Elaborato Scuri Ernesto N46000046

Transcript

Facoltà di Ingegneria
Corso di Studi in Ingegneria Informatica
Elaborato finale in Reti di Calcolatori
Smart Grid Communications: Overview of
research challenges, solutions and
standardization activities
Anno Accademico 2012/2013
Candidato:
Ernesto Scuri
matr. N46000046
Alla mia famiglia,
ad Andrea,
ai miei amici,
in particolare a Dario,Mattia e Stefano
Indice
Introduzione
4
Capitolo 1. Le Smart Grid
6
1.1
1.2
Cos’è una Smart Grid
La diffusione delle Smart Grid
6
7
Capitolo 2. La comunicazione nelle Smart Grid
2.1
2.2
2.3
2.4
2.4.1
2.5
2.5.1
2.5.2
2.6
2.7
9
Architettura e Performance
Scheduling delle risorse
Gli standard e l’interoperabilità
Sicurezza
Il centro di controllo
Privacy
Anonimizzazione
Considerazioni
Inquinamento elettromagnetico e salute
Conclusioni
9
13
15
19
21
24
26
26
27
28
Bibliografia
29
III
Smart Grid Communications: Overview of Research Challenges, Solutions and
Standardization Activities
Introduzione
Negli ultimi anni è diventata sempre più ricorrente la presenza di tematiche relative
alle energie verdi e rinnovabili nella vita di tutti i giorni. Basti pensare alle grandi
campagne di marketing su prodotti ecologici e sull’incentivazione all’acquisto
d’impianti fotovoltaici o simili.
I cambiamenti climatici e i gas serra sono diventati un problema riconosciuto
d'importanza mondiale, e le risorse di energie rinnovabili sono diventate la chiave
per combattere lo stravolgimento a cui stiamo assistendo sul nostro pianeta.
Purtroppo, però, l’integrazione di questi accorgimenti nell’attuale rete di
distribuzione elettrica non è cosa da poco. I problemi sono molteplici: disparità
territoriale, diverso livello di distribuzione delle fonti energetiche (centrali elettriche
di vario tipo), intermittenza dei generatori e, soprattutto, mancanza di algoritmi per il
controllo distribuito .
Ancora oggi sfruttiamo una tipologia di sistema vecchia di oltre 50 anni, costituita
dal broadcast dell’energia elettrica,con alcune potenti centrali elettriche che inviano
l’elettricità nelle miriadi di case, e non solo, degli utenti finali,seguendo una rete di
cavi e trasformatori incredibilmente ramificata ed estesa.
Questo è un modello superato e incapace di soddisfare le richieste attuali: oltre ai
problemi già citati, bisogna considerare la grande quantità di energia sprecata per
evitare problemi di sovraccarico, ai quali i gestori pongono rimedio immettendo altra
4
energia nella rete, solitamente prodotta con fonti non rinnovabili. Questo sistema,
oltre che ad essere incompatibile con l’ambiente, è anche incredibilmente
svantaggioso economicamente.
Bisogna perciò trovare una soluzione che possa essere favorevole per l’ambiente e
per l’economia dei singoli utenti: le smart grid.
Le smart grid rappresentano il futuro, e in parte anche il presente, della distribuzione
dell’energia elettrica nel mondo. Le sfide che si prospettano per gli addetti al settore
sono molteplici, ma i vantaggi che potremo trarne saranno enormi.
Studiosi e ricercatori hanno paragonato la nascita delle smart grid all’importanza che
ha avuto l’introduzione di Internet nella società moderna, rivoluzionando il nostro
modo di vivere, cambiando le abitudini e il modo di rapportarsi con ogni
elettrodomestico di casa e non solo.
L’obiettivo di questo lavoro è analizzare le smart grid, e in particolar modo gli
aspetti relativi a comunicazione, privacy e sicurezza.
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Capitolo 1
Le smart grid
1.1 Cos’è una smart grid
Una smart grid è, nel senso più generale, una griglia elettrica che sfrutta sistemi ICT
(information and communication technology) per raccogliere informazioni utili a
migliorare efficienza, disponibilità, costi e sostenibilità della produzione e distribuzione
dell’energia elettrica1.
Il termine “smart grid” fu usato per la prima volta nel 2005 nell’articolo “Toward a Smart
Grid” di Amin e Wollenberg2, anche se si pervengono tracce in anni precedenti, ma non in
pubblicazioni ufficiali.
Gli organi competenti che si occupano dello sviluppo e dell’organizzazione delle smart
grid sono lo “Smart Grid European Technology Platform” in Europa e il “National
institute for Standard and Technology” negli Stati Uniti, ma gruppi di studio si sono
formati anche in Cina e Corea, e molti sono gli enti coinvolti nella ricerca e nello studio
dei progetti inerenti alle smart grid.
1
2
Definizione dell’ U.S. Department of Energy. "Smart Grid / Department of Energy". Retrieved 2012-06-18.
http://massoud-amin.umn.edu/publications/Smart_Grid_IEEE_P&E_Amin_Wollenberg.pdf
6
1.2 La diffusione delle smart grid
Come precedentemente spiegato, le smart grid sono nate per porre rimedio ai problemi
delle attuali linee elettriche. Una fortissima espansione sta avvenendo negli ultimi anni
grazie alle politiche di paesi quali Stati Uniti d’America, con un investimento di circa 11
miliardi di dollari (ben presto si raggiungeranno cifre pari alle centinaia di miliardi) come
previsto nell’ “American Recovery and Reinvestment Act” 3, o in Europa, con un
programma di grandi investimenti che prevede, tra le altre cose, la creazione di una nuova
griglia europea e la riduzione delle emissioni di CO2 entro l’anno 2020.
Esempi del genere sono presenti anche in Italia, che vanta il primato di essere la stata la
prima nazione al mondo a dotarsi di Smart Grid su scala nazionale già dal 2006. I fornitori
di energia elettrica, di cui il
capostipite in questo campo
è Enel4, stanno effettuando
da tempo l’installazione dei
nuovi “Smart meters” nelle
abitazioni
dei
cittadini
italiani.
Gli smart meters sono una
delle
componenti
fondamentali delle nuove smart grid, che convertono la vecchia infrastruttura AMR
(Automatic Meter Reading) in una AMI ( Advanced Metering Infrastructure). Al momento
permettono la visualizzazione di informazioni base come il consumo di potenza
istantaneo, ma in futuro saranno collegati ad ogni singolo elettrodomestico della casa,
fornendo consumi in tempo reale e permettendo un controllo preciso anche in remoto
grazie ad applicazioni appositamente sviluppate per smartphone e browser web.
Il vantaggio sarà anche per i gestori, che potranno così raccogliere dati relativi ai consumi,
3
E’ il documento firmato dal Presidente Barack Obama nel 2009 relativo ad un nuovo periodo di investimenti per
combattere la crisi economica degli Stati Uniti
4
Enel collabora a livello internazionale per il progetto “Grid4eu” , la prima Smart Grid funzionante a livello europeo
7
alle fasce orarie in cui vi è maggiore o minore richiesta, e ottenere riscontri da parte dei
clienti. Ma il vero vantaggio è sicuramente offerto dalla possibilità di poter collegare fonti
di energia rinnovabile private, come i pannelli fotovoltaici sui tetti di abitazioni private.
Ovviamente a tanti vantaggi fanno da controparte una miriade di complessità tecniche, che
a breve tratteremo.
8
Capitolo 2
La Comunicazione nelle Smart Grid
Benché i vantaggi illustrati finora siano oggettivamente notevoli, la parte più interessante
di tutto il sistema smart grid è sicuramente quella relativa alla parte propriamente
tecnologica. La creazione di un modello simile ha richiesto, e richiede tuttora, un’enorme
mole di lavoro per i progettisti e gli ingegneri, che devono superare una moltitudine di
problematiche di grande importanza. Nel seguito sono illustrare le maggiori tematiche
relative alle smart grid.
2.1 Architettura e Performance
In linea generale, una smart grid è composta da alcune componenti principali: gli “smart
meters”, gli aggregatori di dati (piccoli server sparsi sul territorio), il Centro di controllo
del gestore e la rete elettrica vera e propria.
Mentre gli smart meters hanno il solo compito di raccogliere informazioni e inviarle al
gestore, il Centro di controllo deve assolvere ad una moltitudine di compiti,svolti sia in
modo automatico dai calcolatori che tramite l’intervento umano.
A differenza della semplice rete elettrica, una smart grid non ha soltanto una struttura
radiale, con al centro la centrale elettrica e nei paraggi una moltitudine di utenti da
raggiungere, ma ha piuttosto una struttura altamente complessa e ramificata,con reti
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circolari e di tipologia “mesh” 5. Proprio per la complicata struttura della rete, il Centro di
controllo diventa un EMS (Energy Management System) che non si occupa più soltanto
dell’individuazione dei guasti, ma deve farsi carico del funzionamento di tutto il sistema.
Per permettere la cooperazione tra le singole abitazioni, sono state ideate delle nuove
tipologie di reti: la prima è la HAN (Home Area Network), una rete di scambio di
informazioni tra i dispositivi di una stessa abitazione per permettere a diverse applicazioni
distribuite di funzionare (per esempio per gestire i consumi degli elettrodomestici), mentre
la seconda è la NAN (Neighborhood Area Network), che ha il compito di collezionare le
informazioni dei vari centri abitativi e di inviarle ad un server centrale. Un’altra rete di
tipo WAN (Wide Area Network) si occuperà di inviare queste informazioni al Centro di
controllo del gestore.
Uno dei problemi principali risiede nella metodologia di collegamento da utilizzare per
connettere i dispositivi casalinghi e gli smart meter di ogni abitazione, e di come inviare le
informazioni raccolte al Centro di Controllo. Ogni elettrodomestico disporrà di
5
Una rete mesh è una rete a maglie di tipologia wireless che si avvantaggia della collaborazione tra i nodi per la
ritrasmissione dei pacchetti
10
microcircuiti intelligenti, che saranno utilizzati per supportare connessioni in remoto e
applicazioni via Internet, e utilizzeranno moduli per le connessioni wireless.
Per quanto riguarda le HAN, la soluzione più economica, semplice e pronta all’uso è di
utilizzare collegamenti wireless come Wi-Fi (WLAN), Bluetooth (WPAN) o WiMax.
Negli ultimi anni si sta sviluppando sempre più la tecnologia ZigBee, che, molto
probabilmente, diventerà il nuovo standard mondiale per le Smart Grid. ZigBee è stato
pensato come uno standard di comunicazione a basso costo e a basso consumo energetico
dalla ZigBee Alliance. Questo standard include applicazioni per automazione casalinga e
costruzioni commerciali, monitoraggio degli impianti industriali, servizi di e-commerce,
reti di sensori wireless e reti PAN6 e HAN.
Il vantaggio più grande di questo standard è che il nodo più complesso di una rete ZigBee
richiede solamente il 10% del codice necessario per un nodo Bluetooth o Wi-Fi, mentre il
più semplice richiederebbe addirittura il 2%. Per ora questi sono dati teorici, ma si spera di
arrivare in tempi brevi a simili risultati. Inoltre, i costi per le trasmittenti sono molto
minori rispetto a quelli del Bluetooth. Purtroppo però, ci sono ancora alcuni limiti in
questa tipologia di rete: requisiti sulla latenza ridotta, memorie molto piccole, capacità di
elaborazione ridotte all’osso e, in particolar modo, le interferenze prodotte da altre
applicazioni che sfruttano lo stesso mezzo trasmissivo (Wi-Fi, bluetooth, etc.). Al
momento si occupa dello sviluppo dello standard il gruppo IEEE 802.15.4.
Per le reti NAN il problema è il medesimo, e tra gli standard possibili compare anche la
rete dati cellulare, di tipologia GPRS, 3G o LTE. Per le connessioni nella WAN ci si
affiderà invece a soluzioni con cavo (fibra ottica).
Le attuali reti cellulari offrono una buona prospettiva in questo campo: è una struttura già
esistente ed eviterebbe ulteriori costi e tempo di sviluppo. Le reti 2G, 3G, LTE, WiMax
sono presenti sul territorio e subito disponibili per supportare lo scambio di informazioni
dagli smart meter alle centrali. Inoltre, le reti cellulari offrono un potente sistema di
sicurezza nella trasmissione e forti controlli sullo scambio dati. Lo svantaggio però è che
questo tipo di sistema entrerebbe facilmente in congestione a causa dell’enorme numero di
6
Personal Area Network: sono reti dell’ordine di pochi metri, come il Bluetooth
11
connessioni o comunque ad un decadimento delle prestazioni in situazioni di emergenza.
L’alternativa per le HAN e NAN è, ovviamente, una rete cablata: questa eliminerebbe le
problematiche relative alle interferenze e alla distanza di funzionamento, ma
comporterebbe anche costi enormi per la cablatura di ogni singola abitazione.
Un’alternativa alle cablature e alle reti wireless consiste nella tecnologia PLC (Powerline
Communication). Questa utilizza le linee elettriche esistenti per inviare le informazioni da
un punto ad un altro della casa o
di una rete NAN. PLC è stata la
prima
scelta
per
la
comunicazione tra i dispositivi e
gli smart meters a causa della
facile
implementazione.
Gli
svantaggi di una simile soluzione
consistono in una bassa velocità
trasmissiva per tratte medio lunghe (quindi al di fuori di una
rete HAN) e nel forte rumore
ambientale dovuto al mezzo.
In Francia è stata creata la “Linky meter project” che collega 35 milioni di smart meter
tradizionali con gli smart meter Linky. Le informazioni sono poi inviate ai centri dati
mediante tecnologia GPRS. In Italia, invece, Enel utilizza una rete ibrida formata dalla
tecnologia PLC per il trasporto dei dati dai misuratori fino a dei concentratori (server) di
informazioni sparsi sul territorio, e la tecnologia GSM per inviare dati da questi ultimi alle
centrali.
Grazie a queste tipologie di reti, i gestori potranno gestire le informazioni in tempo quasi
reale. A causa però di così tante connessioni e una mole così grande di dati, i sistemi
andrebbero facilmente in sovraccarico: per questo motivo si rende necessario uno
scheduling delle risorse, proprio come con Internet.
12
2.2 Scheduling delle risorse
In modo da realizzare una comunicazione efficace nell’infrastruttura delle Smart Grid, è
necessario garantire una QoS (Quality of Service) che ricopra tutto il sistema, dagli
impianti di generatori, alla rete di distribuzione, alle applicazioni per gli utenti.
Uno dei requisiti più importanti di una smart grid riguarda la latenza. Le operazioni
dovrebbero avvenire tutte in tempo reale e includono segnali che riguardano letture dei
sensori e comandi vari. Ad esempio, i messaggi dai vari dispositivi ai misuratori
dovrebbero impiegare non più di alcune decine di ms, mentre le letture inviate alle sale di
controllo dovrebbero essere disponibili in pochi secondi.
Altro elemento di fondamentale importanza è la banda disponibile per la trasmissione dei
segnali stessi. Alcuni gruppi di ricercatori, come C.H. Hauser7 , hanno definito l’utilizzo di
banda usando linee di tipologia T18: si prevede che il traffico dati in questo tipo di
connessioni verrà utilizzato al massimo per il 6% in casi con latenza media di 10 ms per
un messaggio di 400 bit,sufficienti per la trasmissione dei dati delle smart grid. Stimando
una connessione media con centinaia di migliaia di utenti, l’utilizzo di banda sarà piuttosto
scarso(dell’ordine dei 100Mbit/s), anche se bisogna considerare sempre un vincolo sulla
latenza.
Lo scheduling delle risorse, però, non si rivolge unicamente ai dati nella rete informativa,
ma anche al flusso di energia elettrica. Ogni cliente della rete avrà differenti priorità e
preferenze: ad esempio ospedali e strutture di emergenza avranno priorità maggiori
rispetto alle normali abitazioni. E’ una metodologia molto simile a quella dei nodi basati
su QoS nelle normali reti wireless.
Una rete intelligente dovrà gestire le richieste di maggiore carico da parte degli utenti,
gestendo ogni singola situazione: se la somma del carico richiesto e del carico già
predisposto è inferiore al massimo stabilito, la richiesta di carico potrà essere
positivamente accolta; in caso negativo se la priorità della richiesta è bassa, verrà inviata
7
C.H. Hauser e il suo gruppo di studio in “Security, trust and QoS in Next Generation control and communication for
large power systems” , Critical Infrastructures Vol. 4 2008
8
Le linee T1 sono delle particolari connessioni in fibra ottica o rame ad alta velocità (1,5 MB/s) che sfruttano 24 canali
13
una risposta al consumatore per rischedulare la richiesta di carico. Se invece la richiesta ha
priorità alta, il gestore può inviare una richiesta agli altri utenti con bassa criticità per
scoprire se possono cedere parte del loro carico energetico.
Il sistema dovrà, inoltre, essere in grado di organizzare il flusso energetico nelle varie ore
della giornata. Conoscendo le abitudini dei clienti, una smart grid si adeguerà di
conseguenza. Ad esempio, in un futuro in cui le auto saranno completamente elettriche, la
smart grid dovrà gestire un elevato numero di autovetture in ricarica. La smart grid potrà,
in questo caso, permettere la ricarica nelle ore serali e notturne, quando la maggioranza dei
clienti è in casa, lasciando libera la rete durante il dì e riducendo il massimo carico che si
ha nelle ore di punta.
Il sistema si basa, quindi, su una condivisione delle risorse, in cui gli utenti possono
aiutare o meno altri utenti, il tutto in modo dinamico e automatizzato. Il massimo di questa
espressione risiede nei micro-impianti di produzione energetica dei singoli consumatori,
siano essi pannelli fotovoltaici, pompe di calore o altro: ogni utente immette energia nella
rete, rendendola disponibile agli altri. Quest'approccio è molto simile alla filosofia di
comunicazione cooperativa che avviene nelle reti wireless, in cui si prova a incrementare
la banda disponibile o la distanza operativa condividendo le risorse. Viene a crearsi un
nuovo mercato per lo scambio di energia: utenti della stessa NAN potranno generare
energia da condividere con altre NAN adiacenti, minimizzando gli sprechi di energia e i
costi.
Un altro vantaggio dello scheduling dell’energia consisterà in un’ottimizzazione dei casi di
blackout o di bassa tensione. Ad esempio, se un blackout colpisce una determinata HAN o
al peggio un’intera NAN, le HAN e NAN adiacenti convoglieranno la loro energia in
surplus verso quella determinata rete, il tutto in tempi brevissimi, e tali da non poter
percepire il blackout o il guasto del sistema.
14
2.3 Gli standard e l’interoperabilità
Come abbiamo visto fin qui, le smart grid raccolgono una vasta gamma di standard e
applicazioni di telecomunicazioni.
Il problema principale, però, è che le smart grid non godono ancora di uno standard
comune. E tutto questo si traduce in una difficoltà di interoperabilità.
Per interoperabilità si intende la capacità di diversi sistemi di lavorare insieme, usare parti
compatibili, scambiare informazioni o risorse gli uni con gli altri, e lavorare
cooperativamente per risolvere degli obiettivi. Il NIST (National institute for Standard and
Technology) si sta occupando al momento di costruire il primo Coordinatore
Internazionale per l’interoperabilità delle smart grid negli Stati Uniti.
Il NIST ha sviluppato un frame work che include protocolli e standard per la gestione
dell’informazione in modo interoperante per i dispositivi e sistemi delle smart grid.
L’approccio è diviso in tre fasi:
 Fase 1: si riuniscono le aziende del settore in un bando pubblico di partecipazione
per identificare possibili nuovi standard ed eventuali problemi in quelli attualmente
esistenti,con la pubblicazione finale del lavoro e l’aggiunta di commenti pubblici.
 Fase 2: si stabilisce una partnership privato-pubblico e si crea uno schema di
interoperabilità per guidare un progetto a lungo termine.
 Fase 3: viene sviluppato e implementato un frame work per il testing e la
certificazione di come gli standard sono implementati nei dispositivi,sistemi e
processi delle smart grid
15
Il modello di riferimento creato dal NIST prevede alcune identità in gioco: generatori, rete
di
trasmissione
e
distribuzione,
operazioni del centro
di controllo, provider
di servizi e i clienti
finali.
In Europa, invece, si
prevede
che
la
standardizzazione e la regolamentazione sarà diversa da paese a paese a causa di fattori
economici, geografici, politici e sociali. Basti pensare alle differenti tensioni di corrente
utilizzate nei paesi europei, alla diffusione diversificata di impianti eolici e solari, etc.
Tre sono i gruppi attualmente commissionati dall’Unione Europea per lo sviluppo di
standard: il TSO (Transmission System Operators), il DSO (Distribution System
Operators) e il DNO (Distribution Network Operators). Questi tre gruppi di esperti stanno
lavorando attualmente per trovare delle soluzioni efficaci per rispettare i provvedimenti da
raggiungere entro il 20209. Gli obiettivi di questi tre gruppi nello specifico saranno:
 Funzionalità delle smart grid e degli smart meters
 Regolamentazione per la sicurezza dei dati e della loro protezione
 Regole e responsabilità degli attori coinvolti nello sviluppo delle smart grid
9
Progetto Europa 2020: l’intento è di rilanciare economicamente l’Europa in modo intelligente,sostenibile e solidale
per raggiungere 5 obiettivi: occupazione,innovazione,istruzione,integrazione sociale e clima/energia
16
Nello sviluppo di uno standard riguardante la comunicazione nelle misurazioni intelligenti,
sono tante le società che hanno contribuito, e contribuiscono tuttora. Tra queste, citiamo:
l’American National Standards Institute (ANSI), l’International Electrotechnical
Commission
(IEC),
l’Institute
of
Electrical
and
Electronics
Engineers(IEEE),
l’International Organization for Standardization(ISO). Oltre a questi, CEN, CENELEC ed
ETSI, le tre compagnie europee per la normalizzazione elettrotecnica e delle
telecomunicazioni, hanno creato una task force per la definizione di standard a livello
europeo.
Nel seguito sono presentati alcuni degli standard di maggior importanza nelle smart grid:
ANSI C12.18: è uno standard ANSI specificamente disegnato per comunicazione con i
misuratori ed è responsabile delle comunicazioni tra dispositivi C12.18 e un client tramite
porta ottica.
M-Bus: è uno standard europeo che fornisce i requisiti per la lettura in remoto di tutti i tipi
di misuratori. I misuratori sono connessi ad un “Master” che raccoglie periodicamente le
letture tramite l’M-Bus. Esiste anche una versione wireless.
HomePlug: è una tecnologia di tipo Powerline ed è utilizzata per connettere dispositivi
all’interno di una HAN. E’ anche definito un HPCC (HomePlug Command and Control)
per applicazioni a basso costo.
HomePlug Green PHY: è un’estensione del precedente standard, con caratteristiche di
basso consumo energetico, rete ottimizzata per i costi.
PRIME: è uno standard powerline aperto a livello globale che permette l’interoperabilità
tra i vari gestori e la cooperazione di alcune entità ad esso collegate.
U-SNAP: a causa dell’incompatibilità degli standard precedenti con le reti HAN, è stato
creato questo nuovo standard, che permettere l’interfacciamento di tutte le tipologie di
prodotto casalinghe alla HAN stessa. Fondamentalmente, U-SNAP abilita un connettore e
un’interfaccia seriale e identifica l’interfaccia hardware, le dimensioni fisiche, il data
transfer, messaggi di commenti e specifiche di protocollo per i dispositivi connessi alla
HAN che vogliono comunicare con gli smart meter.
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Z-Wave: è un’alternativa a ZigBee che pone rimedio alle interferenze con 802.11/b/g
grazie all’operatività alla frequenza di 800Mhz. Z-Wave non è uno standard aperto, ed è
gestito dalla Z-Wave Alliance. La sua semplicità e il basso costo gli permetteranno di
diventare una delle tecnologie leader nel campo dell’automazione casalinga.
IEC 62351: definisce la cyber sicurezza per i protocolli di comunicazione.
SAE J2293: è uno standard sviluppato dall’Hybrid Committee, che fa parte della SAE
International, e provvede ai requisiti per i veicoli elettrici e alle metodologie di ricarica.
Standardizza il trasferimento di energia dalla cabina elettrica al veicolo.
18
2.4 Sicurezza
Probabilmente, il requisito più stringente riguardante le smart grid è quello relativo alla
sicurezza. La cyber-sicurezza, in particolare, assume un’importanza primaria considerando
i potenziali pericoli dei cyber-attacchi e incidenti contro questo settore critico, che mostra
la sua debolezza in una forte interconnessione di svariati sistemi.
La sicurezza dovrà fronteggiare non solo attacchi terroristici da parte di hacker, ma anche
spionaggio industriale, calamità naturali e dovrà essere esente da bug di sistema, pronto a
fronteggiare errori e fallimenti critici. Un attaccante particolarmente capace potrebbe
sfruttare una debolezza del sistema per creare danni inimmaginabili su scala
internazionale, mandare in blackout intere città o impadronirsi di informazioni personali
dei tantissimi utenti connessi alla rete.
Al momento sono diverse le organizzazioni che si occupano di questo tipo di sicurezza
nelle smart grid, come il Task Group del NIST, il CSCTG10, creato per assicurare la
consistenza nei requisiti su tutte le componenti della smart grid. La struttura dovrà essere
altamente sicura, scalabile e consistente.
La FIPS11 ha approvato l’uso degli standard AES12 e 3DES13, che offrono una forte
sicurezza abbinata ad alte performance. Tuttavia, il NIST ha determinato che il 3DES
diventerà insicuro entro il 2030, e poiché è preferibile l’utilizzo di una soluzione a lungo
termine, AES sembra il candidato ideale per la protezione delle smart grid future.
Probabile è un periodo di convivenza tra le due soluzioni per permettere il funzionamento
di alcuni sistemi legacy basati sul vecchio DES, nonostante un certo rischio nel
compromettere il sistema.
La sicurezza nei collegamenti wireless sarà garantita dai già noti standard implementati
con 802.11i14 e 802.16e15, mentre nelle reti cablate verranno utilizzati firewall, VPN16 e
10
Cyber Security Coordination Task Group
Federal Information Processing Standard, è un ente americano predisposto alla creazione di standard di crittografia
avanzata
12
Advanced Encryption Standard è un algoritmo di cifratura a blocchi utilizzato come standard negli Stati Uniti
13
Triple Data Encryption Standard è un cifrario a blocchi basato sulla ripetizione del DES per tre volte, triplicando la
lunghezza della chiave del DES,che era di soli 56 bit, e aumentando la sicurezza senza cambiare l’algoritmo di base
14
Conosciuto anche come WPA2, è sviluppato da IEEE e si basa sull’evoluzione del Four way handshake del WPA
11
19
IPsec17. Lo sforzo maggiore risiede nella gestione delle chiavi di sicurezza. Gli sforzi
richiesti nella fornitura di chiavi simmetriche in milioni o, forse, miliardi di dispositivi
potrà essere troppo esosa in termini prestazionali e insicura. E’ necessario perciò lo
sviluppo di uno schema di gestione di sicurezza delle chiavi per una rete di grandi
dimensioni; questi sistemi potranno essere presi direttamente da altre industrie, come
quella dei sistemi radio mobili o simili. Sistemi basati su infrastrutture a chiave pubblica
(PKI) potranno essere personalizzati per gli operatori delle smart grid. Un altro possibile
rimedio è l’utilizzo di sistemi di sicurezza simili a quelli utilizzati dai militari, come
tecniche di “defence in depth18” che sono utilizzate in sistemi di controllo nucleari.
Oltre il numero di utenti connessi, bisogna considerare anche il numero di gestori di
energia e le organizzazioni che adopereranno le smart grid: per questo motivo sarà
necessaria una scalabilità a livello hardware e software mai adoperata prima in nessun
altro campo.
15
Evoluzione del WiMax per supportare spostamenti a velocità veicolari
Virtual Private Network è una rete di telecomunicazioni privata instaurata su rete Internet pubblica
17
E’ un protocollo di sicurezza di livello di rete per l’autenticazione. cifratura e controllo di integrità dei pacchetti IP
18
E’ un sistema di difesa basato sul ritardare l’attaccante per recuperare tempo,utilizzando più strati difensivi piuttosto
che un solo potente strato
16
20
2.4.1 Il Centro di controllo
Lo sviluppo dei nuovi schemi operativi selle smart grid, in cui saranno di fondamentale
importanza le risorse di energia distribuita (DER19) interconnesse, è una sfida non da poco.
Gli attuali modelli organizzativi delle reti energetiche non sono sufficienti per supportare
le unità DER e la richiesta sempre maggiore di energia da parte dei consumatori richiederà
obbligatoriamente fonti di energie rinnovabili per permettere qualità ed efficienza.
Nei recenti anni, sono stati effettuati molti studi riguardo ai sistemi intelligenti di
distribuzione (SDN20), che predicano una modifica nella topologia delle reti di
distribuzione e nel ruolo che avrà il centro di controllo per gestire la complessità del
sistema. Il centro di controllo non indicherà più soltanto i guasti della rete, ma si
trasformerà in un sistema di gestione dell’energia (EMS21).
Le risorse di energia distribuita dovranno essere integrate nel sistema per prevenire
problemi operativi e per soddisfare richieste di energia di alta qualità. Una delle abilità di
queste risorse è proprio quella di sopperire alla mancanza di energia nelle reti locali e di
assistere il processo di recupero del sistema. Sarà necessaria quindi una comunicazione a
19
Distributed Energy Resources
Smart Distribution Networks
21
Energy Management System
20
21
due vie per scambiare dati tra il sistema centrale e le DER sparse sul territorio.
Secondo alcuni studi, i ruoli positivi delle DER sono:
 Miglioramenti qualitativi: supporto per tensioni dinamiche, filtri attivi, assicurare un
miglioramento del profilo degli alimentatori, etc.
 Miglioramenti nella disponibilità: funzioni di tipo UPS22, ripristino dei servizi locali
 Miglioramenti economici: efficienza relativamente alta, riduzione delle perdite,
livellamento dei picchi energetici
Alcuni nuovi schemi per le strategie che dovrebbero adottare i sistemi di controllo sono
stati proposti negli ultimi anni. Il modello più accreditato prevede che le applicazioni del
sistema siano composte di tre parti: applicazioni in tempo reale, applicazioni sui casi di
studio e applicazioni dipendenti dagli eventi.
Applicazioni in tempo reale: mirano ad analizzare le condizioni attuali del sistema e
raccomandano soluzioni operative migliori. E’ composto di un processore centrale, uno
stimatore di stato, un flusso di
energia in tempo reale e un
gestore e predittore di carico.
L’API23 è utilizzata per il
controllo
operativo
delle
applicazioni in tempo reale.
Applicazioni
sui
casi
di
studio:
utilizzate
per
sono
vagliare le possibili soluzioni
candidate,
includendo
la
riconfigurazione della rete, lo
22
Uninterruptible Power Supply è un’apparecchiatura utilizzata per mantenere carichi computer e dispositivi elettronici
a livello business e consumer
23
Application Service Interface
22
spegnimento o l’accensione dei dispositivi. E’ composta da un “dispatcher24” per il flusso
energetico e la riconfigurazione della rete. Come mostrato in figura, è l’operatore che
esegue le applicazioni: questo crea i casi di studio tramite l’ASI, poi il database di tempo
reale viene copiato nella memoria per la modalità di studio.
Applicazioni dipendenti dagli eventi: servono per eliminare il danno e ripristinare le
operazioni correnti. E’ composto di un network di protezione, un coordinatore di
protezione e un servizio di ripristino. Il SAP25 è utilizzato per il controllo delle operazioni
in modalità “driven-event”. Le operazioni di ripristino del servizio sono mostrate in figura,
dove vediamo il sistema SAP
identificare le sezioni in cui è
presente il problema, la perdita
di sistema e il cambio di
tipologia della rete. Il risultato di
queste
operazioni
è
poi
adoperato per il controllo delle
operazioni in modalità “drivenevent”, per la riconfigurazione,
la coordinazione proattiva e il
ripristino dei servizi.
24
Si occupa dell’interruzione e dell’avvio di processi in coda. Lo troviamo nei sistemi operativi per la gestione del
processore
25
Smart Alarm Processor
23
2.5 Privacy
Da contraltare al fattore sicurezza, bisogna considerare il problema relativo alla privacy
dell’individuo. Come abbiamo visto, le misurazioni e i dati raccolti dagli smart meter nelle
abitazioni degli utenti saranno necessari per garantire un servizio affidabile ed efficiente. I
fattori principali sono due: non si conosce ancora il ventaglio di informazioni estratte
specificatamente da ogni cliente e il concetto di privacy nelle smart grid non è ancora stato
definito.
Tutto questo arriva al prezzo della privacy dell’utente. Molte misurazioni aiutano
certamente
l’efficienza
della rete, ma la collezione
di tutti questi dati permette
di avere informazioni molto
dettagliate su ogni singolo
utente: quando si consuma
di più o di meno, quando si
usa il proprio autoveicolo,
quando non si è in casa e
Esempio di consumo elettrico in una giornata misurato da uno smart meter
per quanto tempo (un esempio è dato dall’immagine soprastante). Sorge spontanea la
necessità di proteggere tutte queste informazioni.
Sono state così pensate due classi di schemi per la protezione della privacy: il primo è
basato su una regolamentazione, mentre il secondo ha base tecnologica. Secondo il NIST,
la grande quantità di dati raccolti dal sistema smart grid è anche il suo stesso “tallone
d’Achille” e bisogna trovare un giusto compromesso tra i vantaggi della tecnologia delle
reti intelligenti e la privacy dell’individuo. In Europa il lavoro è affidato alle tre task force
di esperti (TSO,DSO,DNO) che stanno lavorando sulle possibilità pratiche da adottare.
L’anonimato è il punto su cui si focalizza l’attenzione dei progettisti, che dovranno
costruire un sistema che sia protetto ma anche efficace per non rallentare il grande volume
di dati in circolazione sulla rete. Prima di tutto bisogna fare alcune assunzioni: i dati
24
raccolti dai misuratori devono essere in qualche modo attribuibili al determinato utente per
il calcolo delle bollette; le informazioni saranno raccolte con frequenze molto basse
dell’ordine della settimana/mese/quadrimestre; le informazioni necessarie per il calcolo
dell’energia necessaria non hanno bisogno di essere attribuibili, ma dati anonimi
basteranno per l’instradamento; i dati anonimi verranno collezionati ad alte frequenze,
nell’ordine dei minuti per raggiungere risultati vicini al tempo reale.
Diverse sono le soluzioni tecnologiche che sono state proposte, che qui elencheremo:
Anonimizzazione: sono utilizzati protocolli per rendere anonimo l’ID dell’utente nel
frequente scambio di messaggi tra misuratori e dispositivi. E’ la più accreditata tra le varie
soluzioni.
Aggregazione: è introdotta una doppia scelta. Una soluzione riguarda un server di
aggregazione proxy che effettua le associazioni. La seconda riguarda l’aggiunta di un
valore random da una particolare distribuzione di probabilità.
Omomorfismo: vengono utilizzati meccanismi di crittografia omomorfi26. Ogni
misuratore possiede un componente interno affidabile e si avvantaggia di una certa
autonomia.
Offuscamento dei dati: è inserita una tecnica cooperativa di stima che protegge la
privacy. Lo schema può offuscare i dati senza compromettere le performance.
26
L’omomorfismo è un’applicazione tra due strutture algebriche dello stesso tipo che conserva le operazioni in esse
definite
25
2.5.1 Anonimizzazione
Per gestire questo tipo di sistema diviso fra informazioni a bassa frequenza e ad alta
frequenza, si è pensato di introdurre due tipologie di dati differenti negli smart meter: dati
a bassa frequenza caratterizzati da un LFID (Low-Frequency ID) e dati ad alta frequenza
riconoscibili da un HFID (High-Frequency ID). Questi due tipi di dati sono trasmessi dal
misuratore con il loro ID particolare: ciò significa che la stragrande maggioranza di dati
sarà di tipo HFID. Per rendere i dati HFID totalmente anonimi, sarà necessario che essi lo
siano dalla loro generazione fino al raggiungimento della particolare destinazione,
rendendo il misuratore stesso incapace di riconoscere la provenienza del dato.
A questo, però, si aggiunge la problematica di come dovrebbero autenticarsi questi
messaggi del tutto anonimi: l’idea è di fare affidamento a dei servizi di terze parti, che
possono accedere a queste informazioni. All’atto della creazione dello smart meter, gli
vengono affidati due ID unici per il particolare dispositivo (come con gli indirizzi MAC
per i computer che si collegano ad Internet), e solo uno di questi (LFID) è visibile. Solo
quel particolare servizio di associazione di terze parti sarà in grado di conoscere la validità
di una coppia LFID/HFID.
2.5.2 Considerazioni
Nonostante si riveli necessaria una ricerca ancora maggiore in quest'area, appare evidente
che la privacy è sentita come una questione di primaria importanza, che può essere
approcciata da molti modi diversi. Le scelte future saranno una combinazione degli schemi
sopra descritti, evolvendosi in maniera dipendente dai costi del sistema e la necessità di
privacy in differenti società.
26
2.6 Inquinamento elettromagnetico e salute
Quando parliamo di migliorare il nostro modo di vivere, non bisogna considerare
unicamente gli aspetti della tecnologia che ci fanno risparmiare tempo o ottimizzano il
nostro lavoro, ma bisogna capire se quelle novità siano un fattore positivo per la nostra
salute.
Le parole “Smart grid” ci fanno venire in mente il concetto di intelligente, risparmio ed
energia “verde”. Enormi sono gli sforzi economici per portare avanti questo progetto, sia
in America che in Europa e nel resto del mondo, e dietro ci sono interessi notevoli, sia per
le case produttrici di dispositivi in radiofrequenza che per i gestori di energia veri e propri.
Bisogna però considerare che questo tipo di tecnologia inserirà nelle nostre abitazioni un
numero che si aggira intorno alle decine di microchip che sfruttano la tecnologia wireless.
La sensibilizzazione verso l’inquinamento elettromagnetico è piuttosto recente, e solo da
pochi mesi sono stati portati alla luce studi sugli effetti che possono portare apparecchi
quali telefoni cellulari, router, pc portatili e così via. Tuttavia, questo effetto può essere
limitato dall’utente stesso, che può essere libero di non utilizzare il suo cellulare o di
tenere spento il router in casa propria. Con l’avvento delle smart grid, però, i dispositivi di
casa dovranno essere costantemente connessi ai misuratori via wireless e non potremo
semplicemente disattivarli. Gli effetti di un’esposizione di 24 ore su 24, per 7 giorni la
settimana, sono totalmente sconosciuti e non esistono studi sulle frequenze operative di
questi dispositivi. Tuttavia, alcuni studi condotti su animali mostrerebbero come le
percentuali di cancro in soggetti esposti a queste onde sia superiore alla norma.
Purtroppo questo aspetto non sembra essere neanche considerato da molti Paesi nel
mondo, e solo alcuni governi hanno mostrato un serio interesse per una problematica tanto
seria. In Svezia è stata riconosciuta l’ipersensibilità all’elettromagnetismo come
un’invalidità dal Ministero della salute, mentre in Germania il Ministero dell’ambiente ha
emanato avvisi di cautela per l’utilizzo del Wi-Fi in aree pubbliche e private.
Proprio a causa di questi motivi, in Europa la questione sulle radio frequenze è meglio
affrontata, e si pensa che nei prossimi anni ci sarà una forte spinta verso la cablatura degli
27
impianti piuttosto che verso i dispositivi senza fili.
2.7 Conclusioni
In questo elaborato è stata presentata un’anteprima delle sfide che hanno coinvolto e
coinvolgeranno gli addetti al settore, dai problemi di comunicazione ai nuovi requisiti
delle infrastrutture, passando per la sicurezza e la scalabilità del sistema.
Il successo o meno delle future smart grid dipenderà fortemente dalle infrastrutture di
comunicazione, dai dispositivi e da software e applicativi adeguati e alla portata di tutti.
I risultati di decine di anni di studi e ricerca nel campo TLC permetteranno di fare un salto
in avanti notevole nelle smart grid su vasta scala, rendendola “L’applicazione” del futuro.
Oltre ai problemi tecnici, abbiamo discusso delle attività di standardizzazione dei
misuratori intelligenti in Europa. La cosa migliore sarebbe avere un unico standard globale
o quantomeno su base continentale, ma i differenti fusi orario, le diverse richieste di
energia e le divisioni territoriali renderanno molto arduo un simile risultato.
Nonostante la rotta da seguire non sia del tutto chiara, è quantomeno certo che la futura
rete di energia supportata da tecnologie ICT non sarà solo grande almeno quanto l’attuale
Internet per estensione, ma cambierà sostanzialmente la vita delle persone. Inoltre, grazie
alle grandi potenzialità di sviluppo, la ricerca sulle smart grid risulta essere un campo di
interesse molto fervido e pronto ad accogliere i nuovi ingegneri e progettisti negli anni a
venire.
28
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Member, IEEE, from IEEE transactions on industrial informatics, Vol. 7, No. 4,
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Member, IEEE, Satyajayant Misra, Member, IEEE, Guoliang Xue, Fellow, IEEE, and
Dejun Yang, Student Member, IEEE, from IEEE Communications surveys & tutorials,
Vol. 4, 2012
30

Elaborato Scuri Ernesto N46000046

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