Cloud-Edge interoperability and hardware acceleration for resolving real time surveillance problems in smart grids comprising extended electronic instrumentation

Abstract

This dissertation presents a comprehensive framework for real-time monitoring of modern smart grids by enhancing conventional Wide Area Monitoring Systems (WAMS) with cloud-edge computing, hardware acceleration, and next-generation communication networks. It focuses on developing optimized hardware architectures for real-time transient state estimation and power event classification on resource-constrained edge devices. The work proposes and evaluates architectures that facilitate the strategic distribution of workloads across the cloud-edge continuum, guided by latency and processing demands, while supporting dynamic hardware reconfiguration. Additionally, a hardware-accelerated, real-time power grid simulator is introduced to emulate fast transient phenomena at the edge, enabling more responsive and intelligent local control. The research further integrates key 5G network features to support low-latency, privacy-preserving event classification at the edge, reducing reliance on centralized processing. This dissertation offers valuable insights into the design of modern smart grid monitoring systems by bridging emerging technologies in electronics, cloud computing, and next-generation telecommunications to meet the evolving demands of power grids.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο παρακολούθησης σε πραγματικό χρόνο των σύγχρονων έξυπνων δικτύων, ενισχύοντας τα συμβατικά Συστήματα Παρακολούθησης Ευρείας Περιοχής (WAMS) με τεχνολογίες νέφους-παρυφής (cloud-edge), επιτάχυνσης υλικού και τηλεπικοινωνιακών δικτύων επόμενης γενιάς. Επικεντρώνεται στην ανάπτυξη βελτιστοποιημένων αρχιτεκτονικών υλικού για την εκτίμηση της μεταβατικής κατάστασης των έξυπνων δικτύων και ταξινόμηση γεγονότων ισχύος σε πραγματικό χρόνο, σε περιβάλλοντα edge με περιορισμένους πόρους. Η εργασία προτείνει και αξιολογεί αρχιτεκτονικές που διευκολύνουν τη στρατηγική κατανομή εργασιών κατά μήκος του υπολογιστικού συνεχούς νέφους-παρυφής, καθοδηγούμενη από απαιτήσεις καθυστέρησης και υπολογιστικής επεξεργασίας, υποστηρίζοντας παράλληλα δυναμική επαναδιαμόρφωση υλικού. Επιπλέον, εισάγει έναν επιταχυνόμενο από υλικό, προσομοιωτή πραγματικού χρόνου του ηλεκτρικού δικτύου για την αναπαράσταση γρήγορων μεταβατικών φαινομένων στην παρυφή του δικτύου, επιτρέποντας πιο γρήγορο και ευφυή τοπικό έλεγχο. Η έρευνα ενσωματώνει επίσης βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων 5G για την υποστήριξη χαμηλής καθυστέρησης και ιδιωτικής ταξινόμησης γεγονότων τοπικά, μειώνοντας την εξάρτηση από την κεντρική επεξεργασία. Αυτή η διατριβή προσφέρει πολύτιμες γνώσεις στον σχεδιασμό σύγχρονων συστημάτων παρακολούθησης έξυπνων δικτύων, γεφυρώνοντας τις αναδυόμενες τεχνολογίες στον τομέα της ηλεκτρονικής, του υπολογιστικού νέφους και των τηλεπικοινωνιών επόμενης γενιάς, ώστε να ανταποκριθεί στις εξελισσόμενες απαιτήσεις των σύγχρονων δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας.