 10 W3C home page: http://www.w3.org/ 

Page 35: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness          P a g e  | 34  

  

formal  semantics  and  shared  understanding  between  people.  In  this  context  there  have been some groundbreaking work done by Barwise and Perry at Stanford University related to  language  understanding  based  on  situation  theory  [22].    The  work  has  later  been extended by Devlin K. et al in several directions [23]. 

The following relation captures the main ideas: 

Information = Representation + Interpretation    (1) 

The relation captures the  idea that  in a given situation the  information message conveyed by  a  representation  (text,  language,  picture,  and  video)  has  to  be  interpreted  to  give meaning  (semantics).  The  meaning  of  the  Information  given  to  an  agent  (machine  or human)  is  totally  dependent  on  the  agent’s  capabilities  to  interpret  the  representation. Representations  in machine  readable  format can be processed and  interpreted as  formal syntactic constructs that could be interpreted by humans to give contextual meaning. Agent based  information  processing  systems  process  machine  readable  representations implementing selected reasoning models (rule sets). The strengths and weaknesses of MAS approaches  are presented by Wooldridge M.  et  al  [39]. Moreover,  further  complications and challenges arise when  the  information sharing should support common awareness  in groups of people as typically in Smart Grids.  

 From GWAC Interoperability Framework (Fig. 3.1) it follows that the non‐syntactic semantic challenges  appear  at  the  Informational  and  Organizational  Categories.  The  different Categories have the following specifications: 

 Organizational    ‐ Economic/regulatory Policy (Pragmatics)    ‐ Business objectives ‐ Business procedures Informational    ‐ Business contracts  (Semantics)    ‐ Semantic understanding Technical    ‐ Syntactic Interoperability  (Syntax)    ‐ Network Interoperability  

‐ Basic Connectivity  

From  the  discussion  above  it  follows  that  present  day  syntactic  representation models from, e.g., semantic web will not enable machine readable representations supporting full system  interoperability  regarding  shared  understanding  (in  groups)  of  organizational  or business  contexts.  The  proposed  solution  is  to  establish  a  shared  ontology with  agreed upon  interpretations  (folksonomies  [24]) when setting up  the  relevant SLAs. Furthermore additional agreed upon information could be provided using sensor networks [25]. 

 

3.2 TrustworthinessTrust represents a relation between two actors, whereas, trustworthiness is the mechanism developed to solve trust concerns by the solution provider. Trust is hard to engineer in the 

Page 36: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness          P a g e  | 35  

  

automated  systems  as  presented  in  [26].  However,  we  can  attain  certain  degree  of trustworthiness in the system using engineering approach by addressing concerns [26] .  

 Modelling  of  trust  is  important  from  the  requirement  engineering  perspective. Requirement  engineering  is  formal way  of  gathering  and managing  the  data  [27]. Often these requirements are gathered at the primary stage of the software development cycle.  At times, failing to perceive the operational requirements provides inadequate results. The operation results are highly dependent upon the following segments 

 • Environment in which the hardware/software is running • Communication infrastructure • Data structures 

 System  failures and performance  issues are mostly  reported due  to  lack of  requirements gathering at initial stages. Mostly the requirement gathering fails to understand the need of non‐functional requirement, hence compromising on the quality of service aspect.  

  

3.2.1 WhatisTrustAccording to Barber B (1983), trust is defined as  

 “The meanings actors attribute to themselves and others as they make choices about which  actions  and  reactions  are  rationally  effective  and  emotionally  and  morally appropriate.”   

As  we  look  at  the  definition,  trust  is  a  subjective  assessment  of  individual  and  this assessment  can  change  depends  on  environment  and  other  conditions  influencing  the individual [28]. Today’s shift of social media in ICT demand more engineering approaches to model  social  aspect  like  trust  that  are  not  thought  of  deemed  important  before.  The existing model  of  trust  like  reputation management  is  unable  to  cater  the  need  of  new requirements of  trust management. These  systems mostly depend on user  judgement or expert opinion that could suffers from individual biasness. 

  

3.2.2 ModelofTrustIn this thesis we studied two trust models. 

• Reputation Based Trust Model  • Engineering Trustworthiness based on Concerns 

 Reputation Management System Reputation  based  trust  model  is  very  commonly  used  for  online  services.  This  model represents the experience of other users and how they judge the item/service. The model is elaborated in the example below.  

 

Page 37: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

              P a g e  | 36 Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness 

  

EBay and Amazon have reputation management system  that provides a certain degree of trust  in buyer’s mind based on  the  judgement of previous  seller’s point of view  [29, 30]. Reputation  management  systems  provide  a  mechanism  to  increase  the  level  of  trust perception in buyer’s mind. After perceiving that trust we access the trustworthiness of the rating mechanism,  to  add  another  level  of  trust we  further  read  the  comments  of  the existing buyers to get a clear picture.   Although these reputation systems are very subjective to individual biasness, however, we accept  the system as  trustworthy while purchasing  items online  [29]. As discussed before the existing trust model based on reputation is very subjective assessment of individual that can not be mapped  to other  individuals need/values. Moreover, new product or  services with no rating initially suffers unless someone use or acquire those specific object/services without trust.  

Engineering Trustworthiness based on Concerns We presents engineering approach to model trust based on concerns. The figure represents our model, “An engineering approach supporting analysis of concerns” that would further provide a base for defining and monitoring appropriate QoS values.  

 

Input Trust Concerns

Perceived Trustworthiness 

Trust Aspects 

 Fig 3.2, Engineering Trustworthiness ‐ Supporting analysis of concerns [26] 

  Fig 3.2, represent a model  in which concerns are filtered from stakeholder’s  input and on that  concerns  we  drive  multiple  aspects  of  it.  Each  aspect  is  than  addressed  and  a mechanism  is  developed  to match  that  aspect.  The  output mechanism  presented  in  the form of sign which is shown to the concerned stakeholder in the form of signs. After seeing and  interpreting  the  signs,  the  stakeholder accesses  the  trustworthiness and  this process iterates again until the stakeholder is fully satisfied.  Our  trust model provides  a pragmatic  solution  to  the problems having  trust  concerns.  It might be difficult  to  comprehend all  the  concerns with multiple aspects at a  same  time; however,  the  iterative  process  helps  in  understanding  different  aspect  of  involved 

Trust Mechanism

Trust Sign

Assessed Trust

Page 38: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness          P a g e  | 37  

  

                                                           

stakeholders,  eventually  improving  the  system. We  can  further  verify  flexible  emerging patterns with the use of agent technologies.  

In  order  to  design  and  validate  coordination  aspect  like  interoperability  and trustworthiness, we configure and monitor SLAs based on agent‐oriented services. Design, implementation  and  validation  are  utilizing  aggregation  tools  and  experimental environments.   We  implemented the concern based  trust model  to ensure  trust between stakeholders and provide  SLA as an  interface  to  implement  technical aspects  in machine readable form. We describe the modelling of SLA in next chapter. 

 

3.3 ChapterSummaryTo meet the 20‐20‐20 challenges we need to develop means and tools for improving Energy Efficiency (EE) as well as addressing other interoperability issues. More efforts are required by  all  stakeholders  to enable  improved  future energy production, distribution  and usage [31].  Furthermore,  novel  business  models  are  required  to  support  the  transition  from today’s  situation  to  Smart  grid  based  on  markets  of  energy‐based  services  [32,  33]. Providing novel services based on setting of customer comfort is one identified area by the EU projects FENIX11 and SEESGEN‐ICT12.  

 Future energy systems will become  robust and efficient with a careful supplement of  the SCADA  systems with  specifically  designed  and  implemented  ICT  systems  ensuring  Smart grid Interoperability (Fig. 3.1). We expand some novel ideas introduced in SEESGEN‐ICT [34], deliverables D3‐2, D3‐3 and  [15]  to assess  identified barriers and  implement  relevant  ICT solutions for future pilots of Smart Grids. 

The following Fig. 3.3 captures some of the challenges  identified  in [34] by different Work Packages  (WPs)  addressed  in  SEESGEN‐ICT  project.  That  is WP5  (Business Models), WP2 (Grid Infrastructures), WP4 (Demand Side Integration) and WP3 (Monitoring of SLAs).  

  

 11 http://www.fenix‐project.org/  12 http://seesgen‐ict.erse‐web.it/  

Page 39: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

              P a g e  | 38 Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness 

  

 

Selected EU projects and documents

Selected new components 

 

 

 Grid Infrastructures WP2 and WP4

SLAs WP3 

Drivers and Opportunities 

Drivers and Opportunities 

ICT Infrastructure

Barrier

Requirements 

High level (web Services)

Constraints 

From Grids to Smart Grids 

Business Models WP5 

Stake‐holders

Low‐level (OPC) 

Pilots 

Solutions 

‐Configuring Infrastructures and components 

‐Technical ‐Non Technical Methodologies 

Affordances 

 Fig 3.3, Views and challenges of future Smart Grids 

 In Fig. 3.3 the requirements from Business models have to be matched by the affordances from  the grid  infrastructures and the equipment and the demands at customer premises. The high‐level demands have to meet the  low‐level affordances and constraints. Compare with  Fig.  3.1,  where  the  organizational  and  information  categories  have  to  meet  the technical  category  as well  as  relevant  cross  cutting  Issues while meeting  interoperability goals.  The  Service  Level  Agreements  involves  concerned  stakeholders  as  well  as  Key Performance  Indicators  (KPI)  to  be monitored  to  ensure  interoperability  and  Quality  of Service  

 It  is worth to mentioning that  in the classical grid the  information processing system  is by and large proprietary SCADA systems. The SCADA system integrates information bottom‐up from the grid to the system operators and allows sending control signals top‐down to the grid  components:  a  stove‐pipe  system  [5].  In  Smart  Grids,  we  also  need  ICT  systems providing  horizontal  as  well  as  vertical  interoperable  information  exchange  between stakeholders (Fig. 3.1).  

Identified  challenges  include  coordination  of  sets  of  stakeholders  and  monitoring  of processes related to new energy based business processes. To that end we have advocated introduction  and  use  of  mechanisms  based  on  Service  Level  Agreements  (SLAs). Introduction of SLAs also enables a principled structuring of Smart Grid systems and related data  flows.  In Fig. 3.3,  the  interaction between  low‐level and high‐level SLAs  is  indicated. We have addressed this challenge in our publication Paper I.  Our approach towards modelling and implementing Smart Grid is utilizing carefully chosen infrastructures in flexible couplings and integrations (configurations) of system components 

Page 40: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

    Coordination ‐ Interoperability and Trustworthiness          P a g e  | 39  

  

[34–36].  The  configurations  support  monitoring  of  processes  by  clusters  of  SLAs implementing selected scenarios of Smart Grids.   

Page 41: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 42: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 41  

  

4 SLA–AMechanismforTrustworthyCoordination 

In Service Oriented Computing (SOC), service providers provides multiple solutions package by  combining  services  that  enhances  the  capability  to  provide  off  the  shelf  service packages. These types of offering initiated the concept of cloud computing where one can buy and sell the services from hardware resources to software systems.   Such an example platforms  are  iPhone  Apps,  Amazon  and  eBay  that  are  highly  dependent  on  Service Oriented Computing to utilize their ICT infrastructure and offers the same platform for third party buyers and sellers to start their own business in the form of services.   

In these scenarios, the customer  interacts with the main service provider and the  internal integration of sub‐contractual services provided  is  transparent  to  the end user. However, delay or failure in any internal service component might produce cascading effects that can damage the integrity of the main service provider.  These dynamic integrations of services possess a threat on the trustworthy delivery service mechanism. To ensure proper service delivery,  ensuring  SLA  provides  such  mechanism  that  enhances  the  trust  by  defining threshold  values  in  the  non‐functional  specification  of  services.  It would  be  plausible  to monitor  those  quality  aspects  to  ensure  the  service  performance  acknowledge  certain threshold values in multi‐level SLAs. However typical SLA platform only ensure SLA in one to one service provisioning and unable to manage multi‐level service provisioning 

The Service  level agreements monitoring  set points ensure  certain degree of  trust  in  the provisioning  of  services,  providing  substantial  control  over  the  dynamic  behaviour  of services. In service oriented computing SLA is presented in the Figure 4.1. SLAs represent an agreement  between  two  parties,  one  is  the  producer  and  the  other  is  consumer  to exchange services in the presence of Publisher that can act as a market. In order to facilitate negotiations  different  parameters  or  Service  Level  objectives  (SLOs)  defines  the measurement and monitoring criteria for effective and efficient delivery of the services.  In our presented use case (See paper  I,  II) we extend the SLAs to typically  involve more than two stakeholders. Occasionally the stakeholders can be grouped as classes of consumers or providers. 

 

Fig 4.1, Models of Service Level Agreements (SLAs) 

Page 43: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 42  

  

A SLA template presents stakeholders, roles and responsibilities, action points and the flow of  information  within  the  specified  entities.    The  following  general  set  of  parameters includes the SLA template design. 

• Descriptions of the activities involved in the business processes (Goals/Objectives) • Actors involved: (roles and responsibilities) • Coordination of tasks and responsibilities to achieve a goal  • Conflict resolution 

SLAs  store  information  in  the  form  of  parameters  and  data  types. Monitor  set  points (allowed  intervals)  and  Key  Performance  Indicators  (KPI).  Actively  monitoring  of  KPI threshold provides information about breaches in the contract. 

Setting  up  and  validating  SLAs  need  to  be  supported  by  tools  enabling  translation  and validation of concerns from the Interoperability Categories and Cross Cutting Issues into SLA parameters and KPIs to monitor (ensuring proper semantics). 

Fig 4.2, illustrates a typical footprint of SLAs on the GWAC Interoperability Framework. The red rectangle captures the slice of categories and cross cutting issues related to the SLA at hand. The methodology outlined above aims at assuring proper behaviour of the SLA and hence validation of Interoperability of system slices crossing the footprint of Fig 4.2. 

 

SLA Coverage 

Fig 4.2, SLA footprint on the GWAC Interoperability Framework 

 

The  service  bundles  enable  vertical  integration  of  data  flows  (traditional  bottom‐up aggregation from sensors to control centres or top‐down control signal down to actuators) or horizontal  integration and monitoring of services on the same  level. For  instance, using 

Page 44: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 43  

  

horizontal  integration we  can  coordinate  local Demand‐side  Integration  to  a  global  view addressing  specific  sets of  aggregators by  flexible overlay  architectures,  such  as peer‐to‐peer, on top of the underlying distribution networks and ICT networks. 

In future Smart Grids, we argue to implement different trustworthy ICT solutions supported by  partly  the  same  physical  infrastructure  (Fig.  2.1).  This  is  likely  to  increase  the  overall brittleness  of  the  larger  system  and  adding  costs  for  further  development  as  a  larger number of combinations will need to be tested for both integration and regression, both in regards to the  infrastructure and to other services this  infrastructure supports. To address these  issues,  solutions  involved  need  to  be  separated  and  protected  from  unwanted interactions and be resilient against disturbances at all supporting layers.   

Principally, this can be achieved through virtualization; the act of encapsulating a subsystem by  forcibly  establishing  an  intermediate,  formal  border  between  the  solution  and  its supporting infrastructure. In principle, this works recursively.  

For a solution to be considered virtualized, the following requirements need to be fulfilled: 

• One or more defined interfaces for service exchange. • Protocols governing service exchange across each defined interface. • Solutions adapted to conform to the specifics of each protocol. 

 

Each  paired  interface  and  protocol  defines  a  tractable  border  between  solutions.  This border  is  enforced  by  the  use  of  monitoring  to  detect  and  prevent  non‐conforming information exchange from cascading to other parts of the system. In full, these regulations ensure  that different  ICT  solutions are  logically  separated and protected against  indirect, unintended, interactions between solutions (Fig. 4.3). 

 

Fig 4.3, Layered separation using virtualization 

 

4.1 SLADesignWe model  our  SLA  agreements  as  coordination  of  agent  based  services  in multi‐agent systems. The core of a multi‐agent systems approach is the explicit rule‐sets of the agent’s behaviour capturing the following agent capabilities: 

Page 45: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 44  

  

• Problem solving • Social competence in groups • Articulation competence in setting up and closing sessions 

 

The behaviour of  the multi‐agent  system  is governed by  controlled execution of  the  rule sets given an explicit distributed World model hold by  the agents. Updating of  the World model  can  be  either  by  explicit messages  between  agents  or  by  explicit  input  from  the external environment. In our setting, the World model captures the context at hand. In our simulations,  we  develop  and  test  different  rule  sets  and  communication  patterns. We model these inputs/outputs as sensor/actuator networks managed by a group of SLAs [See Paper I, II]. 

Setting up proper SLAs has  to  take  the  following considerations  into account  [Deliverable D3.2]. Basically SLAs  coordinate and monitor a  selected  set of  services and  stakeholders, e.g., a service bundle. 

Template: Dynamic Service Agreements. Supports and empower active users: 

• Identification of stake holders and their roles • Identification of services belonging to a service bundle (task) • Identify service description terms • Guarantee Terms: defined as ranges or as functions (allows flexibility and changes) • Service  Level  Objective:  defined  as  ranges  or  functions  (allows  flexibility  and 

changes) • Key Performance Indicators (KPIs). Metrics • Data management criteria • Privacy criteria • Policies and actions in detection of SLA violations 

  

4.2 SLAFrameworkOur  suggestions  to  cope with  challenges  related  to having different  sets of  stakeholders involved  in setting up and providing new kinds of energy‐based services. From  figure 4.1, setting up and management of SLAs involves the following activities: 

• Requirement engineering based on business case and stakeholders • Design  and  implementation  of  SLAs  including  mechanisms  of  monitoring  and 

exception handling • Validation of SLAs • Maintenance of SLAs   

We address issues related to rule sets enabling control and monitoring, including exception handling. The  framework  includes  the  following objects as presented  in Figure 4.4.  In  the figure  the boxes  represent  the objects  and  the  lines  represent  the  relation between  the objects. Some details about individual objects are presented further:  

Page 46: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 45  

  

• Domain • Roles • Actor(s) • SLA and exception handling • Parameters • Data formats and protocols • Log 

 

 

Fig 4.4, SLA‐Agent framework 

Domain: The domain defines the area of application. It provides the organizational context for the framework. The contractual purpose for the SLA is identified and acknowledged by each actor involved (contracts). 

 Actor(s):  Identifies  stakeholder(s) within  the  domain  of  SLA. Attributes  of  actors  include roles, capabilities and responsibilities within the SLA. The organisational affiliation for each actor is identified. Each actor has a well defined state space with allowed state’s transitions and a local data model.  Roles: Roles  identifies  the actions, with outcomes, each  actor  is  allowed  to perform  in  a given situation.   

SLA: SLA holds  the description about SLA and  its  states with  state  transitions  (Rule  sets). Each  state  transition  automatically  informs  relevant  actors  of  outcomes.  The  SLA component also provides exception handling at breakdowns of SLA contracts.   

Parameters:  Each  SLA  state has parameters describing Key Performance  Indicators  (KPI); each  parameter  has  threshold  limits  and  a  tolerance  value  that  signifies  the  degree  of freedom each SLA agreement can uphold with respect to that parameter. By monitoring the parameters, we  detect  eventual  violations  of  thresholds  and  act  accordingly  (Exception 

Page 47: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 46  

  

                                                           

handling).  We  can  also  evaluate  given  metrics  of  parameters  in  order  to  evaluate performance (SLA contracts) and service usage (billing). 

Data  format and protocols: Data exchange between actors has to be  in  right  format and following the right protocol (data integrity and system security). A smart (agent‐based) tool supporting monitoring  of  data  conversion  and  proper  connectivity  can  enhance  system integrity and security. 

Log:  The  Log  component maintains  a  log  of  events  in  detail  to  support monitoring  of performance and service usage as stated in the SLA. 

 

4.2.1 RuleSetSLA Rule sets define  the behaviour of SLA execution. Some  interesting approaches of SLA management  are  presented  by  Fakhfakh  et  al  [37],  BREIN13  and  SLA@SOI14  EU  funded projects. Our presented  solution  for  SLA management  take  those  into  consideration  and provide rule sets for  individual SLA defining and  implementing dynamic relations between the  different  set  point  for  individual  stakeholders.  A  generic  rule  in  a  rule  set  has  the following format: 

  If <pattern in data base > then <action and updating> 

The  rule  engine  reads  an  input  and  tries  to  have  a match  in  the  relevant  data model according  to  the given  invocation model.  If a match  is  found,  the corresponding action  is performed followed by communication. The next step in the invocation is then performed 

  In our design each SLA Rule set is composed of following parameters 

SLA Rule set Information 

• Info o Date created o Date Modified o Invocation model 

• Stakeholders involved o Data ownership (Actor ID) o Data responsible (Actor ID) o SLA responsible (Actor ID) o Exception handling (Type, documentation, Responsible Stakeholder ID)) 

• Parameters o Metrics to be used o Values; data format and protocols o Threshold to monitor 

 

 13 http://www.eu‐brein.com/  14 http://sla‐at‐soi.eu/  

Page 48: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 47  

  

4.2.2 ProcurementProcurement:  Procurement  is  defined  as  “Process  of  obtaining  things/Services”  [Oxford dictionary]. Regarding SLA procurement is termed as the process to  

• Express SLA (How the SLA is expressed) • Negotiated (What are the negotiation mechanisms used) • Stored (How it is stored) 

Procurement  is a process to think about the requirements and the other  important task  is the management of SLA life cycle that includes 

• Creation and Negotiation o Identify producer o Define and Negotiate SLA 

• Deployment and fulfilment o Delivery  involvement  of  functional  and  non  functional  properties  of 

service • Monitoring and Evaluation 

o Breakups o Roles, rights and responsibilities o Maintenance 

• Termination  o Rewards and Penalties 

  In our presented use  case  in  the next  section of  the  thesis,  the  set points  for  Smart Home sensor network (low‐level SLAs) assures that customers perceived comfort level is met by the sensors settings and offers from DSOs.  It is also part of the high‐level SLA to ensure that  the customer preferences are within  the defined  threshold values of  the SLA and  to provide quality of service as agreed in the SLA. 

 

4.3 SLANegotiatingtoolThe  SLA  states Negotiation  tool  support  stakeholders  to  set up  and  agree upon  suitable SLAs. The outcome SLA agreement is a service accessible by related stakeholders during the whole lifetime of the SLA. The states of SLA Negotiation tool are presented in the Figure 4.5. 

 

Page 49: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 48  

  

 

Fig 4.5, SLA‐ State diagram 

 

Each SLA Negotiation process is associated with a state that describes the current status of the negotiation. The initial state of all negotiation is incomplete, meaning that it is still not finished  and  the  coordinator  must  instantiate  all  stakeholders  and  parameters  with parameter settings. Once ready, the coordinator enables the SLA, causing it to change state to pending. A pending SLA  is waiting  for additional data, start‐date and signing. When all stakeholders have  signed  the SLA,  the  state goes  to valid. The  state breached  is  reached when  an  exception  sate  is  reached  in  the  SLA  or  if  we  have  a  breakdown  of  the  SLA agreements.  

4.3.1 ExceptionhandlingandbreakdownsofSLAagreementsWe experiment by event monitoring of the SLA and  identifying and rectifying the problem in service provisioning.  In case of breakdown, a proper action of  the SLA  is  identified and executed.    Articulation work  such  as  proper  tracing  and  notification  is  also  planned  for future work along with prediction calculation as proactive approach.  

 

4.4 ClustersofSLAsAs mentioned  in  SEESGEN‐ICT  and  Other  EU  Smart  Grid  projects,  Smart  Grid  processes create  and  use  vast  amounts  of  data.  Proper  addressing  of  complexity  issues  related  to trustworthy management  of  data  is  therefore  of  high  concern  for  all  stakeholders. And, indeed, is an identified barrier of Smart grid acceptance and uptake.  

Page 50: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 49  

  

 Further,  we  suggested  that  SLAs  approach  provides  structured  solutions  to  the  data management challenges (i.e. protection, distribution, ownership and responsibility of tasks) in Smart Grids. From Figure 4.1, we can derive  that SLAs can provide a vertical as well as horizontal grid structure of the data sets.  

We can use cluster of SLAs to enable a principled structure of data and data  flows. Given this structure we address, e.g., ownership in a structured way. 

• Ownership of Data: The ownership and responsibility of the data  is part of the SLA. Protection measures thus have clear ownerships. 

• Shared ownership of data and  information between  stakeholders: Again, SLAs gives a framework for setting up and imposing collective responsibilities. 

 

Intelligent Metering  information  is one example of SLA clustered approach.  It  is suggested that metering data is owned by the customer, as he/she is the one who generated it. But it should be shared with the DSO to calculate and predict the energy consumption for future needs, whereas, the same data might also be required by third parties  for generating the bills and data reconciliation purposes. Again a SLA based approach could provide solutions to this complex issue of proper ownership and responsibility issues. 

The  suggested  use  of  agent  technologies  at  the  boundaries  between  components might support  intelligent data flow monitoring across the SLA data grid and thus enable support for trustworthy data management and interoperability of Smart Grids. 

 

4.5 MonitoringSLAThe monitoring of SLA is divided into three types of monitoring: 

• Predictive monitoring (Proactive) • Real time monitoring • Post monitoring (audit/trial) 

 Predictive monitoring: The predictive monitoring provides  the prejudgment by  looking  at the  current  system  logs/information  and  based  on  historical  data  and  probability  try  to predict the future  loads and usage. That provides a safe measure for the operators to act before anything happens. 

Real  time monitoring:  It  is  the monitoring  of  the  system  in  real  time,  in  case  of  system breakdowns it notifies the operator immediately. 

Post monitoring (audit/trial): Audit trial is the post checking of the logs and looking for any faults/quality  metrics  and  recalculating  of  the  quality  factors  based  on daily/weekly/monthly  logs.  It  is  used mostly where  the  situation  is  not  critical  and  the service provider and customer can have time to renegotiate and have settlement after the provisioning of service amicably.  

Page 51: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 50  

  

Each monitoring type has its own pros and cons, but based on the situation one can select any combination of the three monitoring aspects depends on the use case. Monitoring SLAs comes down to three sub‐asks:  

• Validation of  stakeholders  and  their  roles  and  the  conditions of  the  SLA,  including monitoring the rules and policies of data management and privacy 

• Monitoring  the  value  set  of  parameters  of  Guarantee  Terms  and  Service  Level Objectives, e.g., monitoring metrics and  

• Taking actions in cases of violations of SLAs.  

4.6 ArchitecturalDesignWe use  JACK‐AOS multi agent platform to model our concepts  in the  form of agents. The overall architecture diagram is presented as in Fig. 4.6. In these experiments we model four stakeholders, DSO, DER, consumer/loads and Commercial Aggregator.  

 

Fig 4.6, Architecture diagram of SLA‐Agent platform 

To  ensure  trustworthiness,  we  introduce  Commercial  Aggregator  as  mediator  actor between  actors.  The  role  of  the mediator  is  to  provide monitoring  facilities  of  SLA  and mitigate rewards and penalties  if anything goes wrong.    In  the above  figure,  the DER and DSO are exchanging information via Commercial aggregator. It acts a Service Broker, where 

Page 52: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

SLA – A Mechanism for Trustworthy Coordination            P a g e  | 51  

  

third  parties  join‐in  and  provides  different  services  like  prediction  based  on  weather forecast or historical data. Each DER  is modelled as an  individual entity and the  loads are represented by accumulating residential loads and industrial loads by an agent. 

Page 53: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 54: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

  Conclusion                                        P a g e  | 53  

  

5 Conclusion 

In this section we revisit the research questions to  find the relevant answer  in the thesis. Before addressing questions, we identified the following points in this thesis: 

• New  Stakeholders: New  stakeholder  to  be  enrolled  in  Smart Grid  that  creates  new business cases. These new business cases need methods and tools to address, analyse and measure information.  

• Requirement  of  ICT: We  analysed  and  presented  that  the  greater  challenge  is  the management of information flow that is foreseen by the industry and is also mentioned in many report from EU and USA (NIST). In this thesis we argue that future Smart Grids should composed of multiple heterogeneous systems.  

• Coordination: Coordination is required for the better management of information flow and energy  flow. Standardization  is one aspect  to  improve coordination at horizontal level,  however,  we  propose  SLA  as  promising  approach  towards  trustworthy coordination.  

• Interoperability:  Interoperability  is  the  key  towards  coordination,  future  Smart Grid requires interoperability at every level from lower layer like network to upper layer like organization  layer  as  presented  by  NIST.  It  is  important  to  have  end  to  end interoperability between all the three layers as specified by NIST. 

 

5.1 ResearchQuestionAnswersRQ1 ‐ Describe mechanism supporting coordination of stakeholders in Smart Grid?  

We  address  this  question  by  introducing  SLA  as  coordination mechanism  between  the stakeholders. The motivation presented for using SLA is flexibility and empowerment of the stakeholders.  To  answer  this  question,  we  introduced  another  stakeholder/actor  called Commercial  Aggregator.  The  commercial  aggregator  acts  as  information exchanger/mediator.  The  role  of  this  mediator  is  to  ensure  the  ATOMIC  properties  of transaction and to secure both the  interest of the DSO and the customer.    It  facilitates  in binding both the parties to digitally sign SLAs before the provisioning of service. The general template for SLA has been defined and presented in Paper I and II.  

 

RQ2 ‐ Identify the mechanism supporting trustworthy inclusion of DERs.  

The management of DERs  is a challenge with current  limitation of monitoring and control system i.e. SCADA. This question is answered in paper II and partially addressed in paper III. In  paper  II  the  presented  use  case  is  relevant  in  the  domain  of  trust  between  the stakeholders.  To  ensure  this  trust,  we  presented  engineering  approach  for  trust management.  The  requirements  are  presented  in  the  form  of  concerns  and  each stakeholder  has  its  own  perspective  about  the  same  concerns  mentioned  as  aspects. Further  we  modelled  these  aspects  in  the  form  of  SLOs  with  threshold  values  in  the procurement  process  of  SLAs.  Negotiatating  and  monitoring  these  SLAs  represent  the 

Page 55: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

  Conclusion                                        P a g e  | 54  

  

mechanism  and  the  information  presented  in  the  form  of  display  or  warning/error messages represent the signs that is perceived and accessed by concerned stakeholders. 

We have implemented the system using simulation and provided a proof of concept where the  decision  of  Inject/curtail DER  is  based  on  business  and  technical  SLAs.  SLA  provides assurances that the system is working in accordance to the negotiated rules. This approach of  validating  information  via  SLA  provides  a  trustworthy  solution  to  incorporate  ICT  in future smart grid.  

 

RQ3 ‐ Exemplify proper models supporting system quality in Smart Grid?  

We have addressed this issue in paper III, however this topic is relatively new and we have highlighted it for our future goals.  

5.2 RelevanceThe relevance of this thesis  is supported by our contribution  in two EU project (INTEGRAL and SEESGEN‐ICT) and the publication in Smart Grid related conferences.  

 

5.3 ValidationWe validated our approach by the following methods: 

• Presented  the SLA approach  in EU project SEESGEN‐ICT, which  is  thematic Smart Grid  project  and  have  25  partners  from  EU.  The work  is  acknowledged  by  the experts.  

• The other approach adapted by modelling use case as agent based simulation. The agents  represent actors  (stakeholder/sensors) and by  running  the  simulation we provided proof of concept about the application of automated SLA as trustworthy mechanisms for coordination in Smart Grids. 

Validity Threats We simulate using agent technology that provide us the validation part mentioned above, however the real infrastructure need middleware such as OPC or directly using IEC 61850 to communicate with the real IEDs (Intelligent Electronic Devices) and RTUs (Remote Terminal Units).  Integration  to  such  interfaces  requires  implementation and assessments of Pilots, that will be addressed in future work.   

 

 

 

Page 56: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

  Conclusion                                        P a g e  | 55  

  

5.4 ConclusionThe picture of the smart grids seems reality as the emphasis from the industry is now more focused  on  the  end  user  and  the  distribution  side. As  this  is  the  other  side  of  the  coin neglected  before  by  the  industry. After  the  deregulation  and  the  demand  from  EU,  the research entails to consider them as an empowered customer not just two holes in the wall.  

Considering  the  fact EU 20‐20‐20 goals,  the  industry has  to promote  ICT and empowered end  users  with  methods  and  tools.  Our  research  focuses  more  on  empowerment  of customer that may lead to improve the utilization of energy. The current research needs to consider distribution and customer  information  to manage  the grid  in an optimal way.  In this  thesis, we argue a  lot  to consider end user as the other end of the network  that can help in reducing the energy foot print, less emission of Co2 and also encouraged to help in advocating the real need of energy.  

For DSO perspective, the data from the customer  is helpful  in network planning, schedule load  shading  and quick  recovery of  the Grid by  getting  system  alert during breakdowns. However, the  issues considering privacy and security can be monitored to some extent by SLA. We have not addressed such issues in this thesis, however by defining, negotiating and monitoring  SLA,  provides  customer  a  tool  to manage  concerns  and  provide  trustworthy information  flow  that  seems  to be  “Good enough  security”. Moreover,  the SLA as a  tool provides opportunity as well as responsibility on the customer  like non compliance to SLA may lead to penalties.  

That  will  further  encourage  the  industry  to  invest  in  more  tools  that  empowered  the customers and make them responsible for their acts. 

 

5.5 FutureworkIn  this  thesis we have  identified  some  gaps between  the Current Grid  and  Future  Smart Grids.  The  major  challenges  identified  are  related  to  Interoperability  and  Trustworthy information exchange between ICT Systems with SCADA system. We propose to work in the same  dimension  using  the  framework  provided  by  NIST  and  the  challenges  involved  in incorporating ICT with SCADA system.  

• SLA tool: We will further expand our research on SLA models and the SLA tool we developed in our group.  Our focus will be more on real use cases in collaboration with the industry and the academia. We want to improve our tool to be generic so that it can be incorporated with Web Services.  

• Maintenance  and Repair: We  have  not  analysed much  into  the maintenance  or damage control scenarios of SLA. Insight to this information will further provide us about  the  breaches  in  the  contracts.  That  additional  information  poses  new challenges  in  defining  business  cases;  hence  a  gap  exists  for  researchers  to implement prediction and approximation based algorithms which eventually help the stakeholders to make intelligent decision.  

Page 57: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 58: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

  References                                          P a g e  | 57  

  

6 References 

1.  Gustavsson,  R.,  Mellstrand,  P.,  Törnqvist,  B.,  Akkermans,  H.,  EnerSearch,  A.: Dependable ICT Support of Power Grid Operations. CRISP Deliverable D. 2, (2005). 

2.   Andersson,  G.,  Donalek,  P.,  Farmer,  R.,  Hatziargyriou,  N.,  Kamwa,  I.,  Kundur,  P., Martins, N.,  Paserba,  J.,  Pourbeik,  P.,  Sanchez‐Gasca,  J.,  others:  Causes  of  the  2003 major  grid  blackouts  in  North  America  and  Europe,  and  recommended  means  to improve  system  dynamic  performance.  Power  Systems,  IEEE  Transactions  on.  20, 1922–1928 (2005). 

3.   Gustavsson, R., Hussain, S., BTH, B.S., KUL, G.D., Hommelberg, M., Racovitan, I., Rikos, E., Destree, K., Grande, O.S., Franchioni, G., others: SEESGEN‐ICT. (2010). 

4.   Bertoldi, P., Atanasiu, B.: Electricity consumption and efficiency trends in the enlarged European Union. IES–JRC. European Union. (2007). 

5.   Commission, E., others: Energy Efficiency Plan 2011. Brussels, Belgium. (2011). 6.   Bakken, D.E., Schantz, R.E., Tucker, R.D.: Smart Grid Communications: QoS Stovepipes 

or QoS Interoperability. Proceedings of Grid‐Interop 2009. 17–19. 7.   Fernandez,  J.D.,  Fernandez,  A.E.:  SCADA  systems:  vulnerabilities  and  remediation. 

Journal of Computing Sciences in Colleges. 20, 160–168 (2005). 8.   Motta Pires, P., Oliveira, L.A.H.G.: Security aspects of SCADA and corporate network 

interconnection:  An  Overview.  Dependability  of  Computer  Systems,  2006.  DepCos‐RELCOMEX’06. International Conference on. pp. 127–134 (2006). 

9.   Clements, S., Kirkham, H.: Cyber‐security considerations for the smart grid. Power and Energy Society General Meeting, 2010 IEEE. pp. 1–5 (2010). 

10.   Hidalgo,  R.,  Abbey,  C.,  Joos, G.:  Integrating  distributed  generation with  Smart Grid enabling technologies.  Innovative Smart Grid Technologies (ISGT Latin America), 2011 IEEE PES Conference on. pp. 1–7 (2011). 

11.   Ilic, M.D.: Dynamic monitoring and decision systems  for enabling sustainable energy services. Proceedings of the IEEE. 99, 58–79 (2011). 

12.   Houwing,  M.,  Heijnen,  P.,  Bouwmans,  I.:  Socio‐Technical  Complexity  in  Energy Infrastructures Conceptual Framework  to Study  the  Impact of Domestic Level Energy Generation, Storage and Exchange. Systems, Man and Cybernetics, 2006. SMC’06. IEEE International Conference on. pp. 906–911 (2007). 

13.   Von Dollen, D.: Report to NIST on the smart grid  interoperability standards roadmap. EPRI, Contract No. SB1341‐09‐CN‐0031–Deliverable. 7, (2009). 

14.   Papadopoulos,  G.A.,  Arbab,  F.:  Coordination  models  and  languages.  Advances  in Computers. 46, 329–400 (1998). 

15.   Vanfretti, L., Van Hertem, D., Nordstrom, L., Gjerde, J.O.: A smart transmission grid for Europe:  Research  challenges  in  developing  grid  enabling  technologies.  Power  and Energy Society General Meeting, 2011 IEEE. pp. 1–8 (2011). 

16.   Hussain,  S.,  Gustavsson,  R.:  Coordinating  Energy  Business  Models  and  Customer Empowerment  in  Future  Smart Grids.  ICST Conference on  E‐Energy.  E‐Energy, 2010. October 14‐15, 2010, Athens, Greece. 

17.   Hussain,  S.,  Honeth,  N.,  Gustavsson,  R.,  Sandels,  C.,  Saleem,  A.:  Trustworthy Injection/Curtailment  of DER  in Distribution Network maintaining  quality  of  Service. Intelligent  System  Application  to  Power  Systems  (ISAP),  2011  16th  International Conference on. pp. 1–6 (2011). 

Page 59: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

  References                                          P a g e  | 58  

  

18.  Gustavsson, R., Hussain, S. and Nordström, L: Engineering of Trustworthy Smart Grids Implementing  Service  Level  Agreements.  In  Proceedings  of  16th  International Conference on Intelligent System Applications to Power Systems (ISAP). September 25 – 28, 2011, Greece, 2011 (2011). 

19.   Ciancarini,  P.,  Omicini,  A.,  Zambonelli,  F.:  Multiagent  system  engineering:  the coordination  viewpoint.  Intelligent  Agents  VI.  Agent  Theories,  Architectures,  and Languages. 250–259 (2000). 

20.   Nadel, S., Geller, H.: Utility DSM: What have we learned? Where are we going? Energy Policy. 24, 289–302 (1996). 

21.   Eberhard, A., Lazarus, M., Bernow, S., Rajan, C., Lefevre, T., Cabrera, M., O’Leary, D., Peters, R., Svensson, B., Wilkinson, R.: Electricity supply and demand side management options. Thematic review IV. 1, (2000). 

22.   Sarkar,  A.,  Singh,  J.:  Financing  energy  efficiency  in  developing  countries–lessons learned and remaining challenges. Energy Policy. 38, 5560–5571 (2010). 

23.   Barwise, J., Perry, J.: Situations and attitudes. CSLI Publications (1999). 24.   Devlin, K.: Infosense: Turning Information Into Knowledge. W.H. Freeman (2001). 25.   Malik,  K.,  Choudhary,  P.:  Business  Organizations  and  Collaborative Web:  Practices, 

Strategies and Patterns. Igi Global (2011). 26.   Lundberg,  J.,  Gustavsson,  R.:  Challenges  and  opportunities  of  sensor  based  User 

empowerment. Engineering principles for open socio‐technical systems. 47. 27.   Rindebäck, C., Gustavsson, R.: Why  trust  is hard–Challenges  in e‐mediated  services. 

Trusting Agents for Trusting Electronic Societies. 180–199 (2005). 28.   Zou, J., Pavlovski, C.J.: Modeling architectural non functional requirements: from use 

case  to  control  case.  e‐Business  Engineering,  2006.  ICEBE’06.  IEEE  International Conference on. pp. 315–322 (2006). 

29.   Gambetta, D.: Can we  trust  trust. Trust: Making and breaking  cooperative  relations. 213–237 (2000). 

30.   Malaga, R.A.: Web‐based  reputation management  systems: Problems and  suggested solutions. Electronic Commerce Research. 1, 403–417 (2001). 

31.   Li, H.,  Singhal, M.:  Trust management  in  distributed  systems.  Computer.  40,  45–53 (2007). 

32.   Kok, K., Karnouskos, S., Nestle, D., Dimeas, A., Weidlich, A., Warmer, C., Strauss, P., Buchholz, B., Drenkard,  S., Hatziargyriou, N.,  others:  Smart  houses  for  a  smart  grid. Electricity Distribution‐Part  1,  2009.  CIRED  2009.  20th  International  Conference  and Exhibition on. pp. 1–4 (2009). 

33.   Gustavsson, R., Fredriksson, M., Meilstrand, P.: The proper role of agent technologies in design and  implementation of dependable network enabled systems. MULTIAGENT SYSTEMS AND SOFTWARE ARCHITECTURE. 49. 

34.   Gustavsson,  R.,  Ståhl,  B.:  Self‐healing  and  resilient  critical  infrastructures.  Critical Information Infrastructure Security. 84–94 (2009). 

35.   Deliverable  D8.5:  SEESGEN‐ICT:  Recommendations  for  Policy  Actions  to  Support Solutions  Towards  Energy  Efficiency  in  SmartGrids,  Download  from  http://seesgen‐ict.rse‐web.it. 

36.   Gustavsson, R.: Ensuring dependability  in service oriented computing. Proceedings of The 2006  International Conference on Security & Management  (SAM06) at The 2006 World Congress in Computer Science, Computer Engineering, and Applied Computing, Las Vegas (2006). 

Page 60: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

  References                                          P a g e  | 59  

  

37.   Mellstrand, P., Gustavsson, R.: An Experiment Driven Approach Towards Dependable and  Sustainable  Future  Energy  Systems.  Proceedings  of  the  3rd  International Conference on Critical Infrastructures (2006). 

38.   Fakhfakh, K., Chaari, T., others: A Comprehensive Ontology‐Based Approach  for  SLA Obligations  Monitoring.  The  Second  International  Conference  on  Advanced Engineering Computing and Applications in Sciences. pp. 217–222 (2008). 

39.   Wooldridge  and  N.  R.  Jennings,  “Pitfalls  of  agent‐oriented  development,”  in Proceedings of the second international conference on Autonomous agents, 1998, pp. 385–391. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 61: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 62: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 61  

 

 

 

 

 PART II PUBLISHED PAPERS 

    

  

Page 63: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 62  

  

 

Page 64: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 63  

CoordinatingEnergyBasedBusinessModelsandCustomerEmpowermentinFutureSmartGrids

Shahid Hussain, Rune Gustavsson School of Computing (COM)

Blekinge Institute of Technology Soft Center, Box 520, 372 25 Ronneby, Sweden

{shahid.hussain, rune.gustavsson}@bth.se

Abstract. Future sustainable energy systems are  in  focus of several national and  international  R&D  programs.  The  transition  from  today’s  tariff‐based energy  systems  towards  future  sustainable  energy  markets  has  to  be supported  by  addressing  and  solving  a  range  of  challenges.  Among  the identified barriers are doubts of user acceptance of future Smart Grids due to lack  of  experiences,  opportunities  and  possibilities:  hence  lack  of experimental validations. Our suggestion of SLA‐Agents experimental  facility is aiming at filling some of those shortcomings, not the least issues related to trust by stakeholders. 

Keywords:  Smart Grids,  Service  Level Agreements  (SLAs),  Energy  efficiency, Business models, Customer Empowerment 

 

1 Setting the Scene

The  following  Figure  1  adopted  from  deliverables  from  the  EU  funded  TN  SEESGEN‐ICT (Supporting Energy Efficiency  in  Smart Generation grids  through  ICT)  illustrates  the main characteristics behind the transition of electric grids from today to tomorrow. 

 

Figure 1. Main drivers behind the transition towards Smart Grids 

In  Figure  1  the  main  stakeholders  and  roles  are  depicted  as  well  as  the  path  of transformation  from Today  to Tomorrow, related  to effects due  to  the unbundling of  the energy  market.  The  deregulations  and  increased  intelligence  in  the  Transmission  and 

  

Page 65: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 64  

Distribution networks enabled by  smart programmable electronic components and  smart ICT  information management systems are the two main drivers of this transition. Figure 1 depicts the main architectural components related to the energy flow of the future Smart Grid. The following Figure 2 outlines the information flows between groups of stakeholders to enable and support new business models as well as empowerment of the customers. 

Figure 2 Information flows in future Smart Grids (adapted from SEESGEN‐ICT1 deliverables) 

 

As it is indicated in Figure 1 and Figure 2 the role of new stakeholders, i.e. Aggregators and Retailers will  interact  in  Smart  Grids  between  Distribution  System Operator  (DSOs)  and Customers, and secondly, we will have flexible configuration of stakeholders, such as Virtual Power Plants  (VPP). Finally, we will need communication networks  that must support  the energy  flow  as well  as  the  customer based business  information  flows.  In  short, present Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems have to be supported by novel ICT  based  information  systems  to  meet  the  requirements  of  future  Smart  Grids  for empowerment of customers [1]. 

As a consequence, the monitoring task of present day energy systems has to be re‐assessed and re‐designed. To that end we propose to extend the monitoring task by introducing the concept and mechanism of Service Level Agreements (SLAs) to: 

                                                            1 SEESGEN‐ICT home page: http://seesgen‐ict.erse‐web.it/ 

  

Page 66: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 65  

• Allow flexible grouping of stakeholders • Allow flexible empowerment of users 

1.1 Identified Barriers

Several international assessments of the transition from present day energy systems towards future Smart Grids have identified a set of barriers that have to be resolved, for instance2: 

• Regulatory  barriers.  New  types  of  stake  holders  and  new  kinds  of  business processes3 

• Technical  barriers.  Architectures  and  technologies  supporting  new  kinds  of  ICT systems complementing and enforcing SCADA systems4 

• Customer acceptance.  Trust in value‐added services provided5 • Lack  of  experiences.  Today,  there  is  a  lack  of  experience  from  large‐scale  field 

tests  or  demonstrators  addressing  key  challenges  on  the  road  towards  smart grids. For instance, the roles and amounts of DER or RES that can be utilized and trustworthy managed6. 

In  this paper we describe a configurable agent‐based platform addressing coordination  in future  smart  grids  in  the  form  of  monitoring  SLAs  (Section  2).  The  initial  focus  is  on customer acceptance and to gain experiences of possible new business processes in Smart Grids. 

2 Service Level Agreements as a Basis for Coordination in Smart Grids

Classical  SCADA  systems  are  tailored  to  monitor  the  energy  flow  processes  in  energy systems. The need of supplementary  ICT support  for  information management  related  to business cases and customer support is indicated in figure 1 and figure 2.  

Of course, there are interdependencies between monitoring energy flows and information flows  [2]. For example,  increasing  the amounts of Distributed Energy Resource  (DER) and Renewable Energy Systems  (RES)  requires additional voltage control/frequency control  to maintain the quality of service. We also have to address several aspects of data protection and  data  integrity  [2,  3],  not  the  least  since  we  have  different  (potentially  competing) 

                                                            2 Technology Action Plan: Smart Grids. Report to the Major Economies Forum (MEF) on Energy and Climate by Italy and Korea, December 2009. 

3 SEESGEN‐ICT home page: http://seesgen‐ict.erse‐web.it/ 4 INTEGRAL homepage: http://www.integral‐eu.com/ 5 Smart Grids home page: http://www.smartgrids.eu/ 6 The EUROPEAN future INTERNET initiative: http://www.future‐internet.eu/news/view/article/the‐european‐future‐internet‐initiative‐effi.html  

  

Page 67: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 66  

stakeholders and customers (prosumers)  in each Virtual Power Plant configuration (Figure 2).  Identification  of  and  harnessing  such  interdependencies  are  key  challenges  in  future Smart Grids [4].  

To attain system flexibility, a good approach is to virtualize the physical system components and  groups  of  stakeholders  into  different  non‐overlapping  virtual  infrastructures.  We propose that the coordination in those virtual infrastructures can be modelled as bundles of services under SLAs related to given business processes [4].  

Our starting point in setting up SLAs is thus: 

• Business process • Stakeholders • Services • Contract (Key indicators) • Monitoring parameters • Assessments of contract • Billing • Non‐compliance of SLAs 

 Tight  coupling  of  components  provides  stable  platforms  like  current  SCADA  systems; however,  there  is  lack of  flexibility  to  add more  stakeholder  and business needs. A new approach towards  improvement  in Smart Grid  is to restructure controlling and monitoring mechanisms accordingly to the present day need of customer empowerment from change in  tariff  based  system  to  service  based  system.  It  is  desirable  for  Smart Grid  to  have  a flexible  ICT platform by  loose coupling  the component  to achieve  the objectives. The  ICT infrastructure  provides more  abstraction  layers where  components  can  collaborate  and coordinate in a trustworthy and flexible way [4]. .  

In  such  complex  system  the  internal  and  external  dependencies  create  a  global phenomenon  that  is  unable  to  comprehend  without  actually  running  of  the  system. Simulation is a viable alternative for examining these types of complex systems, which will help the researchers to learn more about the occurring problems and to provide solutions. To cater for that, the best available practices are to use Service Oriented Architecture [5] or Agent  Systems  to model  the  information  processing  systems  as  needed.  The  change  of system control component from physical to more logical and distributed emphasis that the quality aspects must to be redesigned. We argue to manage such a complex system a better approach  is  to define and use  Service  Level Agreements  (SLA).  SLAs are mutually agreed contract  between  the  service  providers  and  the  service  users  for  the  quality  aspect  in provisioning of services. 

 

2.1 Business Cases as high‐level goals 

The business case sets the goals, constraints, pre‐ and post conditions of the SLAs. In service oriented computing SLA is presented in the Figure 3 below. Normally the SLAs represent an agreement between  two parties, one  is  the producer and  the other  is consumer/client to 

  

Page 68: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 67  

exchange values/services in the presence of Publisher that can act as a market. In order to facilitate negotiations/transactions different parameters or Service Level objectives  (SLOs) defines the measurement and monitoring criteria for effective and efficient delivery of the services.    In  our  case  we  will  extend  the  SLAs  to  typically  involve  more  than  two stakeholders. Occasionally  the  stakeholders  can  be  grouped  as  classes  of  consumers  or providers. 

 

Figure 3. Management Model of Service Level Agreements (SLAs) 

A business use  case  can be presented on a  template  identifying  stakeholders,  their  roles and responsibilities, action points and the flow of information within the specified entities.  In  the  next  section we  have  included  a  business model  from  the  EU  project  FENIX  and indicate a translation based on that business model into a SLA. A business use case has the following general sets of parameters in the corresponding SLA.  

 

• Descriptions  of  the  activities  involved  in  the  business  processes (Goals/Objectives) 

• The actors involved: (roles and responsibilities) • Coordination of tasks and responsibilities to achieve a goal  • Billing • Conflict resolution 

  

The SLAs also defines the types and parameters to be monitored such as set points (allowed intervals)  and  Key  Performance  Indicators  (KPI).  Furthermore,  it may  have  rules  for  SLA violation criteria’s to apply at breakdowns. 

 

 

  

Page 69: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 68  

3 Case study: Customer Empowerment Enabling Increased Energy Efficiency in Smart Grids 

 

Business case from the FENIX7 project is stated below 

Business Case: Access to the Market through commercial aggregator, in absence of strong pressure to integrate DER. 

Short description: “A Commercial Virtual Power Plant (CVPP) is a competitive market actor that aggregates DER units (not necessarily constrained by location). This kind of aggregator helps  the  DER  to  gain market  access  with  the  optimal  returns  prospective  and market visibility. It carries out the economical transactions between the market and the DER and so it  looks  to  the market  like an  imaginary single physical plant. The DER units,  through  this kind of aggregation, are enabled to participate not only in the wholesale market but also in the  TSO‐organized  balancing market  and  in  the Guarantees  of Origin  (GO) market. Note that, in this business model, the CVPP does not absorb the balancing risks but shifts them to his  clients.  So,  in  this  scenario,  there  will  be  only  a  financial  aggregation  of  DER  units without an operational integration. It is policy scenario that assumes the absence of strong societal pressures to really integrate DER into the electrical grid. Under these conditions, the current  “fit  and  forget”  practices  will  endure  in  the  European  operational  network management.  So  distributed  generation  will  penetrate  fast,  but  it  will  not  change  the passive network operating philosophy.” 

Further details can be viewed in the FENIX documentation 

 

3.1 Translation of Extended FENIX Business Case into SLAs

 Adjusted  Business  Case:  The  case  study  addresses  customer  empowerment  and constraints  of  DER  inclusion.  Customer  empowerment  will  derive  the  future  energy business by giving the customer more control of use of energy and also the type of energy to be utilized. The energy flows and economic/information flows between actors are as  in Figure 1 and Figure 2. 

 

Stakeholders 

• CVPP (Aggregator): Commercial Virtual Power Plant • DER  units:  Distributed  Energy  Resources  might  include  RES  Renewable  Energy 

Sources • TSO: Transmission System Operator • DSO: Distribution System Operator 

                                                            7 FENIX Project Homepage: http://www.fenix‐project.org/ 

  

Page 70: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 69  

• Consumer/Prosumer  The following adjustments of the FENIX business case are assumed: 

• The  CVPP  will  have  the  role  of  Aggregator  coordinating  the  energy  between producers and the energy consumers by smart Demand Side Management (DSM). 

• The CVPP will empower the active consumer to adjust their profile to meet Energy Efficiency criteria and/or other consumer related services. 

• The CVPP will balance  incorporating of  (vast amounts) of DER while maintaining electrical constraints such as voltage/frequency control in the grid ensuring quality of power service.  

The Product/Services related Transaction and Contracts  from  the FENIX case are replaced by several Service Level Agreements (SLAs): 

• SLA_Consumer_CVPP:  Coordinating  services  between  the  Consumer  and  the Aggregator CVPP. Supports empowerment of the consumer (active consumer) 

• SLA_CVPP_DSO_DSO:  Coordinating  services  between  the  CVPP  and  TSO/DSO mainly related to energy balancing (Voltage control/ frequency control) 

 

Synopsis 

Each CVPP is coordinating Group of Energy providers including a set of DERs and associated TSOs  and  DSOs,  together  with  a  set  of  Consumers.  The  associated  set  of  services  is coordinated with two reciprocal sets of Service Level Agreements.  On one side we have the coordination of energy providers on the other side is the coordination of the corresponding consumers. 

In the SLAs the energy profile of each consumer is specified: type and amount of energy per unit  interval.  The  lower  and  upper  bounds  of  allowed  change  of  DER  (ΔDER)  per  unit interval and other constraints are also specified. 

 

At given time point’s t0, t1, ., the following control cycle is performed: 

1. Establishing energy balance of the CVPPs asserting Quality of power 2. Collecting DERs from empowered Consumers related to CVPPs 3. Checking that the proposed changes in DER are in accordance with the SLAs 4. If YES, updating of databases. 5. Go to 1. 6. If  NO,  try  to  reconfigure  the  grid  (eventually  including  load  shedding)  to 

achieve compliance with the SLAs. 7. Updating of databases 8. Go to 1. 

 

  

Page 71: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 70  

Key parameters 

• DERj resource j: Geographic position in the network (Posj, t0) , Energy production (KWh (j, Δt(t0), Constraints (C, j, Δt(t0)) during time interval Δt(t0), 

• ΔDERj:  Amount  of  DER  resources  that  could  be  changed  by  the  Consumer  j during a time interval Δt(t0) starting at time t0. 

 

Obviously, there are several ancillary services to be provided by different stake‐holders  in order  to  perform  the  tasks  of  the  control  cycle  given  above.  The  empowerment  of  the consumer could be provided by a support tool based on, e.g., a Smart meter. This support tool should then also include a SCADA system controlling smart equipment in the home and visualizing  important  status  parameters  of  the  equipment  and  networks.  Of  specific concerns for the empowered prosumer are: 

• Information security and protection • Reliable and traceable consumption and billing 

 

4 The SLA-Agents experimental environment

The SLA‐Agent tool is an effort towards trustworthy coordination between the stakeholders and  especially  focusing  on  empowerment  of  the  customers. Our  SLA‐Agents  platform  is based  on  the  JADE  agent  platform.  However,  we  have  improved  the  performance  and scalability [6] by  introducing and  implementing distributed shared memory mechanisms  in the  Jade  Directory  component.    Our  SLA‐Agents  platform  can  be  implemented  as  a distributed  system,  which  allows  us  to  perform  experiments  on  a  distributed  agent environment where we  can model and evaluate  communication and  connectivity models [7].  Having  validated  architectures  and mechanisms  of  SLA‐based  coordination  on  SLA‐Agents  we  can  in  a  structured  way  deploy  some  of  the  virtualized  components  into physically  grounded  components  of  a  virtual  infrastructure.    The  environment  itself provides the following functionalities:  

• Support for dynamically changing of role of stakeholders • Measure  the  effects  of  customer  empowerment  on  aggregator  role  and  impact  on 

DERS accordingly.  • Monitoring of information on business layers and effects on network configuration • Support of dynamic change of the Meta‐Data information during run time and measure 

the impact. • Produce alerts based on the threshold and penalty/reward the concern stakeholders.  • Multi‐level coordination mechanism with feedback and calibration support. 

 

  

Page 72: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 71  

5 Setting up SLA Experiments

The above business case present a scenario where  increased customer based demand  for DER/RES integration in the energy sector is sustainable supported. This will eventually leads to higher energy efficiency and lower CO2 emission partly due to empowering the customer. This in turn will increase customer awareness and acceptance of potentials of Smart Grids.  

The SLA‐Agents environment for experiments and exploring possibilities and challenges of future  Smart  Grids  is  based  on  extensions  of  the  JADE  agent  platform8.    The  agents implemented are firstly, agents corresponding to stake holders, secondly, ancillary support agents. We thus have the following agents and databases in our SLA‐Agents environment: 

Agents: 

• Controller: Configures and executes experiments • Setup SLA: An ancillary service to the Controller • Change profile: An ancillary service to the Consumer  • Aggregator  (CVPP). Trusted  third party between producers  and  consumers of 

energy • SLA management: Collects, processes and distributes data related to SLAs • TSO: Transmission System Operator • DSO: Distribution System Operator • Consumer/Prosumer: Active end user • Monitor: Collects data of delegated monitoring tasks by Aggregator, TSO or DSO • Billing: Collect and validate data related to billing • Evaluator: Evaluates the conformance of SLAs to business processes 

Databases: 

• SLA Database:  • Experiments: Configurations and data • DER/RES: Capacities and positions • Billing data: Verified against SLAs • Network configurations: Position and distribution of network resources 

 

The following Figure 4 depicts the main architecture of SLA‐Agents. The main access points to  the  environment  are  by  the  Controller  or  Customer.  The  Controller  sets  up  the preconditions  for an experiment. That  is,  configures  the experiment and  sets up  the  SLA that is going to be tested. The customer initiates experiments based on profile changes by first invoking the agent/service change profile.  

 

                                                            8 http://jade.tilab.com/ 

  

Page 73: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 72  

 

Energy Resources 

Customer(s) SLA‐Management 

Aggregator (C

VPP) 

Profile(s) DER/DG Tasks/SLO  SLA Controller

Figure 4: Empowerment of customer by active participation in energy utilization based on SLAs 

The  request  is  sent  to  the Aggregator  to verify  the amount of  resources  required by  this profile change, if the profile requirement is like more Green Energy than the Aggregator will calculate  the  existing  amount  of  Green  Energy  and  either  allows  the  profile  change requirement or put  it on hold depending on  the calculations.  If more  customers want  to change  their profiles due  to  some business  incentive provided by  the Aggregator or DSO then  it  is more  feasible  to  allow  that  change based on  the  energy  resources,  instead of business  incentives. With our  flexible  architecture design we  can dynamically  implement the changes and get the results by running the simulation using multiple time scales. 

 

6 Conclusions and future work

We  have  proposed  SLAs  as  a  flexible  approach  to model  and monitor  inter‐stakeholder coordination  between  different  actors  of  future  Smart  Grids.    Furthermore,  we  have presented  a  real  case  scenario  from  the  FENIX  project  giving  emphasis  on  customer empowerment.  We  present  work  in  progress,  specifying  tools  under  development supporting identified models and methods of experimentation.  Specifically, we will address traceability  and  trustworthy  challenges  of  information  exchange.  Our  emphasis  is  the necessity  of  real  time  experimentation  in  large  scale  is  necessary  for  proper  design  and implementation of the future Smart Grid.  

 

7 References

1.  Peeters, E., Belhomme, R., Batlle, C., Bouffard, F., Karkkainen, S., Six, D., Hommelberg, M.: ADDRESS: scenarios and architecture  for active demand development  in the smart grids of the future. (2009). 

2.  Gustavsson,  R.,  Ståhl,  B.:  Self‐healing  and  Resilient  Critical  Infrastructures.  Critical Information Infrastructure Security. 84–94 (2009). 

3.  Brown, G., Carlyle, M., Salmerón, J., Wood, K., others: Defending critical  infrastructure. Interfaces. 36, 530–544 (2006). 

4.  Törnqvist,  B.,  Gustavsson,  R.,  Canal,  C.,  Murillo,  J.,  Poizat,  P.:  On  adaptive  aspect‐oriented coordination  for critical  infrastructures. Proceedings of  the First  International Workshop on Coordination and Adaptation Techniques for Software Entities. (2004). 

Databases 

MonitoringDSO  Parameters 

S‐Meters TSO  Metrics

  

Page 74: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 73  

  

5.  Andersen, P., Poulsen, B., Traeholt, C., Ostergaard, J.: Using service oriented architecture in  a  generic  virtual  power  plant.  2009  Sixth  International  Conference  on  Information Technology:  New  Generations  (ITNG  2009),  27‐29  April  2009.  pp.  1621‐2  IEEE, Piscataway, NJ, USA (2009). 

6.  Mengistu,  D.,  Tröger,  P.,  Lundberg,  L.,  Davidsson,  P.:  Scalability  in  Distributed Multi‐Agent Based Simulations: The JADE Case. Proceedings of the 2008 Second International Conference  on  Future  Generation  Communication  and  Networking  Symposia‐Volume 05. pp. 93–99 (2008). 

7. Hägg, S., Gustavsson, R., Ygge, F., Ottosson, H.: Distribution Systems. (2007). 

   

Page 75: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes
Page 76: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 75  

TrustworthyInjection/CurtailmentofDERinDistributionNetworkMaintainingQualityofService

 

Shahid Hussain, Nicholas Honeth, Rune Gustavsson, Claes Sandels, Arshad Saleem

 

Abstract‐‐  Future  powers  system  is  considering  huge  flux  of  information  flow  due  to increase  in Renewable Energy Sources. Due to the  limited monitoring and management of SCADA systems, inclusion of DER at local distribution level is a challenging task for the Smart Grid.  We  discuss  the  non‐functional  requirement  aspects  and  their  implication  in trustworthy  systems.  The  paper  also  illustrates  an  engineering  approach  towards trustworthy  ICT  systems. We  present  a  use  case  about  Injection/Curtailment  of  DER  in distributed  network.  Further, we  argue  the  importance  of  Service  Level  Agreements  as coordination tool  for  information exchange between DSO and DER  for the provisioning of trustworthy services. Finally conclude that modelling of SLA using Multi Agent Systems is a viable approach towards Trustworthy future Smart Grid applications.  

Index Terms‐‐   Curtailment, DER, DSO, Injection, Multi Agent Systems, Services, Service Level Agreements, SLA, Smart Grid, Trust, Trustworthy  

Introduction

ewnewable  energy  source  (RES)  demands  more  inclusion  of  Distributed  Energy Resources (DER) into the power system. It is not easy to have participation of small DER into the Distribution Network (DN) due to technical dependencies. On the contrary,  it 

might be feasible to have an aggregation of DER  into a Virtual Power Plant (VPP) that can support and provides the energy driven by specific business models. However, a real time monitoring  and  control  of  these  devices  poses  a  challenge  for  the  Distribution  Service Operator (DSO) and Transmission Service Operator (TSO) as presented by [1], [2].  

R

We consider  the  trustworthiness between stakeholders which we define as  the accuracy, authenticity and reliable exchange of data and messages. In order to coordinate monitoring and control of DER  the  trustworthiness of  the  ICT and  the SCADA  system presents a  real challenge  to  operation  and  control  of  the  smart  grid.  To make  system  transparent  and trustworthy, we  propose  that  an  actor  is  required  to monitor  and  provide  information exchange  to  all  the  stakeholders.  We  name  this  actor  as  Commercial  Aggregator  or mediator.  The  role  of  Commercial  Aggregator  is  to  collect measuring  data  and monitor critical  states  information  of  all  active  stakeholders  involved  in  the  provision  of  energy. Delegating and monitoring  these  tasks will provide  smooth and  trustworthy coordination behaviour. Coordination  is the key enabler to delegate and perform  ICT task related to all the  stakeholder  requirements  that  should  be  managed  and  monitored  properly  in  the presence of a  flexible, scalable and  resilient  framework.   Service Level Agreements  (SLAs) assist this process; hence, automation of SLA can facilitate such coordination by monitoring 

  

Page 77: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 76  

and  measuring  the  critical  values  in  the  information  processing  systems  [3],  [4].  As presented  in Fig. 1,  the Perceived conceptual model of  future  smart grid by NIST23.   This figure represents stakeholders’ involved in the future smart grid as well as information flow and energy  flow. This  figure depicts  the need of  ICT platform and we  further argue  that there will be additional business cases and more actors to provide  information services to all the existing stakeholders.  

 

 

Fig. 1, NIST Smart Grid Conceptual Model 

 

Quality of Service (QoS) is the non‐functional attribute of a service (like delay, throughput) [1]. Satisfying QoS is important towards building sustainable and reliable future Smart Grid [1]. For example the decision required at substation level to control an Intelligent Electronic Device  (IED)  is  in milliseconds  to  keep  the  balancing  of  power  flow  in  the  power  lines. However, business actors can wait for pricing information that can take minutes to decide. Hence  information  has  different  temporal  requirement  based  on  the  urgency  of  data. However,  at  the  power  grid  level  the  data  flow  activity  is  in  the  levels  of  seconds  or milliseconds to provide evidence to argue that localized decision making should be there at the component  level  to make decision based on  the  limited but critical  information each component has at that specific time.   In this paper we presented a use case about injection/curtailment of DER in DN to illustrate some of  the  trust concerns  raised by  the  involved  stakeholder. We propose a QoS based SLA  to monitor  and manage  the  information  flow  between  the  involved  actors  and we 

                                                            23 NIST Framework for Smart Grid       http://www.nist.gov/smartgrid  

  

Page 78: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 77  

argue that there  is a need of a third party that provides the assurances of trust by active monitoring of offered services.  The  remaining  part  of  this  paper  is  organized  as  follows.  In  section  II we  discuss  about engineering approach  to  trust and how we can achieve trustworthiness  in  ICT using SLAs. Section  III  presents  a  business  case  about  Injection/Curtailment  of  DER  and  the  trust concerns of individual actors. In section IV we present SLA based modelling of the use case and further agent based simulation modelling. We conclude the paper in section V and give directions for future work. 

 

Trustworthiness- An engineering approach towards Trust Trust represents an attribute of relation among two actors, whereas, trustworthiness is the mechanism developed to solve trust concerns by the solution provider [5]. Trust is hard to engineer  in  the  automated  systems  as  presented  in  [5]. However, we  can  attain  certain degree of trustworthiness in the system using engineering approach to address some of the concerns  and develop  a mechanism  to handle  some  concerns  in  trust, which makes  the system more trustworthy as presented in Fig. 2.  

 This  figure  represents  Engineering  approach  supporting  analysis  of  concerns  that would further provide a base for defining and monitoring appropriate QoS values. 

Input Trust Concerns

Perceived Trust Trust Sign Trust Aspects

Accessed Trustworthiness 

Trust Mechanism

Fig. 2, Engineering approach supporting analysis of concerns [5]

For  example,  EBay  and  Amazon  have  reputation  management  system  that  provides  a certain degree of trust in buyer’s mind based on the judgement of previous seller’s point of view [6], [7]. Reputation management systems provide a mechanism to increase the level of trust perception in buyer’s mind. After perceiving that trust we access the trustworthiness of the rating mechanism, to add another level of trust we further read the comments of the existing buyers  to get a  clear picture. This  cycle of  trust model  repeats until we attained certain degree of trustworthiness about the seller  in our mind. Although these reputation systems  are  very  subjective  to  individual  biasness,  however,  we  accept  the  system  as trustworthy while purchasing items online [6].   

  

Page 79: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 78  

Requirement engineering is formal way of gathering and managing the data [8]. Often these requirements are only gathered at the primary stage of the software development cycle.  At times,  failing  to  perceive  the  operational  requirements  provides  inadequate  results.  The operation results are highly dependent upon the following segments 

• Environment in which the hardware/software is running • Communication infrastructure • Data structures 

System  failures and performance  issues are mostly  reported due  to  lack of  requirements gathering at initial stages. 

 Run Time Monitoring of Non Functional Requirements

In  Smart  Grid  the  functional  aspect  are more  related  to  energy  flow  and  the  services provided by  ICT  infrastructure. The critical nature of power systems arguably  require non functional aspect tightly incorporated into services for reliable solutions. Monitoring critical set points using sensory network enable the power systems to measure and monitor huge amount  of  data.  However,  to  handle  such  a  large  amount  of  data  an  overlay  ICT infrastructure  is required. This additional  infrastructure provides a new  insight  into  future smart  grid  as  service  based  industry;  hence,  materializing  additional  actors  and  new business cases  [9]. We already have discussed  this approach  in EU project SEESGEN‐ICT24 and in our previous paper [9], where we unbundled the price and energy (kW/h) and start looking at business perspective like selling COMFORT and Green Energy. 

SLA as Trust Mechanism

Traditional power grid automation  systems are closed  systems  that provide  inflexible but secure and reliable monitoring and control. Business  ICT system are usually open systems and thus prone to security, and possibly performance problems.  

 In multi‐infrastructure like telecom, cloud computing rely on the usage of SLA. SLA as a tool facilitates such  functionalities  to monitor and manage  information  flow between multiple actors  [10],  [11].  Defining  actors  roles  and  data  access  provide  certain  degree  of  data security  in  the  system which will  increase  trustworthiness  in  the  system. Hence, we  can argue  that SLA can  increase the  level of  trust  if managed properly.  In Smart Grid  this will provides  a  mechanism  to  build  a  platform  with  horizontal  and  vertical  integration  of services in a trusted way.  

 We use SLA as an engineering approach  towards  trustworthiness. Using SLA provides  the integrity and  separation of data  concerns  for  individual  stakeholders. Each SLA  is divided into multiple  objectives  that  are measureable  and monitored  by  ICT  system  like  system bandwidth, CPU  load, Round Trip Time  (RTT) termed as SLO  (Service Level Objectives). All SLO must be defined with parameters and predefined units [10]. The reliability and security 

                                                            24 SEESGEN‐ICT Home Page http://seesgen‐ict.rse‐web.it/  

  

Page 80: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 79  

of  the  data  within  certain  limit  can  be  measured  and  monitored  at  runtime  by  the automated SLA mechanism.  It allows  involve party’s      flexibility  to change  the SLO values depending on their profit maximization strategies as negotiated by actors involved. Overall it  facilitates  significant  assurances within  involved  actors by providing  logging of data  to ensure traceability.   

  In  the  future  Smart Grid  the  ICT  infrastructure manages  information  flow.  Incorporating another  infrastructure  can  raise  some  Trust  concerns  such  a  security, privacy,  reliability, performance and scalability issues. 

 Each  concern has different aspect based on  the  intention of  stakeholder. For example, a consumer  is more concerned about  the privacy and billing  issues. The DSO and TSO have more concern about security, reliability and performance issues.  

 The  Commercial  Aggregator  and  retail  service  provider  are  more  concerned  about scalability,  privacy  and  security  issues.  Based  on  the  runtime measuring  and monitoring mechanism SLA can bridge that gap.  

 It will assist  the stakeholders  to define and negotiate on different concerns with  involved actors.    It  will  empower  each  actor  to  define,  act  and  provide  services  according  to  a predefined limits that would be monitored by the actor himself and also by third parties to mitigate the issues, if need arises.  

Business Case – Inclusion of DER 

Motivation

Consider the 20/20/20 goals set by European Union for 2020. The 20% represent 20% more renewable  energy  sources  next  20%  less  CO2  foot  print  and  last  20  represent  20%  less energy  consumption  [12].  To  integrate  20%  of  DER  as  renewable  energy  sources  is  a challenging task considering the hierarchical current energy SCADA systems. 

 SCADA system  is a stovepipe system and  is built to  integrate the components  in a vertical manner [1]. It is not easy to  integrate DER at the horizontal  layer. The major barrier  is the coordination mechanism  between  the  stakeholders  for  the  provisioning  of  services.  It  is plausible  to have  a  stack of  coordination  tools  to manage  such horizontal  integration of actors. Keeping  in  view of  the European Commission  (EC) goals and other advantages  to have additional ICT platform, among other some are as follows: 

 • Use  DER  to  generate  and  provide  localized  energy  resources  near  to  the 

consumers.  • This localization provides a certain degree of resilient mechanism for the DN in 

case of critical/emergency situation like blackouts/outrages. 

  

Page 81: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 80  

Use Case – Injection / Curtailment of DER

In this use case we limit our scope to DER that inject currents of above 63A into the DN and are  located  at  the Medium  Voltage  (MV). We  assume  a  minimum  measurement  time resolution  of  1h.  The DER  class  that we  consider  cannot  schedule when  it  can  generate electricity  but  is  able  to  adjust  set  points  to  curtail  production  if  required.    Curtailing production represents an economic  loss  for the wind operator. The DER operator aims to always sell everything that it has produced. We assume a future scenario where losses due to  curtailment  are  not  compensated  by  subsidies  and  therefore  need  to  define  another method for ensuring that the DER operator is provided with incentives to curtail production but still ensure fair trade between the DSO and DER operators. 

 On the other hand we have the DSO who carries the power flow between the local DER and loads.  By  law  the  DSO  must  satisfy  certain  power  quality  criteria  as  determined  and specified by the regulators. For the DSO carrying  local generation by DER represents more dynamic  power  flows  and  thus  higher  requirements  on  the  DN  control  and monitoring systems.  This  in  turn  requires  the  DSO  to  make  increased  investments  on  secondary equipment to support this functionality.  

 The obvious method  to deal with power quality degradation  that  can be  caused by DER integration is that the DSO demands that the DER operator curtails production. In this case the DER  should  be  financially  compensated  by  the DSO  or  by  government  subsidy.  This method may  function during a transition period  it  is not sustainable  in future distribution grids with massive integration of DER. A solution that may work in such a future scenario is that the DSO calculates a “carrier fee” that is charged per MW capacity for particular time intervals. This carrier  fee will have a  fixed and variable component. The  fixed component should  reflect  the depreciation of  investment on  the  infrastructure  required  to  carry  the DER  production.  The  variable  component  would  vary  according  to  DN  loading  and consequent power quality degradation or other important factors. 

 The carrier fee will vary according to the placement of the DER in the DN; guidelines for this calculation would have to be stipulated  in detail by the regulator. The parameters used  in the  calculation  of  the  variable  component  of  the  fee  could  be  based  on  the  physical topology and equipment types and configurations (line impedance, power rating etc.). This cost calculation based on the topology should be based on a central reference point used by all DER in the DN guarantee that it is fair for all connected DG (this may be a bit tricky for non‐radial DN(s). The fixed component could be similar to the billing model used  in some countries  today  and  as  specified  above,  based  on  depreciation  of  the  infrastructural investments. 

 In order  to  setup and monitor  SLA between  the DSO  and DER  a mediator  is  required  to specify  the  cost of  the  infrastructural  investments  and depreciation  rate  associated with carrying the DER production capacity. The DN topology and power quality constraints and associated  financial  risks  for  the  DSO  are  used  to  parameterise  the  function  used  to automatically calculate the variable component of the carrier fee. The SLA must also specify 

  

Page 82: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 81  

the requirements for the rate and quality of the process status and measurements required to  calculate  the  variable  component  as  well  as  the  interfaces  by  which  this  data  is communicated.  

 In  operation  a  system  as  described  above  would  allow  the  DSO  to  receive  financial compensation for the costs (close to the true cost + a profit margin) of carrying capacity for the  DER.  The  DER  then  has  a  cost  signal  to  react  to  and  can  make  own  decision  on curtailment based on carries  fees and market price of  supply. An automated  system  that updates the values with a high time resolution (as in 10 min intervals or less)  would allow the DER/DSO generation and distribution cluster to operate more closely to their maximum carrying capacity and thus more efficiently and fairly. 

 The  following  Technical  concerns  are  important  to  monitor  from  DSO  perspective  as presented by [13] 

• Voltage increase due to more wind generation DER • Protection of the grid from unmanageable bilateral power flow 

 To provide  the  trustworthy management of DER,  the DSO needs  to maintain  the energy balance  based  on  SLA  between  DERs  and  Loads.  The  following  quality  parameters  are significant to monitor and measure mediated by clusters of SLA. 

• Voltage Level • Power produced at specific time period • Downtime of DER 

 We  also  consider  the  business  incentives  for  loads,  but  that might  disrupt  the  technical feasibility  of  the  network.  To  prevent  the  technical  failures  caused  by  business  cases,  a priority is given to the technical QoS.  We implement the QoS based Services in different conditions like normal and critical. 

 • Normal  condition:  where  the  energy  balance  is maintained:  i.e.  energy  supply 

provided by DER is consumed by energy loads. • Critical condition: where there is imbalance in energy supply and we have to trade 

off by either incorporating more generation or curtail of DER units.  

We divided the SLA into multiple clusters of SLA(s) depending upon the use case. The  role  of DER  is  to  provide  energy  to  the DSO  based  on  a  predefined  schedule.  Both parties i.e., the DER and the DSO agrees on a schedule for the delivery of energy based on historical data, weather data and other constraints like curtailment.  

 Maximization of profit for DER The DSO takes most of the input from the DERs to provide with renewable energy, if there is wind and  substantial  loads  to utilize  that energy.  In  case of  curtailment of energy:  the DSO needs to protect the infrastructure e.g., in the case of:  

 • The wind power production is high but the demand is low. 

 

  

Page 83: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 82  

  Calculating the Quality metrics   If  i  represent  the number of DERs  in  the DN, V  represents  the  voltage, and D  is  the density of DER at some specific node in the network.   Then the equation for calculating the quality is    Quality Metric = f(∑ Vi, D  )    (1)  The density D is defined by    DERl = Number of DER in that specific location   DERt = Total number of DER in the whole DN   D = DERl / DERt      (2)  Curtailment Case The DSO can Inject or Curtail energy from DER, if imbalance occurs at the distribution grid or due to a business incentive.  If Vi <> Defined_Level   If Vi > Defined_Level then       Curtail DER   If Vi < Defined_Level then       Inject DER  

As already argued, the technical SLA has precedence over the business SLA to protect the infrastructure. To ensure  this,  technical SLA  is evaluated before  considering any business decision at time t. 

 Experimental Design

Simulation is one way to model the problem and analyze the results. We use agent systems to  develop  simulation  and  derived  some  approximate  answer  that  will  provide  a quantitative  validation  for  the  hypothesis.  Agent  systems  facilitate  such  simulations  by using  coordinated effort of multiple agents. The emergent behavior of  such  simulation  is regarded  as  complex  system  due  to  the  feedback mechanism.  Future  smart  grid  is  one application of complex system that should be carefully crafted to validate the results.

Architectural Design

We use  JACK‐AOS multi agent platform to model our concepts  in the  form of agents. The overall architecture diagram is presented as in Fig. 3. 

  

Page 84: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 83  

Fig. 3, Architecture diagram of SLA-Agent platform

To ensure trustworthiness we introduce Commercial Aggregator as mediator actor between actors.  The  role  of  the mediator  is  to  provide monitoring  facilities  of  SLA  and mitigate rewards and penalties  if anything goes wrong.    In  the above  figure,  the DER and DSO are exchanging information via Commercial aggregator. It acts as a Service Broker, where third parties  join‐in and provides different services  like prediction based on weather forecast or historical data. Each DER is modelled as an individual entity and the loads are represented by accumulating residential loads and industrial loads by an agent.  

 Methodological issues:  

• We did not consider the voltage drop due to resistance.  • Our  focus  is more on  the proof of concept  that SLA  is key enabler mechanism  in 

future power systems. 

Agent Modelling

An agent is an encapsulated computer system that is situated in some environment and can act  flexibly  and  autonomously  in  that  environment  to  meet  its  design  objectives  [14]. Agents are defined by a metaphor commonly known as BDI (Belief, Desire, Intention). The beliefs  represent knowledge of an agent about  its environment. The Beliefs are captured through  sensors  of  the  agent  and  stored  in  an  internal data  base.   Multi‐Agent  systems (MAS)  are  systems  consisting  of more  than  one  agent. MAS  are  useful  to  implement  in 

  

Page 85: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 84  

application  areas  that  are  naturally  distributed,  decentralized  and  are  easy  to  be decomposed in their design. A system architecture based upon MAS provides a natural way of  decomposing  a  software  system  into  subsystems  and  to model  interactions  between these subsystems and individual components (agents) within the subsystems.  In our approach the system is composed of four different kinds of agents. Following section describes these agents and their functionality. 

 Monitoring Agent This agent will act after the SLA has been negotiated and running. It monitors  information at  predefined  interval  or  on  events  to  update  other  agents  or  database.  The  QoS parameters are defined in the SLA with threshold values for generating alerts or violations depending on the service level objectives. 

 Load Agent  The  load  agent  is  providing  the  information  about  energy  flow  to  the  DSO.  For  this simulation  we  combine  the  residential  loads  and  industrial  loads.  Hence,  there  is  no distinction between deferrable or non deferrable loads. We assume that these loads are all non deferrable.  

 DER Agent  The DER agent  is providing  the  information about  the DER operation as well as  receiving requests for curtailment of production. It implements the DER operator side of the SLA for the technical control of the DER. 

 Commercial Aggregator Agent This agent represents a market entity and is acting as a mediator between business actors facilitating  services  and  a  platform  to  have  a  transparent  mechanism  for  information sharing. The business  levels SLA are managed by this agent.  It acts as a trustworthy actor that collects, and monitors the logs to make sure the smooth provision of services. 

 DSO Agent DSO agents represent  the distribution station and all  the  loads agents and DER agent are coordinating information via Aggregator agent with DER. SLA about technical infrastructure are  monitored  by  DSO  agent  and  a  log  is  sent  to  Aggregator.  All  the  information  is coordinated using SLA between the DSO agent and services provided i.e. the Aggregator  

 

Conclusion and Future Work 

In  this  paper  we  provided  theoretical  background  about  trustworthiness  and  the importance of SLA  in  future Smart Grid. We have  identified problem cause by  large‐scale DER integration into DNs and presented a use case for DER curtailment by the DSO in order to  maintain  power  quality  levels.  We  present  and  motivate  SLA(s)  as  a  coordination mechanism  for management of  the  information  flow between  stakeholders  in  a  smooth and flexible way. Our Multi Agent System (MAS) platform running SLA is a positive approach 

  

Page 86: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 85  

toward  coordination,  flexibility  and  QoS  monitoring.  It  also  provides  a  degree  of trustworthiness into the system by incorporating feedback mechanism by SLA. 

 In this experiment we have limited number of DER and loads. We do not even considering bidirectional  flow of  energy  in  the  system, hence  the  loads  are  loads  and producers  are producing  the  energy.  Further,  we  will  look  into  the  possibility  of  having  real  sensory network attached with our multi agent based SLA platform as a demonstrator  in real test environment 

 For future experimentation, we are considering to evaluate performance issues integrating the  system with  SCADA  system  using OPC. Our  focus  is  to  provide  active monitoring  of energy  flow  and  information  flow  for  all  stakeholders. We  also  achieve  some  degree  of security  within  components  facilitated  by  monitoring  the  data  at  application  level. Implementing  alerts  generated  in  case  of  noise  in  the  data  to  protect  the  system  from security breaches.  

Acknowledgment The authors gratefully acknowledge the contributions of Lars Nordstrom, David Sveningsson for their Ideas and contribution to this document. 

References [1]  D.  E.  Bakken,  R.  E.  Schantz,  and  R.  D.  Tucker,  “Smart  Grid  Communications:  QoS 

Stovepipes or QoS Interoperability?,” Proceedings of Grid‐Interop 2009, pp. 17–19. 

[2]  D.  E.  Bakken,  D.  E.  Whitehead,  and  G.  C.  Zweigle,  “Smart  Generation  and Transmission with Coherent, Real‐Time Data,” 2010. 

[3]  R.  Gustavsson,  “Ensuring  dependability  in  service  oriented  computing,”  in Proceedings  of  The  2006  International  Conference  on  Security  &  Management (SAM06)  at  The  2006 World  Congress  in  Computer  Science,  Computer  Engineering, and Applied Computing, Las Vegas, 2006. 

[4]  T.  Van  Craenenbroeck  and  B.  De Wispelaere  Vreg,  “Service  level  agreements  and regulatory  aspects  of  data  communication  between  DGO's  and  suppliers,”  in Electricity  Distribution,  2005.  CIRED  2005.  18th  International  Conference  and Exhibition on, pp. 1–4, 2010. 

[5]  C.  Rindebäck  and  R.  Gustavsson,  “Why  trust  is  hard–Challenges  in  e‐mediated services,” Trusting Agents for Trusting Electronic Societies, pp. 180–199, 2005. 

[6]  R. A. Malaga, “Web‐based reputation management systems: Problems and suggested solutions,” Electronic Commerce Research, vol. 1, no. 4, pp. 403–417, 2001. 

  

Page 87: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 86  

  

[7]  H. Li and M. Singhal, “Trust management in distributed systems,” Computer, vol. 40, no. 2, pp. 45–53, 2007. 

[8]  J. Zou and C. J. Pavlovski, “Modelling architectural non functional requirements: from use  case  to  control  case,”  in  e‐Business  Engineering,  2006.  ICEBE'06.  IEEE International Conference on, pp. 315–322, 2006. 

[9]  S. Hussain and R. Gustavsson, “Coordinating Energy Business Models and Customer Empowerment  in  Future  Smart  Grids,”  in  ICST  Conference  on  E‐Energy.  E‐Energy, 2010. October 14‐15, 2010, Athens, Greece. 

[10]  K. Fakhfakh, T. Chaari, and others, “A Comprehensive Ontology‐Based Approach  for SLA Obligations Monitoring,”  in  The  Second  International  Conference  on  Advanced Engineering Computing and Applications in Sciences, pp. 217–222, 2008. 

[11]  D. D. Lamanna,  J. Skene, and W. Emmerich, “Slang: A  language  for defining  service level agreements,” in Proc. of the 9th IEEE Workshop on Future Trends in Distributed Computing Systems‐FTDCS, pp. 100–106, 2003. 

[12]  R. Duan and G. Deconinck, “Future electricity market interoperability of a multi‐agent model  of  the  Smart  Grid,”  in  Networking,  Sensing  and  Control  (ICNSC),  2010 International Conference on, pp. 625–630, 2010. 

[13]  E.  Haesen,  A.  D.  Alarcon‐Rodriguez,  J.  Driesen,  R.  Belmans,  and  G.  Ault, “Opportunities  for  active  DER  management  in  deferral  of  distribution  system reinforcements,”  in  Power  Systems  Conference  and  Exposition,  2009.  PSCE'09. IEEE/PES, pp. 1–8, 2009. 

[14]  M. J. Wooldridge, An introduction to multiagent systems. Wiley, 2009. 

 

Page 88: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 87  

EngineeringofTrustworthySmartGridsImplementingServiceLevelAgreements

 

Rune Gustavsson, Member IEEE, Shahid Hussain, Lars Nordström, Senior Member IEEE

 Abstract—Future  Smart  Grids  have  to meet  high  expectations  from  our  societies  on 

improved energy efficiency and sustainability. However, system uptake and acceptance will to a large extent depend on the perceived trust by different stakeholders. In the paper we address  issues related to engineering of trustworthy systems. This type of Engineering will be grounded  in  reliable models of  interoperability. A key  issue  is here  interoperability of information exchange and sharing. Based on analysis of trust concerns, we propose a model of  coordinating  and  monitoring  Services  by  Service  Level  Agreements  (SLAs)  between stakeholders to ensure trustworthiness of system performance and behavior. We illustrate our methods on case related to trustworthy inclusion of DERs in Smart Grids. 

Index  Terms‐‐     DER, DSO Multiagent  Systems,  Service  Level  Agreements,  SLA,  Smart Grid, Trust, Trustworthy  

Introduction

In the EU Climate and Energy package it is stated that by 2020 EU should meet the targets of: 

• At least 20% decrease in EU greenhouse gas emissions related to 1990 levels. • 20% of EU energy consumption to come from renewable resources. • A 20% reduction in primary energy use compared with projected levels, to be achieved 

by improving energy efficiency. A  roadmap  to meet  those  targets  includes a  transition  from grids  to Smart Grids. Such a roadmap is NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, issued by NIST25. 

 

Some identified characteristics of Smart Grids: 

• New stakeholders will complement existing stakeholders in future energy markets. 

                                                            Gustavsson, Hussain are with the School of Computing, Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, Sweden, email: (rune.gustavsson, shahid.hussain) @bth.se.  Gustavsson, Nordström are with the Department of Industrial Information and Control Systems, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, e‐mail: (rune.gustavsson, larsn)@ics.kth.se  25 NIST Framework for Smart Grid: http://www.nist.gov/smartgrid 

  

Page 89: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 88  

• New regulatory frameworks regulating the roles and responsibilities of stakeholders and the roles of the markets. 

• Controlled massive  inclusion  of  Distributed  Energy  Resources  (DER)  in  the  grid while maintaining high Quality of Service (QoS). 

• Empowerment of end users to enable increased energy efficiency and new energy based services  

• Implementation of distributed intelligence in the grid to enable trustworthy, secure and resilient operations.  

 

The EU target of 2020 demands more inclusion of DER in the Distribution Network (DN). It might be promising to have an aggregation of DER into a Virtual Power Plant (VPP) that can support and provide  the energy depending upon  the business  requirements. However, a real  time monitoring and  control of  these devices poses a  challenge  for  the Distribution Service Operator (DSO) and Transmission Service Operator (TSO) as presented by [1], [2].  

From  the  following Conceptual model by NIST  in  Fig.  1, we  firmly  believe  that  in  future Smart Grid,  there will be additional roles of  Information Communication Technology  (ICT) infrastructure that will provide information services to all the existing stakeholders. 

 

Fig. 1, NIST Smart Grid Conceptual Model – Top Level 

 

From Fig. 1,  it follows that Smart Grids can be modelled as  involving seven domains; Bulk Generation, Transmission, Distribution, Customer, Markets, Operations and Service Provider with actors. Each of the seven domains  is a high  level grouping of organizations buildings, individuals, systems devices and other actors that have similar objectives and that they rely on – or participate in – similar types of applications.  

  

Page 90: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 89  

An actor is a device, computer system, software program, or the individual or organization that participates  in  the  Smart Grid. Actors have  the  capability  to make decisions  and  to exchange information with other actors.  

Organizations may have actors  in more  than one domain. The actors  illustrated here are representative examples but are by no means all of the actors  in a Smart Grid. Each actor may exist in several different varieties and may actually contain other actors within them.   

We  can  distinguish  two  processes  from  Fig.1  Power  System Management  (Generation, Transmission  and  Distribution)  and  Information  System Management  (Collection,  Trans‐formation, Processing  and Distribution).  Information  systems  include  Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems and supplementary ICT systems. 

Communication between actors  in  the same domain may have similar characteristics and requirements.  Domains  may  contain  sub‐domains.  Moreover,  domains  have  much overlapping  functionality,  as  in  the  case  of  the  transmission  and  distribution  domains. Transmission  and  distribution  often  share  networks,  and,  therefore,  are  represented  as overlapping domains. 

Interoperability is a key requirement for data communication and information sharing in the smart  grid.  This  topic  has  been  articulated  at  great  length  by  the GridWise  Architecture Council  (GWAC26).  However,  the  interoperability  issues  addressed  to  date  include  only syntactic interoperability of data exchange. We outline in this paper some aspects of higher order (semantic) interoperability as well (Figure 2). 

In a recent paper [1] it is argued that middleware is a key enabling technology for meeting interoperability  requirements  of  smart  grids.  A  complementary  paper  [3]  addresses  the importance  of  significant  interfaces  of  smart  grids.  Both  papers  have  been  presented  at Grid‐Interop Forum 2009 organized by GWAC. 

The  remaining part of  the paper  is organized  as  follows.  In  Section  II  Interoperability we introduce  The  GWAC  interoperability  model  together  with  definitions  of  Functional interoperability, Non‐functional interoperability, and Quality of Service (QoS). Furthermore, we  introduce  Middleware  as  a  mean  to  implement  Functional  and  Non‐functional interoperability meeting desired QoS.  

In  Section  III  Trustworthiness  we  outline  an  engineering  model  based  on  identifying concerns by different  stakeholders  to  enable  implementation  of  suitable mechanisms  or signs  to be  interpreted as  tokens of  trustworthiness. Section  IV Service Level Agreements (SLAs)  introduces  SLAs  as  a  coordination  and monitoring mechanism  taking  into  account QoS requirements related to Smart Grids. We also outline the implementation of SLAs using proper  middleware  and  taking  into  account  stakeholders  concerns  related  to trustworthiness.  The  concerns  are  examples  of  Cross  cutting  Issues  at  different Interoperability  Categories.  We  argue  that  SLAs  indeed  supports  assessments  of trustworthiness  by  stakeholders  in  functions  and  behavior  of  Smart  Grids.  In  Section  V 

                                                            2 Home page: http://www.gridwiseac.org/ 

 

  

Page 91: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 90  

Business cases –  Inclusions of DER, we address criteria  related  to  trustworthy  inclusion of DER.  The  paper  concludes with  Section  VI  Conclusion  and  Future Work  and  Section  VII References. 

INTEROPERABILITY We must distinguish between two kinds of interoperability; Functional interoperability and Non‐functional interoperability. 

Functional  interoperability  involves  the  traditional  inter‐operability  of  the  application  or business  logic.  Functional  interoperability  requires  some  kind  of  agreement  on  the interface: an API or contract. Non‐functional interoperability involves interoperability cross‐behavioural issues such as delay and security. 

Implementation of systems taking into account functional and non‐functional requirements as well as  issues of flexibility and maintainability take  into models and methods of Service Oriented  System  engineering.  Applications  are  then  not  designed  and  implemented  as stand‐alone  stove‐pipe  systems,  but  as  configurations  of  services.  The  transition  from closely  coupled  systems  to  loosely  coupled  systems  puts  issues  of  coordination  and communication in focus. 

Introducing  agent‐based  services  or  implementing  Service  Oriented Multi‐agent  Systems (MAS) facilitates taking into account intelligence or smartness of future Smart Grids. Agent technologies allow modelling systems as configurations of smart flexible components, e.g., Active Network Management  (ANM) of Distribution Grids  [8]. The  IEEE Power and Energy Society  Multiagent  Systems  Working  Group27  aims  to  promote  the  openness  of  agent architectures  within  the  power  domain.  In  this  paper  we  argue  that  Service  Level Agreements  (SLAs)  provides  a  control  and  monitoring  structure  of  MAS  assuring interoperability and QoS. 

We  also  need  to  use  Middleware  for  implementation  of  Service  Oriented  Systems. Middleware  is a  layer of software and services above the operating system but below the application  program  providing  a  common  programming  abstraction  and  system  model across a distributed system. 

Middleware  exists  in part  to help manage  the  complexity  and heterogeneity  inherent  in distribute  systems.  Network  researchers  have  of  course  developed  layers  of  network protocols, where each layer builds on the one below and offers higher level of abstractions or service. Similarly, middleware researchers have developed multiple layers of middleware that build on the layer below it. Note that middleware typically overlays and enhances OSI layers  above  the  transport  (level  4)  layer.  The  alternative  to  handle  these  layers  in middleware  is to hard code these  layers  in the application program. However, this  is very time consuming and error prone; the best practices are very hard to recreate. 

The  following  figures  articulate  some  of  the  issues  supporting  cross  cutting  security  and privacy,  as  well  as  QoS  aspects  in  the  GWAC  framework  of  network  and  syntactic categories.  Interoperability  is  driven  by  the  need  of  businesses  (or  business  automation                                                             27 Home page: http://ewh.ieee.org/mu/pes‐mas/ 

  

Page 92: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 91  

components)  to  share  information  between  others.  Business  processes  enable  the necessary  information  exchange.  At  the  organizational  layers,  inter‐operability  requires agreement  on  the  business  process  interaction  that  is  expected  to  take  place  across  an interface. Such an agreement would describe the service requests and responses that need to  support  a  larger  process  picture  that  is  shared  by  the  collaborating  parties.  These processes  must  also  be  consistent  with  the  tactical  aspects  of  running  the  interacting businesses,  the  strategic aspects  shared by  the parties of  the exchange, and  the political environment embodied in economic and regulatory policy that governs such business.  Fig. 2 depicts these categories of  interoperability. The framework pertains to an electricity plus  information  (E+I)  infrastructure.  At  the  organizational  layers,  the  pragmatic  drivers revolve  around  the  management  of  electricity  markets.  At  the  technical  layers,  the communications networking and syntax issues are information technology oriented. In the middle,  we  transform  information  technology  into  knowledge  that  supports  the organization aspects of the electricity related business. 

 

Fig. 2 GWAC Interoperability Framework Categories 

Within each horizontal category  the  information exchange can be  implemented using  the same  technologies.  However,  information  exchange  across  categories  typically  requires other  technologies  and/or  transformation  of  data  between  data  models.  Particular challenges  arise  when  we  have  a  vertical  shift  in  the  E+I  column.  This  reflects  a transformation of  the semantics of  information between Energy Systems and  Information Systems. 

 

  

Page 93: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 92  

 

Fig. 3 GWAC Interoperability Context – Setting Framework Diagram 

 

Cross  cutting  issues  are  areas  that  need  to  be  addressed  and  agreed  upon  to  achieve interoperation. They usually are relevant to more than one interoperability category of the framework. Fig. 3 from GWAC proposes to organize  interoperability  issues  into a series of topics.  These  topics  are  introduced  in  this  formative  stage of developing  the  framework with  the  realization  that  each  topic needs  to be  articulated  in  future developments  and captured in detailed technical papers. These topics would then help organize specific work items for soliciting proposals to resolve issues where their impact to interoperability can be prioritized  and  where  establishing  agreement  on  specific  directions  for  resolution  can advance  the  cause.  In  fact,  cross  cutting  issues  can  be  regarded  as  constraints  on  the functional  solutions. This entails  that  the  set of cross cutting  issues might be bounded  in order to have acceptable functional solutions. A technique to handle this situation might be using constraint programming. 

Fig.  3  depicts  the  cross  cutting  issues  spanning  all  categories.  Deciding  precisely which interoperability  categories are  relevant  to each  cross  cutting  issue  requires more  review. Though a matrix of  issues  for each  interoperability category would arguably be desirable, further clarification and analysis of the issues will be necessary.  

In  Section  IV we  propose  implementation  of  SLAs  taking  into  cross  cutting  concerns  of trustworthiness  in  vertical  slices  of  Interoperability  Categories.  Furthermore,  the information  exchange  across  Categories  is  enabled  by  service  exchange  between  SLA service  bundles.  The  GWAC  interoperability  model  suggests  that  any  implementation supporting interoperability must also support the following principles: 

Principle I09: An interoperability framework must be practical and achievable:  • Meets performance requirements  • Is reliable • Is scalable  • Has sufficient breadth to meet the range of business needs   

  

Page 94: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 93  

Principle  I10:  An  interoperability  strategy  must  accommodate  the  coexistence  of  and evolvement through several generations of IT standards and technologies that will reside at any point in time on the Grid. 

Two major points are support of Principle I09 and Principle I10:    In support of Principle I09, which essentially states that any solutions need to be effective from a variety of operational perspectives,  it  is essential  that  syntactic  interoperability  is incorporated  across  the  board  to  its  individual  elements.  We  believe  that  having  a comprehensive middleware architectural  framework  to deliver  these  services  is  the most effective  way  to  ensure  this  in  a  comprehensive  way,  instead  of  a  large  collection  of individual but narrow approaches, mechanisms, and evaluations.  In  order  to  support  interoperability  across  organizations  and  in  support  of  the  "future proofing" articulated in Principle I10, it is essential that APIs for Quality of Service (including security) should be expressed at a middleware layer, which maps down onto the lower level mechanisms for providing a given property, in order to extend life cycle management across the  evolution  of  these  mechanisms.  In  order  to  support  multiple  non‐functional/QoS properties (delay, rate, confidentiality, criticality/availability, and so on),  it  is essential that APIs be expressed in middleware so that they can be integrated and co‐managed.   Resource  allocation  is  an  important  part  of  resource management  and  is  essential  for providing non‐functional properties. A given  lower‐level mechanism enables one or more non‐functional properties  that may be optimized  (or, at minimum, appropriate)  for  some operating  conditions  and  inappropriate  or  even  considered  “not  working”  under  other conditions.  At  runtime,  a  given  mechanism  may  utilize  different  levels  of  underlying resources  (CPU,  bandwidth,  and  memory/storage).  Different  mechanisms  providing  the same  property  can  provide  different  levels  of  non‐functional  service  for  given  operating conditions; they also typically offer different tradeoffs between the level of non‐functional properties provided and resources consumed.   Examples  of  typical  ways  that  non‐functional  properties  can  be  supported  include  the following:   

• Latency  mechanisms:  a  chain  of  network  level  “reservations”  for  performance  (see below for a more detailed view).  

• Confidentiality mechanisms: encryption  

• Integrity mechanisms:  higher  level  algorithms  built  on  top  of  encryption  (e.g.,  digital signatures).  

• Availability mechanisms:  replication  (spatial,  temporal,  value)  and  end‐to‐end  latency mechanisms per above.  

Best practices dictate that the abstraction level for non‐functional properties offered to the programmer be established as high as possible, rather than encouraging developers to bind directly into lower level mechanisms, for a number of reasons:   • It  is  less error prone. Very  few application programmers are expert  in  low  level, non‐

  

Page 95: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 94  

functional property mechanisms.  

• Different  lower‐level mechanisms  are  available  in different  configurations  in different deployments.  The  APIs  of  the  lower‐level  mechanisms  will  change  over  time  and perhaps with situation.  

• New  lower‐level mechanisms  providing  the  same property  or  properties will  become available over the lifetime of an application (which often can span many decades). Such new mechanisms will often be better than existing ones in one or more ways, including offering  a  higher  level  of  a  non‐functional  property  or  being  useable  across  a wider range of operating conditions 

 A stovepipe system is a legacy system that is an assemblage of inter‐related elements that are  so  tightly  bound  together  that  the  individual  elements  cannot  be  differentiated, upgraded or refactored. The stovepipe system must be maintained until  it can be entirely replaced  by  a  new  system.  From  this,  we  propose  the  following  new  definition:  QoS Stovepipe System  (QSS): a system of systems whose subsystems are  locked  into  low  level mechanisms for QoS and security such that  

a) It cannot be replaced in many reasonable configurations, or b) Some programs cannot be combined because  they use different  lower  level QoS 

mechanisms  for  the  same  property  (e.g.,  latency)  that  cannot  be  directly composed, or 

c) It cannot be upgraded to “ride the technology” curve as better low level QoS and security mechanisms become available  

It is essential that any Smart Grid avoid enabling or perhaps even allowing QSS. This can be achieved using a proper set of Middleware components.  

Trustworthiness Trust  in  Smart  Grids  entails  for  some  stakeholders,  e.g.,  TSOs  and  DSOs,  trustworthy monitoring  and  control  of  inclusion  of  DERs.  To  make  Smart  Grids  transparent  and trustworthy, we  propose  that  an  actor  is  empowered  to monitor  (invoke  services)  and provide  information  exchange  with  all  relevant  stakeholders.  We  name  this  authority Commercial Aggregator or Mediator.  

Trust and trustworthiness

Trust is an attribute of a relation between two actors or between an actor and an artefact. Trust  is  hard  to  design  and  implement  in  the  automated  systems  as  presented  in  [4]. However, we can attain certain degree of trustworthiness  in the system using engineering approach to address some of the trust concerns articulated by a stakeholder. Eventually, we then can design and  implement a mechanism  (sign – brand‐name)  to be assessed by  the stakeholder.  This mechanism  provides  certain  degree  of  trust  and  the  stakeholder  then might judge the system (person) to be trustworthy! Fig. 4 gives a simplified process model of engineering trustworthiness along this line. 

  

Page 96: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 95  

Input  Trust Concerns 

Trust Sign Perceived Trust Trust 

Aspects 

Accessed Trustworthiness 

Trust Mechanism

 

Fig. 4 Engineering approach supporting analysis of concerns [4]  

It  should  be  noted  that  stakeholders  concerns  might  involve  all  or  a  selection  of  the Crosscutting  Issues mentioned  in Fig. 3.  It might also happen  that some of  the expressed concerns might be contradictory or have different weight among stakeholders.  In order to support  the  engineering  of  trustworthy  systems we  thus  need  the  support  of  regulatory frameworks of stakeholder responsibilities and obligations as well of market rules of future Smart Grids.  

In fact these frameworks correspond to concerns by stakeholders at Higher Interoperability Categories (5‐8) of Fig. 3. The identification of Trust aspects and design and implementation of Trust mechanisms or Signs has to be modelled and assessed in cooperation with relevant stakeholders. We address some of these aspects in Section IV. 

 

Service Level Agreements (SLAs) Service  Level  Agreements  (SLAs)  are  specifications  of  Functional  and  Non‐functional Interoperability Categories  taking  into account Cross Cutting  Issues by stakeholders  to be taken  into  account  in  order  to  address  trustworthiness  of  Smart  Grid  functions  and behaviours [Fig. 3 and Fig.4]. 

The SLA life cycle includes the following steps: 

• Requirement engineering, including addressing concerns • Setting  up  and  agreeing  on  SLAs  and  Key  Performance  Indicators  (KPIs)  to  be 

monitored • Implementing SLAs as a coordinating mechanisms of Service Bundles involving agents 

and services • Monitoring processes controlled by SLAs • Assessing performance • Addressing proper maintenance actions 

 

  

Page 97: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 96  

These activities have  to be  supported by proper  (agent based)  tools. We have addressed some of those issues in [7]. 

The criticalities  involved  in these types of activities are highly dependent by satisfying the non‐functional  requirements  or  quality  of  service  (QoS)  parameters.  For  example  the decision  required  at  substation  level  to  control  an  IED  is  in  milliseconds  to  keep  the balancing  of  energy  in  the  power  lines;  however  business  actors  can  wait  for  pricing information that can take minutes to decide. Hence information requires different temporal requirement based on the urgency of data. At the power grid level, the data flow activity is in second or in milliseconds provide evidence to argue that local decision making should be present at the component level.  Those  concerns  belong  to  the  Technical  Interoperability  Category  of  Fig.3.  The  eventual dependencies, or influence, on the higher Organizational Category depends on the relevant regulatory  frameworks and business processes.  In multi‐infrastructure  like  telecom, cloud computing  rely  on  the usage  of  SLA. Automation  of  SLA  provides  such  functionalities  to define monitor and manage information flow between multiple actors [5], [6].  Defining actors roles and data access provide certain degree of data security in the system that will increase trustworthiness in the system. Hence, we can argue that SLA can increase the level of trust if managed properly. In Smart Grid this will provides a mechanism to build a platform with horizontal and vertical integration of services in a trusted way.  In  Smart  Grid  the  functional  aspect  are more  related  to  energy  flow  and  the  services provided by  ICT  infrastructure. The critical nature of power systems arguably require non‐functional aspect tightly incorporated into services for reliable solutions. Monitoring critical set points using sensory network enable the power systems to measure and monitor huge amount of data. However, an overlay  ICT  infrastructure  is required to handle such a  large amount of data. This additional infrastructure promotes service oriented perspective in the power  grid;  hence,  materialize  additional  actors  and  new  business  cases.  To  increase profits, Smart Grid people have to think about unbundling of price  from energy units and start  looking  at  the  other  business  perspective  like  selling  COMFORT  and Green  Energy promoting both higher energy efficiency and higher profit by service providers as presented in SEESGEN‐ICT28 and in [7].   

Business Case – Inclusion of DER From  the  EU 20‐20‐20  goal  for  2020 we  infer  that  integration of DERs  in  Smart Grids  is regarded  as  a  key  enabler  to  obtain  the  stated  objectives.  To  integrate  20%  of  DER  as renewable energy sources  is a challenging task considering the current hierarchical energy systems. Concerns from TSOs and DSOs include:  • Inclusion of DERs while maintaining QoS related to voltage and frequency control • Inclusion of DERs while keeping trust by stakeholders 

                                                            28 SEESGEN‐ICT Home Page http://seesgen‐ict.rse‐web.it/ 

  

Page 98: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 97  

• Empowerment of customers while keeping trust and profitability  Those concerns can be mapped on suitable vertical slices (of Categories) covering horizontal areas of Cross‐cutting Issues of Fig. 3. The relevant SLAs with KPIs can then be deduced and monitored. We  have modelled  those  and  similar  concerns  as  sets  of  SLAs  that  can  be monitored. Furthermore we have performed some promising simulations using techniques of Multi‐Agent systems [7, 9]. 

Conclusion and Future Work We have  introduced Service Level Agreements  (SLAs) as a mean  to capture Cross‐cutting Issues related to trust by stakeholders of Smart Grids over Interoperability Categories in the framework provided by GridWise. We argue that proper implementations of those SLAs will enable design and implementation of trustworthy future Smart Grids. The paper is a report of promising work  in progress. The main  ideas and  findings will be  further  investigated  in ongoing international and national Smart Grid projects.  

References [1]  D.  E.  Bakken,  R.  E.  Schantz,  and  R.  D.  Tucker,  “Smart  Grid  Communications:  QoS 

Stovepipes or QoS Interoperability?,” Proceedings of Grid‐Interop 2009, pp. 17–19. 

[2]  D. E. Bakken, D. E. Whitehead, and G. C. Zweigle, “Smart Generation and Transmission with Coherent, Real‐Time Data,” 2010. 

[3]  W. T. Cox, T. Considine, and T. C. Principal,  “Architecturally Significant  Interfaces  for the Smart Grid.” 

[4]  C.  Rindebäck  and  R.  Gustavsson,  “Why  trust  is  hard–Challenges  in  e‐mediated services,” Trusting Agents for Trusting Electronic Societies, pp. 180–199, 2005. 

[5]  K.  Fakhfakh,  T.  Chaari,  and others,  “A Comprehensive Ontology‐Based Approach  for SLA  Obligations Monitoring,”  in  The  Second  International  Conference  on  Advanced Engineering Computing and Applications in Sciences, pp. 217–222, 2008. 

[6]  D. D. Lamanna, J. Skene, and W. Emmerich, “Slang: A language for defining service level agreements,”  in  Proc.  of  the  9th  IEEE  Workshop  on  Future  Trends  in  Distributed Computing Systems‐FTDCS, pp. 100–106, 2003. 

[7]  S. Hussain  and  R. Gustavsson,  “Coordinating  Energy  Business Models  and  Customer Empowerment in Future Smart Grids,” in ICST Conference on E‐Energy. E‐Energy, 2010. October 14‐15, 2010, Athens, Greece. 

[8]  V.M.  Catterson,  E.U.  Davidson  and  S.D.J.  McArthur,  "Embedded  Intelligence  for Electrical  Network  Operation  and  Control,"  Special  Issue  "AI  In  Power  Systems  & Energy Markets", IEEE Intelligent Systems, March/April, 2011, pp. 38 ‐ 45. 

  

Page 99: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 98  

[9]  R. Gustavsson  and B.  Ståhl,  “The  empowered user  ‐  The  critical  interface  to  critical infrastructures,”  In Proceedings of The Fifth  International CRIS conference on Critical Infrastructures –  Interacting Critical  Infrastructures for the 21st Century. Beijing 20‐22 September, 2010. 

 

   

  

Page 100: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 99  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Appendix A  

 

  

Page 101: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 100  

SLAAgentImplementation Class Diagram The libsla framework manages Service Level Agreements as presented in Fig 4.7; the figure describes  the  implementation  of  libsla.  In  the  next  paragraph  we  discuss  the implementation detail of it. 

 

 

Fig 4.7, libsla Implementation – Class diagram 

 

Roles, parties and peers Roles are defined within  the domain, and a party  is a peer with an assigned  role  for  the given SLA. For  instance, a  role might be “Service provider” and a peer acting as a service provider can have that role for a given SLA, then the peer would be the party. A peer can be as many parties  as necessary, using  any number of  roles, even  for  the  same  SLA. A  role declares what permission the parties will have and on what events they will be notified. 

Data is pushed, not pulled All data within  the  libsla  framework  is pushed  forward,  it does not poll  for anything. This has both pros and cons, the later mostly being that in order to monitor the integrity of the system you need to actively query it and parameters has to be updated when modified. 

  

Page 102: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 101  

Events The framework will automatically notify involved parties when different events occur in the system, depending on what role the party has. For instance, if an SLA is breached by one of the parties all parties with relevant roles will be notified. The role definition decides which parties receive what events. 

Metrics and parameters Each SLA has parameters describing the rules for the parties and if a parameter is not within the legal boundary the SLA is automatically breached. Parameters have a single metric and input, where  the metric describes  the kind of data  it handles.   Simple parameters have a valid range for its input. 

States Each  SLA  has  an  associated  state,  most  of  the  time  valid.  States  does  not  change automatically but only when the SLA  is validated. This  is to gain some performance as the validation  is a relatively expensive operation. First all parameters should be updated, then the validation can proceed. 

The initial state of all SLA’s is incomplete, meaning that it is still not finished and the creator must assign all the parties and parameters. Once ready, the creator enables the SLA causing it to change state to pending. A pending SLA  is waiting for additional data, start‐date and signing. When all parties have signed and the date  is between the start‐ and end‐date the state goes either to valid or breached depending on the parameters. 

Glue (adaptor) By itself the framework cannot influence the system it is running within, so glue is needed. The glue comes mostly in two parts, the host and the peers. A host is an instance which is able  to  connect  and  pass messages  to  peers,  and  a  peer  (from  libsla’s  POV)  is  the  data needed to connect to a remote host. 

When an event occurs in libsla the call backs implemented by the host will be used to pass messages to the relevant peers. It is very important that the peer is serializable and can be used by any host anywhere at any time. 

SLA Editor An editor is included to modify domain‐specific settings (roles, metrics, etc) and to view the opened SLA’s. The following sample file is included generated by SLA editor. 

  

Page 103: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

P a g e  | 102  

  

SLA‐Agent generated Sample File 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

final DataLayer db = new DataLayer(){}; final Host host = new SampleHost();  db.initialize(dbhost, dbport, dbname, dbuser, dbpass);  final Domain domain = db.domain_from_shortname("test");   System.out.println("Opened domain: " + domain);  final SLA sla = domain.sla_create(new SamplePeer("example@test")); System.out.println("Created SLA: " + sla);  Party self = sla.creator();  /*                      who                   peer           role id */ Party a = sla.party_add(self, new SamplePeer("fred@test"),   1001); Party b = sla.party_add(self, new SamplePeer("barney@test"), 1002); Party c = sla.party_add(self, new SamplePeer("wilma@test"),  1003);  /*                              who   short‐  metric  initial */ /*                                     name     id     value  */ Parameter x = sla.parameter_add(self, "test",   1,      0.0f); x.set_range(self, 0.0f, 5.0f);  sla.enable(host, self); sla.sign_request(host, self); sla.validate(host, self);  /* SLA is now valid */  sla.paramter_update("test", 6.2f); sla.validate(host, self);  /* At this point the SLA would be breached because the parameter is out‐of‐range */ 

 

 

 

Page 104: Coordination and Monitoring C e Leve ServiCeS BaSed on ...835042/FULLTEXT01.pdfSchool of Computing Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL ... The thesis concludes

Blekinge Institute of Technology

Licentiate Dissertation Series No. 2012:01

School of Computing

Coordination and Monitoring ServiCeS BaSed on ServiCe LeveL agreeMentS in SMart gridS

Co

or

din

at

ion

an

d M

on

ito

rin

g S

er

viC

eS

B

aS

ed

on

Se

rv

iCe

Le

ve

L a

gr

ee

Me

nt

S in

SM

ar

t g

rid

S Shahid H

ussain

ISSN 1650-2140

ISBN: 978-91-7295-224-9

The EU Climate and Energy package, setting

the 20-20-20 targets of future energy systems by

2020 will change the landscape of future energy

system in Europe and worldwide. A transition

from monopolised controlled Power network to

customer oriented Smart Grids operating in dere-

gulated energy markets poses several regulatory,

organizational and technical challenges. To that

end several international Smart Grid projects

have been launched worldwide in EU, the US

and China. To cope with the inherent complexity

of Smart grid systems the systemic property of

Interoperability has been proposed by organisa-

tions such as NIST and GridWise in the US and

is also adopted by EU.

Interoperability of smart grids entails design,

implementation, validation and maintenance of

systems ensuring technical, information, and or-

ganizational interoperability. In order to address

Quality of Service (QoS) in this setting, the tool

of Service Level Agreements (SLAs) has been

proposed. A SLA set up the coordination bet-

ween stakeholders in a business case and rele-

vant services with set-points and agreements to

be monitored. A challenge is to identify relevant

(new) stakeholders, their competences and roles

in the business case.

In the thesis we specifically address the follo-

wing issues:

• Empowerment of end-users

• Trustworthy integration of DER- Distributed

Energy Resources in delivered services

• Validation (Interoperability) of SLAs

To those ends, we have implemented an experi-

mental test bed based on Multi-Agent systems

and sensor technologies.

The thesis concludes with assessments of our

findings and some pointers to future work. Our

work is validated scientifically and industrially

by participating in the two EU project INTE-

GRAL and SEESGEN-ICT, both ended in late

spring 2011.

aBStraCt

2012:01

2012:01

Shahid Hussain