ÍNDICE
Introducción
y Justificación…………………………………………...……..2
El
rol de las comunicaciones en las smart grid…………………………….4
Visión
en la comunicación.……….……………………………………...…..5
Tecnologias de comunicacion en las smart grid…...………………………7
Power Line Communication (PLC)..…………………………………...……12
Power Line - Fibra óptica…………………………………………......……..16
Medio
Inalámbricos……………………………………..…………...………18
Otros
Medios………………………………………………………………….……………………..22
VISIÓN DE LA IEEE SOBRE COMUNICACIONES DE LAS SMART GRIDS EN
2013 Y MAS ALLÁ
En el nivel más básico, las actuales redes eléctricas consisten en una
compleja red de plantas interconectadas de energía, infraestructura de
transporte de energía eléctrica, infraestructura de distribución y carga, con
el poder y la comunicación que fluye en una sola dirección-hacia la carga. La
red inteligente, sin embargo, prevé una red de distribución de energía
interconectado que agiliza la transmisión, la distribución, el seguimiento y el
control de la electricidad, al permitir la comunicación bidireccional y el
flujo de la energía (véase la Figura 1.4).
Para hacer realidad esta visión, se exigirá una infraestructura de
energía bidireccional, permitiendo a los consumidores no solo consumir sino
también suministrar energía excedente a la red. Cada ubicación del cliente
estará equipada con un medidor inteligente que permite el seguimiento y la
medición de este flujo bidireccional. Esta nueva infraestructura potencialmente
podría producir millones de fuentes Micro Energías alternativas (solar, eólica,
etc.) Dicha modelo también permitiría un mejor balanceo de carga a través de la
información de la demanda eléctrica instantánea, lo que ayudaría a las plantas
de energía de acuerdo con su producción a la demanda.
El Smart Grid también suministraría a los consumidores con precios de
la electricidad y la información de uso sobre una base continua. Este monitoreo
a nivel de consumidor les permitiría modificar su comportamiento en tiempo
real, de modo que puedan conservar la energía y reducir los gastos cuando sea
necesario. Tecnologías de comunicación de redes inteligentes también apoyaría
el mecanismo sincrofasor transmitiendo la información de estado con una
latencia baja, con lo mejor sincronización de la red y mejorar la planificación
del sistema, operación, mantenimiento y comercialización de energía. Sin
embargo, las tecnologías de la comunicación y la de protocolos de red deben ser
cuidadosamente seleccionadas [1,2].
Tecnológicamente, la red inteligente puede ser vista como una
superposición de una red de comunicación en la red eléctrica. La red de
comunicación inteligente consistiría en un tipo de red superpuesta que ofrece
servicios de alto nivel, tales como la entrega de datos de los sensores en
tiempo real, y sería implementado en la parte superior de las distintas
tecnologías de red de capas de comunicación. Hay una serie de medios de
comunicación candidatos, incluyendo la línea de alimentación, tecnología
inalámbrica y otras infraestructuras de comunicación existentes. Una elección
obvia es una red basada en comunicaciones por
línea de energía, que no requeriría el despliegue de infraestructura
significativo, porque ya existe el medio. Sin embargo existen los problemas
conocidos con la comunicación que se derivan de la escasa fiabilidad y bajo
ancho de banda. También hay una posibilidad de uso de la comunicación inalámbrica (ancho de banda disponible). Esto implica
la instalación de radios cognitivas en cada polo de distribución, cada uno se
comunica con el siguiente para crear una cadena ininterrumpida de comunicación
en toda la red. La tercera vía posible es reservar una parte de la infraestructura de Internet de altas
velocidades existentes para la comunicación de red eléctrica. Hay ventajas y
desventajas asociadas con cada una de las opciones y, en la práctica, es muy
probable que los tres enfoques de la comunicación puedan ser utilizados para
las comunicaciones de red inteligente en algún grado. Lo más importante, la
infraestructura debe ser evaluado en varios factores clave, como el ancho de
banda, la latencia, la seguridad y la fiabilidad; cada tecnología de red tiene
inherentemente diferentes propiedades estadísticas de cada uno de estos
factores clave, y deben integrarse cuidadosamente para proporcionar garantías
suficientes en estas áreas a nivel de red superpuesta.
No está claro cómo se logrará la visión de Smart Grid, y
cómo o qué innovaciones se formaran en el futuro. No sólo tenemos que lidiar
con las demandas y los problemas de la red de energía actual, pero también hay
que considerar escenarios futuros y el impacto resultante (por ejemplo, coches eléctricos).
Varias visiones se han creado, algunos a corto plazo y otros a largo plazo,
pero en todas las visiones que hay muchos vacíos en las tecnologías que son necesarias
para apoyarlo. Estas tecnologías, incluyendo la infraestructura de
comunicación, almacenamiento y dosificación, tendrán que reunirse y trabajar de
forma integrada con los otros.
Así como la Internet ha evolucionado con el tiempo a partir de los
cambios en la tecnología de la comunicación, el desarrollo de protocolos, y la
aparición de nuevas aplicaciones, por lo que la red inteligente debería evolucionar.
Podemos soñar con una nube de energía y una red de información que utilizan los
protocolos estándar, que proporciona una comunicación sin restricciones entre
los consumidores y proveedores a través de la red.
Sin embargo, al menos por ahora,
es necesario basarse en la realidad. Tenemos que poner por primera vez juntos
los bloques de construcción básicos de
la red inteligente, incluyendo la red de comunicaciones, seguridad,
almacenamiento de datos, políticas y normas. Tenemos que aprender del pasado y
no repetir los mismos errores (por ejemplo, la seguridad tiene que ser un
elemento fundamental de la arquitectura de la red y no una idea de último
momento). También tenemos que pensar en toda la vida de los datos del ciclo, no
sólo el almacenamiento y procesamiento de datos, sino también de archivo y
destrucción de datos.
La nueva red será necesario análisis, gestión de datos, las
comunicaciones, el comercio electrónico y la seguridad, así como aplicaciones
innovadoras que impulsarán la red extendida. También tenemos que hacer frente a
varios problemas que se define la visión. ¿Podemos garantizar la solidez y la
resistencia de la red inteligente? ¿Cómo podemos controlar la red? ¿Debe ser
auto-organizado o externamente controlada? En caso de producirse la
comunicación a través de líneas eléctricas existentes, o debe ser construida
una red paralela separada, dedicada? Estas son sólo algunas preguntas que
tendrán que ser abordadas como la red inteligente se mueve de la visión a la
realidad.
El ROL DE LAS COMUNICACIONES EN LAS SMART GRID
El objetivo principal de la red eléctrica es la entrega fiable de
energía. Otros objetivos son la conservación de los combustibles fósiles, la
mejora de la eficiencia de su uso, la congestión menor y menor costo de la
entrega. Para lograr estos objetivos, la iniciativa Smart Grid fue concebido
para modernizar la red eléctrica actual. Las mejoras a la red vendrán de, entre
otras fuentes, en sustitución de equipos obsoletos, mejorando la detección y el
desarrollo de una comprensión más precisa del comportamiento de la red,
incluido su uso, la producción, el estado, y las anomalías.
Una gran parte de la eficacia de la red se puede derivar de una mejor
comunicación. En primer lugar, se requiere la comunicación de baja latencia
para recoger datos de los sensores para estimar el estado de la red con
precisión y así detectar cualquier anomalía antes de que ocurran fallas.
En segundo lugar, la comunicación es necesaria para la previsión más
exacta de la demanda para poderla controlar de manera más eficiente. Además, la
comunicación de dos vías ayudará a administrar la variación de la demanda
(picos y valles) por el desplazamiento de los patrones de uso de forma dinámica
mediante el control directo de los dispositivos de los usuarios. Además, la
comunicación de dos vías entre los usuarios y los servicios públicos va a
permitir la instalación de contadores inteligentes que puede capturar el flujo
de electricidad en cualquier dirección (desde y hacia el usuario), lo que
facilita la generación distribuida a escala de cada hogar. Por último, la
infraestructura de comunicación es necesaria para el monitoreo remoto y diagnóstico de la infraestructura energética. La
modernización de la red inteligente, aunque dirigido a mejorar la entrega y la
fiabilidad de la distribución de energía, en gran medida se basa en tecnologías
de la información y la comunicación para aumentar la eficiencia. Esperamos que
la infraestructura de comunicación pueda ser híbrido, con la participación de
fibra óptica, cobre, inalámbrica y comunicaciones por línea eléctrica (véase la
Figura 1.4). Los tipos de medios de comunicación en casos específicos
dependerán de la infraestructura actual de comunicación, la densidad de
usuarios, terreno físico, y la evolución de las tecnologías de comunicación.
VISION EN LA COMUNICACIÓN
En su nivel más básico, la red inteligente debe depender
inextricablemente en una omnipresente infraestructura de información y
comunicación que se superpone a la propia red eléctrica. Esta infraestructura
permitirá la recopilación de información incluyendo el estado, sensor, la
demanda, los precios de mercado, y la anomalía de datos, así como operaciones
de la red de control. En la periferia de la información de red (medición,
respuesta de la demanda, y los precios de mercado), el intercambio con el
usuario se producirá, mientras que al núcleo de la red, funciones tales como la
agregación de datos, la detección de anomalías, y la estimación de estado, y la
gestión residirán. Los elementos de la visión de comunicaciones de la red
inteligente se explican en los siguientes puntos:
1. Conectividad universal. La red de comunicaciones debe
integrar las redes dispares en un sistema de administración de datos única.
Esta red debe ser capaz de utilizar los diferentes medios de comunicación, creando
así una red superpuesta integrada que ofrece las garantías necesarias de
extremo a extremo de entrega que son esenciales para asegurar el funcionamiento
de la red. Serían necesarios baja latencia de entrega y suficientemente alta
disponibilidad en el núcleo de la red para gestionar la sincronización.
Latencia consistente y disponibilidad en el resto de la red es necesario para
la medición y la demanda de respuesta. Un respaldo para sistemas de alta
latencia sería necesario para conectar la red y proporcionar una comunicación
esencial en caso de que el medio de comunicación principal falla.
2. Resistencia y recuperación. El sistema de comunicación
tendría sofisticadas capacidades de autogestión, la auto-reparación, y la
gestión autonómica en muchas dimensiones. Estas capacidades deben explotar no
sólo la topología del sistema de suministro de datos, sino también las
propiedades que lo hacen potencialmente más manejable para administrar. La red
debe tener suficiente redundancia, tanto en términos de medios de comunicación
alternativa y la conectividad, mantener los errores de nodos y enlaces. La red
de comunicaciones también debería apoyar la capacidad de la red inteligente a
fragmentarse en varias micro-redes como sea necesario en caso de fallas de gran
escala, ataques o conservación de la energía [3].
3. La
seguridad cibernética. Las amenazas de seguridad a la red de comunicaciones
Smart Grid serán fundamentalmente por las amenazas actuales, incluyendo
intrusión, datos de denegación de servicio, malware y suplantación de
identidad. Sin embargo, los mecanismos para organizar estos ataques serán
diferentes, y los riesgos de seguridad a la red de energía aumentarán. Debido a
que la red de comunicaciones Smart Grid será una red interconectada, que
conecta con la red de energía hará que sea más fácil para explotar
vulnerabilidades en la propia red. La comunicación Smart Grid tendría que hacer
este tipo de ataques difícil, y permitir la identificación rápida. Proporcionar
transparencia para el acceso de rastreo a la red podría ayudar a identificar a
los ataques e intrusos de forma rápida, pero los ataques distribuidos de la red
de transmisión, incluidos los virus y gusanos, seguirá siendo una preocupación.
4. Privacidad.
Las Smart Grid llevarán varias piezas de información que necesitan ser
protegidos de la exposición innecesaria. En primer lugar, el perfil detallado
de uso de energía se puede utilizar para identificar el comportamiento
residente y podría ser utilizado de manera inapropiada (por ejemplo, la
discriminación, el acecho, robo). En segundo lugar, los datos operativos de la
red podrían ser utilizados por los hackers para identificar vulnerabilidades en
los ataques de la red. Un sistema de control de acceso basado en roles puede
ayudar a asegurar que el acceso está disponible sólo para el personal esencial
en los momentos apropiados.
5. Comunicación
a nivel Appliance. La comunicación entre la red eléctrica y los aparatos se
convertido en crítico en el modelo de respuesta a la demanda. Sin embargo, las
tecnologías de comunicación tienen que ser desarrolladas y estandarizadas
6. Las
políticas de seguridad. Se requieren políticas uniformes, configurables y
reutilizables para la gestión de recursos y control de acceso. El sistema de
suministro de potencia de energía de ser de una manera fragmentada a partir de
un número de mecanismos de entrega subyacentes. Estos mecanismos tienen reglas
(llamadas políticas) que determinan las formas en que estos mecanismos deben
ser utilizados en diferentes circunstancias. Por ejemplo, algunas políticas que
dictan los servicios públicos (o aplicaciones dentro de ellos) pueden acceder a
los datos de ciertos sensores. Estas políticas deben desarrollarse de una
manera uniforme, configurable, y renovable por la Red Inteligente.
TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN EN LAS SMART GRID
La red de comunicación se
considera el sistema nervioso del futuro de las Smart Grid. La red no sólo
interconectar numerosos y diversos equipos y dispositivos, sino que también
tendrá que cumplir con los requisitos de calidad y fiabilidad especiales impuestas
por las aplicaciones, sistemas y servicios de la red de futuro. También debe
mantenerse al día con el crecimiento previsto de futuras redes eléctricas.
Estos no son desafíos triviales
que cumplir. Históricamente, las redes eléctricas han desarrollado su propio
medio especial de comunicaciones, tales como los canales de alta frecuencia en
hilos. En los últimos años también vieron adopción de otros medios de
comunicación convencionales, como la fibra óptica o inalámbrica. En los
próximos diez o veinte años, las tecnologías de comunicación sufrirán una
evolución sustancial mientras radicalmente nuevos medios emergen. En este
capítulo, se discute un conjunto seleccionado de tecnologías que tienen el
potencial de jugar un papel importante en el futuro de comunicaciones Smart
Grid. Estos incluyen Power Line
Communications (PLC), fibra
óptica basados en cables de tierra (OPGW), varias tecnologías
inalámbricas, la óptica de espacio libre (FSO), y las comunicaciones cuánticas
(QC).
La red
inteligente que pueda responder a los desafíos anteriores es probable que sea
un sistema complejo, posiblemente, la incorporación de múltiples medios de
comunicación. En este capítulo, se revisa un conjunto seleccionado de los
medios de comunicación que tienen mayor
probabilidad de tener un papel importante en el futuro de Smart Grid.
Este capítulo trata sobre estas tecnologías en cinco secciones principales:
1. "Tecnologías para sistemas de comunicaciones
Smart Grid"
2. "Power Line Communication"
3. "Power Line - fibra óptica"
4. "Medios inalámbricos"
5. "Otros medios"
1. "TECNOLOGÍAS PARA
SISTEMAS DE COMUNICACIONES SMART GRID"
Un sistema de
energía consta de los siguientes componentes básicos: las plantas de
generación, plantas de micro-cogeneración, sistemas de transmisión,
subestaciones, sistemas de distribución, transformadores y cargas. Hay una red
dentro de cada uno de estos componentes para el control y la comunicación.
Además, hay una red que conecta los diferentes componentes de la red. En este apartado
se describe el papel de las comunicaciones en diferentes partes de un sistema
eléctrico. Para satisfacer las necesidades en diferentes partes de la red, se
derivan los requisitos para redes de comunicación. Por último, para cumplir con
los retos de futuro y la evolución de un sistema de energía, se discuten las
nuevas tecnologías, así como la evolución de las tecnologías de comunicación
existentes.
El resto de esta
sección está organizada de la siguiente manera. 1.1 proporciona una breve
descripción de los diferentes componentes de las redes Smart Grid, como la red
de área amplia (WAN), la red de área de campo (FAN), y la red de área local
(HAN). En 1.2 se describen los requisitos de la capa media de la WAN y luego se
analiza las diferentes tecnologías de capa de medios de comunicación por cable
e inalámbrico a cumplir estos requisitos. También se analiza el estado de la
WAN en el futuro y se propone una capa media de avances tecnológicos para hacer
frente a las necesidades futuras de WAN. Del mismo modo, en 1.3 y 1.4 discuten
las capas de los medios de FAN y HAN, respectivamente; tecnologías adecuadas; y
su evolución futura.
1.1 COMPONENTES DE UNA SMART GRID
Se espera que la
arquitectura de una red de comunicaciones Smart Grid típica (que se muestra en
la Figura 4.1) para tener los siguientes componentes: un WAN, un FAN y un HAN.
Como se muestra en la Figura 4.1, WAN conecta sitios geográficamente distantes
y FAN conecta dispositivos tales como dispositivos electrónicos inteligentes
(IED), que controlan los interruptores y transformadores. En el futuro, FAN
podría estar acompañado por diversos dispositivos de sensor ambiental. La FAN
también podría surgir en otra escala: la red de área de vecindario (NAN). Por
último, HAN conecta las redes de los clientes, así como las redes de servicios
en el dominio del cliente [4]. A unos metros, puede incluir diversos
dispositivos domésticos que consumen energía.
En la Figura 4.2 se ilustra la arquitectura
de la red y las interconexiones de WAN, FAN, y HAN. En un escenario, WAN, FAN,
y HAN están conectados a la misma red principal como se muestra en la Figura
4.2. En otro escenario, cada una de ellas o un conjunto de ellos podría tener
un núcleo de red independiente. El escenario en el que la WAN, FAN, y HAN
comparten la misma red central es considerada por el resto de este apartado.
Cabe señalar que la discusión de la capa de en medio en este apartado sigue
siendo válido incluso en otros escenarios de la arquitectura de red del núcleo
de la WAN, FAN, y HAN, como las capas de medios de comunicación son
independientes de la arquitectura de red.
1.2 REQUISITOS Y TECNOLOGÍAS ADECUADAS PARA LA
CAPA MEDIA DE LA WAN
Las aplicaciones
típicas soportadas por la red WAN inteligente y sus requisitos generales se
muestran en la Tabla 4.1 [5, 6]. Los requisitos técnicos sobre la calidad del
servicio (QoS) en términos de velocidad de datos, la latencia, la fiabilidad y
la seguridad deben ser cumplidas por las diferentes opciones tecnológicas para
la WAN.
Además de los requisitos de QoS, el escenario
de la WAN tiene ciertas características, tales como una gama de comunicaciones
de largo alcance, que tiene un impacto en los requisitos para la capa de medios
de comunicación. Estas características y requisitos se resumen en la Tabla 4.2.
1.3 REQUISITOS Y TECNOLOGÍAS ADECUADAS PARA LA
CAPA MEDIA FAN
Para las
comunicaciones de FAN, los requisitos de calidad de servicio en la capa media
son un poco más relajados porque su envío de mensaje no es tan alto como en el
escenario de la WAN, en la tabla 4.4 se muestra aplicaciones típicas soportadas
por la red inteligente FAN [5, 6].
Las
características y los requisitos de la FAN y su relación con la capa media de
comunicación se presentan en la Tabla 4.5 [5].
1.4 REQUISITOS Y TECNOLOGÍAS ADECUADAS PARA LA
CAPA MEDIA HAN
La red de área
local en un futuro apoyará radicalmente nuevas aplicaciones mucho más allá de
la red inteligente. Se espera que los hogares en el futuro contengan numerosos
dispositivos en red de varias escalas, incluyendo comunicadores a nano-escala.
En este ecosistema de hogar, los sistemas de gestión energética enviarán varios
datos de nuevo a los operadores de red.
Es evidente que desde un punto de vista de
los medios de comunicación, el cableado y el desorden tienen a desaparecer. Es
obvio que, al mismo tiempo, se requiere muy alto ancho de banda. También se
espera que el suministro de energía inalámbrica a los dispositivos se
implemente en los hogares.
2. POWER LINE COMMUNICATION
(PLC)
2.1
INTRODUCCIÓN
Power Line
Communication (PLC) jugará un papel importante en el futuro de Smart Grid, ya
que saca provecho de las líneas eléctricas existentes, lo que permite la
conectividad con cualquier dispositivo conectado a la red eléctrica.
La comunicación
de la línea eléctrica se puede desplegar en tres capas sobre los dominios Smart
Grid de transmisión, distribución, y del cliente, los cuales son líneas de alta
tensión (HV), de media tensión (MT) y baja tensión (LV) y puede soportar
comunicaciones de dos vías (ver Figura 4.3). Por lo tanto, prevemos el uso de
PLC en FAN y HAN, que son parte de la infraestructura general de comunicaciones
Smart Grid como se indicó anteriormente. En el contexto de la WAN, dado el
tamaño de la red y la heterogeneidad de los servicios que se entregarán, varias
redes se pueden implementar. Este enfoque también ofrece redundancia que
permite la diversidad, la robustez y la fiabilidad tanto en funcionamiento
normal como en el caso de, por ejemplo, un corte de energía o cuando un medio
debe estar disponible.
Las líneas HV se
caracterizan por una relativamente buena respuesta de canal con aumento de atenuación
de acuerdo a la frecuencia y la distancia. Por lo tanto, presentan menos
efectos multipath-propagación que las líneas MT / LV, debido a un menor número
de discontinuidades. La comunicación de la línea eléctrica puede proporcionar
la comunicación en el lado de la transmisión de la red a una serie de
aplicaciones (por ejemplo, para la detección de fallos remotos tal como un
cable roto o aislante, la vigilancia de la estación remota, la estimación del
estado, y la estimación de la altura del cable). Aunque se ha demostrado que la
transmisión con éxito es posible a través de largas distancias (hasta cientos
de kilómetros) a través de líneas de alta tensión, la tecnología PLC desplegada
para las líneas de alta tensión no se basa necesariamente en soluciones de
comunicación modernos.
El uso de PLC a
través de líneas de media tensión puede proporcionar capacidades de
comunicación entre los sensores ubicados en subestaciones para que el estatus
se pueda controlar, y los fallos detectados y aislados. Power Line
Communications también pueden ser explotados para la detección de eventos de
formación de eventos aislados.
Entre las principales aplicaciones en la
parte LV de la red son de lectura automática de medidores y contadores inteligentes.
Para esta
aplicación, PLC ya ha disfrutado de un gran éxito de implementación, con unos
90 millones de metros instalados en Europa y muchos más instalados en todo el
mundo. Soluciones más desplegadas utilizan las tasas de bajo rate y técnicas PLC
de ultrabajas señalización a través de
una banda de frecuencias estrecha (NB). Una cuestión importante es la capacidad
de las señales PLC para pasar a través del transformador MT / LV. Los estudios
todavía tienen que llevarse a cabo para caracterizar completamente el
comportamiento de los transformadores y determinar si los circuitos de
acoplamiento (derivación) deben desplegarse. En consecuencia, un concentrador podría
ser necesario para recoger los datos de diferentes metros y transmitirlas a la
estación de control a través de PLC u otros medios de comunicación (por
ejemplo, una línea de cable dedicado o enlace inalámbrico). El impacto de costo
/ complejidad es más significativa en las redes en las que el transformador MV
sirve para un pequeño número de casas (por ejemplo, en América del Norte, donde
el número de viviendas por transformador es del orden de 10, a diferencia de
Europa, donde es en el orden de 100).
La red de PLC en
el hogar puede ser explotado con fines de gestión de la energía, así como para
una amplia gama de aplicaciones de automatización del hogar para aumentar la
seguridad, la comodidad y la calidad de vida. Las redes domésticas de alta
velocidad para las comunicaciones y el entretenimiento basado en la banda ancha
de alta velocidad de la tecnología (BB) PLC ya es un hecho en el mercado. Se
requerirá la Convivencia de la red de gestión de la automatización / energía
(normalmente basado en soluciones NB PLC) con la red de alta velocidad (con
base en soluciones BB PLC) para explotar de manera óptima el canal de línea
eléctrica y ofrecer la mejor experiencia de usuario. El uso de una puerta de
enlace doméstica puede entonces conceder conexión ininterrumpida con la red
exterior LV y así permitir que los servicios públicos puedan controlar mejor el
estatus de la casa, extendiendo las capacidades del medidor inteligente,
involucrando activamente a los clientes a través de la aplicación de la gestión
de la demanda.
Otras dos áreas
de aplicaciones PLC están en la gestión y control de las micro-redes y en la
conexión entre los vehículos eléctricos y la red, que pueden ofrecer una amplia
gama de aplicaciones desde la identificación del cliente y los precios, así
como en el control de la carga local, servicios de información y
entretenimiento dentro de un vehículo.
2.2 TECNOLOGÍA
Power Line
Communications ha sido desplegado por las empresas eléctricas desde
aproximadamente 1920, en un principio para las comunicaciones de voz y datos a
través de líneas de alta tensión entre las estaciones remotas. Desde entonces
ha sido utilizado para el control de la carga y, más recientemente, para la
lectura automática de medidores (AMR). Las primeras soluciones técnicas se
basan en la transmisión de banda ultra bajas que funcionen a frecuencias
inferiores a 3 kHz, dos ejemplos importantes de las cuales son el sistema de comunicaciones
automáticas de dos vías (TWACS) y el sistema tortuga. Ambas son tecnologías
maduras que son ampliamente desplegados para la automatización de la red de
distribución y proporcionan muy baja velocidad de datos en el orden de 60 bps y
1 bps, respectivamente, y cubrir grandes distancias.
La necesidad de
mayores velocidades de datos ha impulsado el desarrollo de sistemas NB PLC de 3
kHz a 500 kHz de ancho de banda. En particular, la norma CENELEC EN 50065 (con
fecha de 1992) permite PLC a través de la red de distribución de LV y regula el
uso del espectro en cuatro bandas:
• A (3 kHz a 95
kHz, reservado a los servicios públicos de energía)
• B (95 kHz a
125 kHz, para cualquier uso)
• C (125 kHz a
140 kHz, para las redes domésticas con el protocolo CSMA / CA
• D (140 kHz a
148,5 kHz, para aplicaciones de seguridad)
La Comisión
Federal de Comunicaciones (FCC) de los EE.UU. y la Asociación de Industrias y
Empresas de Radiocomunicaciones (ARIB) en Japón permiten el uso de PLC hasta
aproximadamente 500 kHz. Un número de tecnologías basadas en la modulación de
portadora única y tasas del orden de unos pocos kilobits por segundo se han
desarrollado. Entre ellas se encuentran LonWorks (ISO / IEC 14908-1 estándar),
Konnex (ISO / IEC 14543-3-5), CEBus (CEA 600.31), las normas IEC 61334-3-1 y
IEC 61334-5-1 y los estándares industriales X10 para comandos y control domótico.
2.3 VISIÓN
La PLC ha
alcanzado un buen nivel de madurez de las redes domésticas, donde el
conocimiento teórico y práctico fundamental ha sido adquirido para la
señalización sobre bandas por debajo de 100 MHz. El uso de PLC para
aplicaciones de redes inteligentes es muy atractivo, y el enorme mercado
atraerá considerables esfuerzos de investigación y desarrollo en los próximos
años para desarrollar la tecnología PLC que es capaz de alcanzar el nivel
requerido de fiabilidad técnica y la ventaja económica deseada a través de su
implementación sin necesidad de nuevos cables. Comúnmente se cree que la
mayoría de las aplicaciones de red inteligente necesitan velocidades de datos
relativamente bajos. En consecuencia, los esfuerzos se han implementado hasta
ahora en el desarrollo de la tecnología PLC de banda estrecha que funciona por
debajo de 500 kHz, para lo cual los trabajos de normalización recientemente se
han llevado a cabo.
El marco de
tiempo para ver el despliegue significativo de esta primera generación de
dispositivos PLC estandarizados es probablemente cinco años. En este sentido, las directivas europeas sobre Smart Grid
indican que para el año 2020, el 80% de las casas tienen que haber desplegado
los medidores inteligentes. Sin embargo, se entiende que la red inteligente
cuenta con un conjunto mucho más amplio de aplicaciones interesantes y
escenarios; por lo tanto, la pregunta es si una sola tecnología PLC de banda
estrecha estandarizado podría servir y satisfacer a todos ellos. Creemos que
esta solución sería deseable, pero en la práctica tal vez no sea el caso. El
desarrollo de nuevas soluciones, especialmente soluciones con nueva modulación
o técnicas de codificación, se espera en los próximos 10 años, debido a las
nuevas necesidades y una mejor comprensión del medio de PLC. Además, a menudo
se argumenta que NB PLC se adapta mejor a la Red Inteligente BB PLC.
3. POWER LINE - FIBRA ÓPTICA
La Fibra óptica
se está convirtiendo rápidamente en una parte integral de la infraestructura de
transmisión eléctrica en todo el mundo. Líneas de alta tensión de transmisión
de energía (es decir, 110 kV y superiores) que cruzan un país por lo general
tienen varios conductores de transporte de energía y un cable a tierra que se ubica
en la parte superior de las torres.
Durante tormentas eléctricas, las descargas
de rayo son comunes en estas torres y conductores, ya que son las estructuras
conductoras más altas en la mayoría de las zonas rurales. El papel del conductor
más alto en la torre es atraer el rayo y desviarlos de los conductores y que descargue
de forma segura a la tierra.
A finales de
1980, una idea bastante inteligente surgió: hilos de fibra óptica fueron empotrados
dentro de este cable conductor de tierra. Este enlace tiene sentido económico.
Miles torres ya tienen en existencia este sistema en redes eléctricas. En
comparación con el costo de implementación y mantenimiento de los sistemas de
redes eléctricas, la fibra de la línea eléctrica agrega sólo un costo adicional
para una empresa de red eléctrica y abre nuevas posibilidades (es decir,
ingresos). Un cable de tierra eléctrica de 40 a 50 fibras se pueden fabricar
fácilmente en un solo cable llamado optical
ground wire (OPGW).
Casi todos los
sistemas de la red de energía eléctrica más nuevos de todo el mundo hoy en día
emplean OPGW. Sistemas de redes de energía eléctrica incluso mayores que no
tienen fibra en su cable a tierra original, a veces despliegan cable de fibra
separada que se envuelve alrededor de los cables eléctricos. Tales fibras
envolventes han sido desplegadas en Irlanda y en las altas montañas de Perú, su
cable a tierra de menos de 10 años de edad. Un cable OPGW tiene una menor
probabilidad de daño accidental debido al trabajo de excavación como la
expansión de carreteras o reparación de los sistemas subterráneos de drenaje,
gas, y las líneas de suministro de agua. Línea OPGW también disfruta cierto
grado de protección contra el robo y el vandalismo, ya que no es seguro de
manejar líneas de alta tensión.
Las fibras
ópticas también se han desplegado en las líneas de distribución de energía
(<33 kVA) por lo general operan a menor voltaje. Sin embargo, la mayoría de
estas fibras se encuentran en todos los dieléctricos supresores (ADSS). Estos
cables ADSS generalmente tienen alto conteo de fibra (con frecuencia superior a
576).
La tecnología de
comunicaciones de fibra óptica ha mejorado significativamente desde su
invención en 1960, y su capacidad se ha duplicado cada 18 meses desde entonces.
Las primeras fibras ópticas comerciales comenzaron con una capacidad de 45 Mbps
en 1975. En 2010, NTT fue capaz de lograr la transmisión de 69,1 Tbps aplicando
(DWDM) de 432 longitudes de onda con una capacidad de 171 Gbps a través de una
sola fibra óptica de 240 kilómetros. Esta fue la velocidad de transmisión
óptica más alta registrada en el momento, lo que representa un aumento de 220
veces en un lapso de 35 años. Si esta tasa continúa, en 2020 de fibra óptica
debe ser capaz de lograr múltiples petabits por segundo de capacidad.
3.1
ESPECIFICACIONES Y ESTÁNDARES ACTUALES
Hoy en día, una
serie de especificaciones (por ejemplo, ITU series G.65x y IEC 60793-2-50)
describen las fibras en simple modalidad para ayudar a una mayor
interoperabilidad.
Las
especificaciones mayores G.652a y G.652b definen una fibra óptica con el
rendimiento especificado a 1310 nm, 1550 nm y 1625 nm y con una cromática de
cero dispersiones en la región de 1310 nm. Estas fibras ópticas se pueden
encontrar en los sistemas de red de acceso muy antigua OPGW y rango extendido
de red de área local (LAN), MAN. Las versiones más recientes (es decir, G.652.C
y G652.d) disponen de un pico reducido que les permite ser utilizados en la
región de longitud de onda entre 1310 nm y 1550 nm, soportando la transmisión (CWDM).
El mayor desafío
será el modelo de negocio y el marco de la política regulatoria. La capacidad
OPGW excede las necesidades actuales de la gestión del sistema de potencia y
continuará excediendo la demanda proyectada por todas las aplicaciones de redes
inteligentes combinadas. Entre los tres caminos de la evolución tecnológica,
hay muy poca probabilidad de que el primer camino (que la capacidad de fibra
OPGW se utilizará sólo para la red eléctrica inteligente). Su enorme capacidad
está destinada a jugar un papel importante en la mejora de la infraestructura
de las comunicaciones nacionales de muchos países. Este segundo camino es
probablemente la trayectoria predeterminada, ya que las comunicaciones actuales
de concesión de licencias y de paisaje regulatorio en los EE.UU. y alrededor
del mundo tratan a las compañías eléctricas y de comunicación por separado.
4.
MEDIOS INALÁMBRICOS
4.1 INTRODUCCIÓN
Los Medios
inalámbricos están jugando, y seguirán desempeñando, un papel clave en la
evolución de la red inteligente. Los medios inalámbricos juegan un papel importante
en la medición. Hay varios sistemas y pruebas que se han desplegado y son
completamente funcionales bajo las etapas más avanzadas de evaluación. Las
tecnologías utilizadas en estos ensayos son muy diferentes, y utilizan
diferentes bandas y soluciones propietarias. Debemos tener en cuenta que, en
general, no es un conjunto de tecnologías utilizadas para la infraestructura de
red inteligente (largo alcance), y un conjunto de tecnologías utilizadas para
el dominio principal (de corto alcance). Por supuesto, se comunican entre sí,
por lo general a través de enlaces, pero la interconexión global completa está
lejos de ser resuelto.
4.2 TECNOLOGÍA
El primer uso de
las tecnologías inalámbricas en la red inteligente está en la infraestructura
de medición y monitoreo. La tecnología comenzó con algunas soluciones
propietarias, especialmente en las zonas rurales, que consiste en torres y
transmisores que recopilan datos de las casas y sus alrededores. Transmisiones
de baja frecuencia (es decir, las transmisiones de largo alcance) se utilizaron
con el fin de reducir el número de torres; este uso fue posible debido a la
naturaleza intermitente del tráfico generado y su bajo ciclo de trabajo.
Dado que las
tecnologías celulares han evolucionado y madurado, los teléfonos de bajo precio
estaban disponibles desde el año 2000 para casi todas las tecnologías
celulares. Por ejemplo, en 2003 la asociación GSMA lanzó la iniciativa para un
teléfono GSM de US $ 20.
Actualmente, la
tecnología más utilizada en la red inteligente es GPRS, seguido de su evolución
EDGE y UMTS (en los diferentes tipos de HSDPA, HSUPA y HSPA). Otras tecnologías
inalámbricas que se utilizan, pero menos comunes son Hiperlan y Hiperlan 2
(principalmente para fines de medición), y HiperACCESS y hiperlink para
aplicaciones de alta velocidad de datos (interconexiones de torres, estaciones,
etc). WiMAX (IEEE 802.16 e IEEE 802.16e) se utiliza en algunos ensayos, y su
uso masivo dependerá de su éxito comercial (en este momento no se debe tomar
por sentado). Además de estas normas de infraestructura IEEE desarrolladas para
la comunicación entre las subestaciones eléctricas, otras normas (por ejemplo,
IEEE Std 1815 ™, IEC 61850) se pueden enlazar. Un ejemplo de este tipo de
comunicaciones es el sistema anunciado por Siemens y RuggedCom en 2010 el uso
de IEEE 802.16e (WiMAX) para comunicar mensajes GOOSE para diversas funciones
en sistemas de automatización para distribución.
Un segundo tipo
de tecnología generalizada cae en la categoría de comunicaciones de corto
alcance, también conocidos como sensores inalámbricos y redes actuadores
(WSAN). A diferencia de las tecnologías de largo alcance, la arquitectura de la
red no se parece a la de un celular. La mayoría de ellos utilizan topología estrella
o malla. El centro de la estrella se llama a menudo el coordinador, en el
sentido de que los otros nodos se conectan a él, y se encarga de las funciones
de la capa superior (por ejemplo, el enrutamiento o expedición). En la
categoría de topología de malla suele caer las redes ad hoc en la que todos los
nodos son iguales, no hay coordinadores, y el algoritmo de encaminamiento se
distribuye totalmente. ZigBee, la WSAN más ampliamente conocido, presenta un
coordinador de topología basada estrella, mientras que los basados en WSANs
6LoWPAN se distribuyen por completo a nivel de aplicación, cada nodo puede ser
visto desde una red IP externa tal como un servidor HTTP.
En lo que se
refiere a la capa física, tanto ZigBee y los WSANs basado en 6LoWPAN tienen la
misma capa MAC y física, que es también la base tecnológica para ISA100.11 y
WirelessHART. La capa física se define por el estándar IEEE 802.15.4 / IEEE Std
802.15.4a, que trabaja en las siguientes frecuencias:
·
868.0
MHz a 868.6 MHz: En Europa, sólo se permite un canal de comunicación en este
banda.
·
902
MHz a 928 MHz: esta banda se utiliza en América del Norte, con un máximo de 10
canales (versión de la norma 2003), se extendió a los treinta (versión de la
norma 2006).
·
2400
MHz a 2483,5 MHz: Esta banda es para su uso en todo el mundo y permite hasta 16
canales.
La versión de la
norma 2003 especifica dos capas física basado en las técnicas de espectro de
secuencia directa (DSSS): una de trabajo en las bandas de 868/915 MHz con
velocidades de transferencia de 20 kbps y 40 kbps y el otro en la banda de 2450
MHz con una tasa de 250 kbps.
En la versión
2006 de la norma, las tasas máximas de datos de las bandas de 868/915 MHz se
aumentó a 100 kbps y 250 kbps. Por otra parte, pasa a definir cuatro capas
físicas, dependiendo del método de modulación utilizado. En las bandas de
868/915 MHz, el DSSS se utiliza en combinación con desplazamiento de fase
binaria keying (offset de cuadratura de modulación por desplazamiento de fase);
en la banda de 2450 MHz, se utiliza modulación por desplazamiento de fase en
cuadratura. Una capa física opcional para las bandas de 868/915 MHz también se
define, que utiliza una combinación de modulación por binario y modulación por
desplazamiento de amplitud. Según el estándar, el transceptor deberá ser capaz
de cambiar dinámicamente las diferentes capas físicas compatibles en las bandas
de 868/915 MHz.
Otra norma
destinada específicamente para Smart Grid en el área de la WSAN es IEEE Std
802.15.4g. Esta tarea se pretende "crear una enmienda PHY IEEE Std
802.15.4 para proporcionar un estándar global que facilita las aplicaciones de
control de procesos a muy grande escala, tales como la red smartgrid capaz de
soportar grandes redes geográficamente diversas, con una infraestructura
mínima, con potencialmente millones de puntos finales fijos [7]. La norma se
basa principalmente en la tecnología OFDM y se espera alcanzar una producción
del orden de cientos de kilobits por segundo (hasta 1 Mbps) y una distancia del
orden de 1 kilómetro.
Tecnologías
relacionadas con RFID también están desempeñando un papel en la red
inteligente. Un par de ejemplos incluyen la tecnología Near Field
Communications (NFC) [8] y la tecnología DASH7 [9]. Near Field Communications
conecta el transmisor y el receptor en una base de uno-a-uno y en el rango de
10 cm a 20 cm. DASH7 trabaja en las mismas bandas como RFID y se ha desplegado en
aplicaciones militares, a pesar de que ahora se está expandiendo a los dominios
civiles.
Además, Wi-Fi de
bajo consumo, y Wi-Fi, en general, se utilizan en sistemas de redes
inteligentes, tanto en los ámbitos de infraestructura y vivienda. Por último,
la extensión de IEEE 802.11 (en términos de potencia permitiendo hasta 20 W y
modificaciones MAC) el estandar IEEE 802.11 le permite aumentar el rango hasta
5 km licenciado la banda de 3.65 GHz.
4.3
ESTANDARIZACIONES INALÁMBRICAS EN LA IEEE
Para satisfacer
las necesidades de comunicaciones inalámbricas en aplicaciones de redes
inteligentes, la tendencia actual es el uso de los sistemas inalámbricos
existentes desarrollados principalmente para aplicaciones móviles. Esta
tendencia incluye el uso actual de WiMAX, GSM, 3G, etc para cumplir y en
ocasiones aumentar la infraestructura de comunicaciones de las redes Smart
Grid. Sin embargo, es evidente que este enfoque sólo puede ser una solución
temporal, ya que las redes Smart Grid tienen necesidades muy diferentes que las
redes celulares tradicionales que ofrecen servicios de voz y datos a sus
usuarios.
Además de las anteriores normas existentes
de comunicaciones inalámbricas, IEEE y otros organismos internacionales de normalización
han desarrollado y se siguen desarrollando, estándares de área local
inalámbricas a medida para aplicaciones Smart Grid.
En resumen, las actividades de
normalización en curso en IEEE para aplicaciones Smart Grid se pueden agrupar
en una de las dos categorías siguientes:
1.
Normas diseñadas específicamente para aplicaciones de Smart Grid.
ZigBee y otros
estándares inalámbricos que están diseñados específicamente para aplicaciones
Smart Grid pertenecen a esta categoría. Estas normas abordan las necesidades de
comunicaciones específicas de la red inteligente, y por lo tanto, proporcionan
beneficios de rendimiento. Debido a esto, son muy populares y ampliamente utilizados
en los despliegues de redes inteligentes existentes. Por otra parte, las normas
existentes diseñadas específicamente para aplicaciones Smart Grid abordan
principalmente las necesidades de comunicaciones de rango corto de la red
inteligente, dejando un vacío para los estándares inalámbricos de área amplia
para cubrir toda la zona.
2.
estándares diseñados para otras aplicaciones, pero unsados para aplicaciones
Smart Grid.
Si bien hay
muchas normas inalámbricas de área local que están diseñados específicamente
para aplicaciones de Smart Grid, no existe una norma inalámbrica de área amplia
que está especialmente diseñado para la red inteligente. Esta falta ha dado
lugar a muchas empresas de servicios públicos que utilizan los estándares
inalámbricos desarrollados para aplicaciones celulares (por ejemplo, GSM, GPRS,
CDMA2000, WiMAX y LTE) y satisfacer sus necesidades de comunicaciones
inalámbricas de área extensa. Si bien este enfoque está siendo tomado por los
proveedores de aplicaciones de red inteligente, ciertamente no es la solución
ideal para ellos. La razón principal es que estos estándares celulares están
diseñados para satisfacer las necesidades celulares, y las aplicaciones Smart
Grid tener varios requisitos únicos.
5. OTROS MEDIOS
5.1 COMUNICACIONES ÓPTICAS EN EL ESPACIO LIBRE
Aunque los
primeros sistemas de comunicación humanos utilizaron el espacio libre (humo,
linterna, semáforo, etc), en las últimas décadas, las comunicaciones ópticas de
espacia libre (FOE) han pasado a segundo plano en comparación a la tecnología
inalámbrica electromagnética y los medios de comunicación de fibra óptica. Sin
embargo, una nueva era de FSO está en el horizonte. En muchos casos, los
sistemas de láser / LED FOE ya son vistos como competidores viables a los
sistemas de RF en varios escenarios.
5.2
COMUNICACIONES CUÁNTICAS
Entre
las tecnologías de la comunicación futuristas, un fundamentalmente nuevo ha dado
pasos importantes la cual es la comunicación cuántica. Los investigadores de
todo el mundo incluyendo los EE.UU., Europa, Japón, China, y Australia han
enviado satisfactoriamente la información cuántica en forma de qubits (bits
cuánticos), utilizando el fenómeno de entrelazamiento cuántico.
En 2030, las
comunicaciones cuánticas probablemente se verán avances rápidos de su estado
actual. Hay dos principales impulsores de esta tecnología: 1) un grado
significativo de interés profesional por parte de los científicos e ingenieros
en el fascinante campo de las comunicaciones cuánticas, y 2) los beneficios
potenciales que esta tecnología puede aportar a futuras aplicaciones.
RESUMEN
La
infraestructura de comunicaciones inteligentes será el sistema nervioso del
futuro Smart Grid. Se revisaron los tres tipos de tecnologías de comunicación
emergentes: los sistemas de comunicaciones por cable (tales como PLC);
alimentación de línea para sistemas de fibra óptica (como OPGW); y los sistemas
de comunicaciones inalámbricas (como WiFi / WiMax o ZigBee). Es evidente que el
PLC tiene ventajas únicas. Se trata de una tecnología probada y madura en las
comunicaciones de control de potencia. En
los últimos años, que ya ha demostrado su potencial en los hogares
inteligentes. Es muy probable que muchas otras aplicaciones de energía
especializada (como la identificación rápida de fallas, daños de cable, el
cambio de altura de los conductores aéreos) se innovaran en torno a esta
tecnología, porque ninguna otra tecnología puede satisfacer las necesidades de
manera eficaz. Sin embargo, también es probable que se enfrenten los desafíos
de ancho de banda. Los sistemas inalámbricos emergentes parecen ser los mejores
candidatos para la creación de redes de la mayor parte de los sensores y
dispositivos inteligentes que hará la estructura de red inteligente. OPGW será
la elección del medio de aplicaciones de datos y la columna vertebral de las
comunicaciones de la red inteligente. También se mostró que OPGW, además de
cumplir con las necesidades de comunicación para el futuro de Smart Grid, puede
ir más allá hacia una red de servicios públicos integrada.
CITAS:
[1] Birman, K. P., Chen, J., Hopkinson, E. M., Thomas, R. J.,
Thorp, J. S., Van Renesse, R.,
Vogels, W. 2005. “Overcoming
Communications Challenges in Software for Monitoring
and Controlling Power
Systems.” Proceedings of the IEEE 93, no. 5: 1028–1041.
[2] Deshpande, J. G., Kim, E., Thottan, M. 2011. “Differentiated
services QoS in smart grid
communication networks.” Bell
Labs Technical Journal 16, no. 3: 61–81.
[3] Bakken, D. E., Bose, A., Hauser, C., Schwietzer III, E. O.,
Whitehead, D. E., Zweigle, G. C.
2011. “Smart Generation and
Transmission using Coherent, Real-Time Data.” Proceedings of
the IEEE 99, no. 6: 928–951.
[4] Office of the National Coordinator for Smart Grid
Interoperability. 2010. “NIST Framework and
Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Release 1.0.” NIST
Special Publication 1108.
[6] Department of Energy. 2010. “Communications Requirements of
Smart Grid Technologies.” [Online]. Available:
http://energy.gov/sites/prod/files/gcprod/documents/Smart_Grid_Communications_Requirem
ents_Report_10-05-2010.pdf.
[8] NFC Forum. [Online]. Available: www.nfc-forum.org/home.
[9] DASH7 Alliance. [Online]. Available: www.dash7.org.
