Generación distribuida y redes inteligentes

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1 Nota técnica Generación distribuida y redes inteligentes S. A. González, P. G. Donato Laboratorio de Instrumentación y Control, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata - CONICET 1. Sistemas de comunicación en redes inteligentes El sistema de distribución de energía eléctrica es muy complejo y, como tal, puede verse afectado por diversas fallas relacionadas con cualquiera de los elementos que la componen. Las fallas en los equipos, que pueden ser producto tanto de limitaciones en la capacidad como de accidentes imprevistos, causan perturbaciones eléctricas y cortes de energía que afectan directa o indirectamente a toda la red. Incluso en un sistema de generación distribuido, donde hay generadores de diferente naturaleza y magnitud, un fallo de alguno de ellos podría ser catastrófico. Estos efectos pueden evitarse en gran medida mediante un esquema de supervisión, control, y protección en tiempo real. De esta forma se podría convertir a las redes eléctricas de distribución actuales en verdaderas redes inteligentes. Para esto es necesario disponer de información confiable y en tiempo real sobre el estado de la red, a fin de garantizar la calidad del servicio a los usuarios finales. La inclusión de dispositivos de medición y control, en conjunto con sistemas de comunicación bidireccionales, es una de las claves para lograr que la red pueda considerarse inteligente. EE. UU., Canadá, China, Australia, y algunos países de la Unión Europea (UE) están impulsando proyectos de investigación y desarrollo para aplicaciones de redes inteligentes. En todos los casos los objetivos son múltiples: sistemas de comunicaciones, automatización, medición, etc. En el caso de EE. UU., se está desarrollando un programa global de subsidios para las inversiones en redes inteligentes (Smart Grid Investment Grant) [1], que financia casi un centenar de proyectos por un monto total de millones de dólares. Una de las principales tecnologías que se pretende desarrollar dentro de la red inteligente es un medidor eléctrico con comunicación bidireccional, denominado AMI (Advanced Metering Infrastructure). Uno de los ejemplos más claros en este sentido es el caso del sistema Telegestore, desarrollado por la empresa de energía de Italia (ENEL) [2]. Desde 2001 se está implementando dicho sistema de medición inteligente, que es al día de hoy el mayor sistema de medición inteligente en funcionamiento. El objetivo final es reemplazar por completo a los medidores eléctricos actuales, que en muchos casos continúan siendo electromecánicos, de manera que los reportes de consumos sean realizados en tiempo real y que 84 Ingeniería Eléctrica Abril 2013

2 además los mismos tengan tecnologías de automatización integradas. En conjunto con ENDESA, se está trabajando en la adaptación de Telegestore a la normativa española, a fin de ampliar su campo de aplicación. Por otro lado, en Canadá, la corporación Toronto Hydro lanzó en 2008 un ambicioso programa de implementación de una red inteligente en la provincia de Ontario. Hasta el momento llevan instalados más de medio millón de medidores inteligentes domiciliarios, y numerosos sistemas de monitorización en tiempo real sobre los transformadores de distribución, entre otras cosas. Todos los proyectos mencionados, así como otros de diferente envergadura, comparten un aspecto en común, que es el del desarrollo e implementación de sistemas de comunicación para lograr que la red sea efectivamente inteligente. Se pueden distinguir claramente dos ambitos de aplicación diferentes. Por un lado están las redes de transporte y distribución en alta y media tensión (AT y MT) y por otro, las redes de distribución en baja tensión (BT). En el presente artículo se va a enfocar la atención sobre las redes de BT, que son las que tienen relación directa con el usuario (datos de consumo, servicio, calidad de energía, etc.). En la siguiente sección se describirán algunas de las principales tecnologías que se están empleando en la actualidad, y algunos de los proyectos relacionados a nivel mundial. 2. Tecnologías de comunicación disponibles para las redes inteligentes Los dispositivos de control y supervisión que deberán operar sobre una red inteligente tienen que contar con la capacidad de comunicarse bidireccionalmente. El medio de comunicaciones especifico sobre el cual se canaliza el flujo de información no es tan importante, sino que se cumplan determinadas condiciones relativas a la velocidad de transmisión, seguridad, disponibilidad, etc. En la práctica no es conveniente restringir la capacidad de la red empleando una única tecnología, por lo que la mayoría de las iniciativas sobre redes inteligentes emplean una mezcla de métodos de comunicación. Por eso es muy importante para las empresas eléctricas definir los requisitos para encontrar la mejor infraestructura de comunicaciones y ofrecer un servicio confiable, seguro y económico. Por ejemplo, emplear una combinación de tecnologías cableadas e inalámbricas puede Figura 1. Esquema general del sistema de comunicaciones de una red de distribución eléctrica inteligente Ingeniería Eléctrica Abril

3 Nota técnica mejorar la confiabilidad de las comunicaciones. En algunos casos, las comunicaciones inalámbricas tienen algunas ventajas sobre las tecnologías cableadas, tales como un menor costo en la infraestructura y facilidad de conexión en zonas de difícil acceso. Sin embargo, la naturaleza del medio inalámbrico puede causar fuertes atenuaciones y distorsión en la señal. Por otro lado, las redes cableadas pueden manejar un mayor flujo de datos y son más seguras. Incluso, en el caso de los sistemas de transmisión de datos sobre la red eléctrica, el medio físico existe previamente e interconecta todos los puntos de interés. Algunos autores [3] establecen que se necesitan al menos dos tipos de infraestructuras para manejar el flujo de información en un sistema de redes inteligentes. Por un lado hay un flujo de información que proviene de los sensores en los aparatos eléctricos domésticos y los medidores inteligentes. Por otro lado, hay un flujo de información entre los medidores inteligentes y los centros de datos en las empresas distribuidoras de energía. Para el primero de ellos se pueden utilizar tecnologías de tipo cableado o inalámbrico, mientras que para el segundo sería conveniente usar tecnologías celulares o similares. La elección de una tecnología que se ajusta a un medioambiente puede no ser adecuada para otro, y viceversa. A continuación se enumeraran algunas de las más relevantes tecnologías de comunicaciones para redes inteligentes, junto con sus ventajas y desventajas. 2.1 ZigBee Se llama ZigBee [4] a la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización en aplicaciones de radiodifusión digital de bajo consumo, basada en el estándar IEEE de redes inalámbricas de area personal (wireless personal area network, WPAN). Está pensada para aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con una tasa de transferencia reducida y maximización de la vida útil de sus baterías. Se trata de una tecnología apta para emplear en sistemas de iluminación inteligente, supervisión de energía, automatización de hogares y edificios, lectura automática de contadores, etc. La banda de frecuencias asignada a ZigBee es libre (no requiere de licencia) para usos industriales, científicos, y equipamiento de uso medicinal (ISM). La comparte con otras redes IEEE de área local inalámbrica (WLAN), WiFi, Bluetooth y microondas. En particular, ZigBee opera en las bandas de 2,4 GHz (mundial), 915 MHz (América) y 868 MHz (Europa). La tasa de datos es de 250 Kbps a 2,4 GHz (16 canales), 40 Kbps a 915 MHz (10 canales) y 20 Kbps a 868 MHz (un canal). Las distancias que alcanza son notables para un sistema de baja potencia como éste, y van desde 10 a m, dependiendo de la potencia de salida y las condiciones ambientales, tales como edificios, paredes u otros obstáculos geográficos. Como desventajas se podría mencionar que la tasa de transferencia de datos es relativamente baja para algunas aplicaciones. También hay algunas restricciones relativas a la susceptibilidad electromagnética (interferencia) con otros aparatos que comparten el mismo medio de transmisión. Como la banda de frecuencias donde opera ZigBee se superpone con las de otras tecnologías, y al ser ésta una nueva tecnología, no se sabe si podrá hacer frente a las altas condiciones de ruido una vez que el uso de dispositivos ZigBee se haga masivo. Se deberían implementar sistemas de detección y supresión de interferencias, y proto- 86 Ingeniería Eléctrica Abril 2013

4 colos eficientes de enrutamiento, para poder obtener una red confiable y energéticamente eficientes. 2.2 Comunicaciones sobre la red eléctrica La infraestructura de transporte y distribución de energía eléctrica conforma la red física más extensa del mundo, mayor que todas las redes de comunicaciones incluyendo datos, teléfono y video. Está formada por miles de kilómetros de cable, llegando a más de millones de personas y ofreciendo servicios incluso en aquellos lugares donde no hay acceso a otras redes cableadas como la de telefonía. La elevada capilaridad de la red de distribución de energía eléctrica asegura el acceso al servicio en zonas dispersas, lo cual torna interesante su uso para la transmisión de datos. Esto hace muy atractiva la idea de comunicaciones por la red eléctrica o PLC (del inglés, Power Line Communications). Los sistemas PLC han sido estudiados desde el año 1950, cuando se desarrolló el sistema conocido como ripple control, para aplicaciones en redes eléctricas de baja y media tensión. Este sistema trabajaba en forma unidireccional y empleaba una frecuencia de portadora entre 150 y 1350 Hz. En años posteriores, diversas empresas de distribución de energía eléctrica comenzaron a utilizar sus tendidos eléctricos internamente para la transmisión de información a baja velocidad entre subestaciones, implementando sistemas PLC en líneas de media y alta tensión. Ésta es la opción más atractiva para las redes inteligentes debido a que existe una infraestructura previa que interconecta directamente los medidores y las centrales, reduciendo así los costos de instalación. Sin embargo, las redes eléctricas fueron concebidas para transportar energía y no información, por lo que hay numerosas fuentes de ruido que dificultan la detección de señales. Además, la respuesta en frecuencia del canal, que es variante en el tiempo y dependiente de la distancia, es otra importante limitación. El aspecto normativo de PLC no está completamente definido, aunque existen varias normas que cubren determinadas aplicaciones [3]. Por ejemplo, la norma IEEE [5] sobre PLC de banda ancha define las especificaciones sobre la capa física y el control de acceso al medio para aplicaciones domésticas y de redes inteligentes se enfoca principalmente en los mecanismos para un uso eficiente del canal PLC y para asegurar el ancho de banda y calidad del servicio, además de las cuestiones relativas a la seguridad. En el ámbito puramente doméstico, uno de los estándares más empleados es el Homeplug, que está pensado para interconectar dispositivos inteligentes en la red hogareña (Home Area Network, HAN). En la actualidad hay varias iniciativas y proyectos en marcha para implementar la tecnología PLC. La mayoría de ellos está enfocado en dos aspectos diferentes: medición remota (AMI, Smart Metering) o servicios de banda ancha para ambientes domésticos. En el caso de medición remota, uno de los pioneros es la empresa de electricidad de Italia, ENEL, que desarrolló el sistema Telegestore [2], con el cual se está reemplazando a los medidores tradicionales por otros donde los reportes de consumos son realizados en tiempo real. El sistema, como se muestra en la figura 2, se compone de los medidores inteligentes, una serie de concentradores instalados en las subestaciones de media a baja tensión, y la central de procesamiento, que reúne la información de todos los concentradores. Hay más de 30 millones de medidores operativos en Italia a la fecha, y se está homologando el sistema para instalarlo en otros países de Europa, como España, donde ENDESA Ingeniería Eléctrica Abril

5 Nota técnica pretende automatizar todas las mediciones para el año Otros países que están desarrollando sus propios programas con mayor o menor grado de avance son Australia, Suecia, Canadá, Países Bajos, y algunos de los estados de EE. UU. Mención aparte merecen los servicios de banda ancha para ambientes domésticos, en donde hay un claro predominio por parte de Homeplug [6]. La Unión Europea creó un consorcio llamado OPE- RA (Open PLC European Research Alliance) para la caracterización y evaluación de la red eléctrica europea para realizar PLC. Se desarrollaron pruebas piloto intensivas en las ciudades de Madrid, Lisboa, y Linz. Los resultados de este trabajo permitieron, entre otras cosas, determinar modelos para el estudio y ensayo de tecnologías PLC, y estudiar el problema de la compatibilidad radioeléctrica de sistemas. Los resultados de OPERA han servido como base para la nueva normativa IEEE 1901 (2010) [5], sobre servicios de banda ancha en redes eléctricas. 2.3 Digital Subscriber Lines (DSL) La tecnología DSL (líneas de abonado digital) utiliza los cables de la red telefónica para transmitir datos digitales. Esta tecnología Figura 2. El Telegestore (sistema de gestión remota) es la solución innovadora que ENEL ha desplegado desde 2001 en Italia para la gestión remota de los nuevos contadores electrónicos puede integrarse dentro en una red inteligente, como complemento de la tecnología PLC. Al igual que esta última, la tecnología DSL tiene un bajo costo de instalación y una distribución de extensión similar, por lo que su implementación. Si bien es cierto que hay lugares donde llega la red eléctrica pero no la de telefonía, en la mayoría de los núcleos urbanos ambos tendidos van de la mano. Por este motivo, muchas empresas están eligiendo la tecnología DSL para desarrollar proyectos de redes inteligentes. Por ejemplo, Deutsche Telekom está llevando a cabo una prueba con medidores inteligentes de agua, gas, y electricidad en la ciudad de Friedrichshafen. Esta prueba comenzó en junio de 2008, y forma parte de un programa mucho más amplio, denominado T-City, que pretende convertir a la ciudad de Friedrichshafen en la primera ciudad inteligente (smart city) de Alemania. Los medidores inteligentes envían los datos del consumo a través de una conexión DSL, y la empresa de electricidad los pone a disposición de los usuarios a través de un portal en internet. Deutsche Telekom 88 Ingeniería Eléctrica Abril 2013

6 también está desarrollando una prueba similar en la ciudad de Emden, con más de 100 medidores de las mismas características. Entre las desventajas de la tecnología DSL se puede mencionar que no es confiable para aplicaciones de tipo críticas como, por ejemplo, el control de subestaciones o de dispositivos de electrónica de potencia. También, para el caso de zonas aisladas o remotas, el costo de instalación y mantenimiento de los cables de comunicaciones es importante, lo cual hace poco rentable su implementación. 2.4 Redes de celulares Las redes celulares existentes son una muy buena alternativa para intercomunicar los medidores inteligentes y los nodos de distribución. La infraestructura de comunicaciones existente reduce los gastos y tiempos de implantación de esta tecnología. Por lo tanto, las empresas prestadoras de servicios públicos no tienen que incurrir en costos adicionales para la construcción de la infraestructura de comunicaciones para implementar la red inteligente. La cobertura de la red de telefonía celular es muy amplia, y alcanza casi todas las áreas en donde llega el tendido de la red eléctrica. El ancho de banda disponible es suficiente como para soportar aplicaciones de medición inteligente, acciones de control, y prestaciones para red de área hogareña (Home Area Network, HAN). Un ejemplo donde se está empleando tecnología celular para la implantación de la red eléctrica inteligente es Australia. Las empresas de energía Ausgrid y EnergyAustralia, en conjunto con el gobierno australiano, han comenzado una serie de pruebas piloto en la ciudad de Newcastle. Se ha instalado más de mil equipos de AMI, que realizan mediciones de consumo en tiempo real y envían la información a la central mediante un enlace celular tipo 3 o 4 G [7]. Uno de los aspectos críticos para el control y gestión de una red eléctrica inteligente es la disponibilidad continua de las comunicaciones. Si no se puede garantizar esta disponibilidad, la operación de la red se degradaría notoriamente. En ese sentido, el servicio de telefonía celular es compartido con otros clientes, por lo que no está exento de eventuales congestiones que colapsen el sistema, o una reducción de ancho de banda que ralentice su funcionamiento. Es por este motivo que en el futuro las comunicaciones por la red de telefonía celular deberán complementarse con otras tecnologías, como la PLC. 2.5 Redes inalámbricas Las redes inalámbricas (Wireless Mesh) son redes flexibles compuestas por un grupo de nodos, donde cada nodo puede actuar como un enrutador independiente, y pueden unirse nuevos nodos al grupo en cualquier momento. Este tipo de redes es muy flexible, lo que le permite reestructurarse según las condiciones del momento (entrada/salida de nodos, fallas, etc.), y tiene un ancho de banda elevado, con una latencia reducida. La compañía de gas y electricidad del Pacífico (PG&E, California) está desarrollando un programa para actualizar la infraestructura energética de California empleando medidores inteligentes. El objetivo del programa es mejorar la calidad del servicio y reducir el consumo. Para ello están instalando medidores electrónicos digitales de estado sólido, denominados SmartMeter (figura 3), que miden y almacenan los datos del consumo, y las transmiten periódicamente empleando una red de radiofrecuencia (RF) dedicada. El sistema completo utiliza una tecnología de redes inalámbricas, que permite enrutar en forma segura a los medidores y otros dispositivos de sensado, usando otros medidores cercanos o dispositivos re- Ingeniería Eléctrica Abril

7 Nota técnica petidores instalados para tal fin. El sistema soporta una comunicación bidireccional entre los medidores y la central de control y gestión. Las redes inalámbricas son una solución atractiva, no solo desde el punto de vista del costo, sino por su naturaleza. El esquema de medidores/repetidores se puede organizar y configurar en forma automática, y tiene una escalabilidad casi ilimitada, por lo que se adapta a casi cualquier entorno. Sin embargo, la capacidad del canal de comunicación no es ilimitada, por lo que el volumen de datos a manejar puede tornarse crítico. Además, existen fenómenos de interferencia, entre estas redes y otras redes inalámbricas que pudiesen operar en la misma área. El tema de la seguridad tampoco es un asunto menor, ya que la información correspondiente a cada usuario deberá pasar por múltiples nodos antes de llegar a la central. 3. Comentarios finales Las tecnologías descriptas en esta nota son una muestra de las alternativas a emplearse en las redes eléctricas inteligentes del futuro. Cada una de ellas tiene sus ventajas y desventajas, por lo que es muy probable que en el futuro se aplique una fusión de dos o más, con el objeto de garantizar la disponibilidad y velocidad del servicio. En cualquier caso, los aspectos críticos de cualquiera de los sistemas a emplear serán la seguridad de comunicación y la disponibilidad continua del servicio. Cuestiones como el ancho de banda disponible o la velocidad también son importantes, pero Figura 3. Algunos dispositivos AMI en funcionamiento en la actualidad. A la izquierda se puede ver el medidor de Ausgrid y a la derecha, el de PG&E para el caso de los equipos de AMI no es lo más restrictivo. En nuestro país, a diferencia de los numerosos emprendimientos sobre generación de energía a partir de fuentes sustentables, no hay iniciativas públicas o privadas en gran escala relacionadas con redes eléctricas inteligentes. El Ente Nacional Regulador de la Electricidad (ENRE) [8], a través de las resoluciones 751/06 y 752/06, habilitó a la empresa transportadora de energía de la provincia de Buenos Aires, TRANSBA, y a la distribuidora EDE- NOR, a prestar y/o comercializar servicios de telefonía, televisión e Internet a través de la red eléctrica. A partir de esta habilitación, EDE- NOR ha realizado algunas pruebas en barrios de la ciudad de Buenos Aires para la provisión de telefonía, televisión e Internet a través de la red eléctrica, pero aún no hay ningún programa de implementación y ampliación a otras zonas [9]. Existen también algunos esfuerzos puntuales en universidades y cooperativas del interior del país, pero no se trata acciones integradas y/o coordinadas. Es importante resaltar que se trata de un tema que seguirá cobrando importancia con el paso de los años, y en el cual cuanto antes se comience, desde el ámbito público y privado, habrá mejores oportunidades y soluciones. 90 Ingeniería Eléctrica Abril 2013

8 En la próxima entrega se completará el panorama de las redes eléctricas inteligentes y los sistemas de generación distribuida, describiendo los sistemas de conversión electrónica de potencia empleados para estos fines. 1] Referencias 2] [1] U.S. Department of Energy, 3] [2] Enel, innovation/smart grids/smart metering/ telegestore/, ] [3] V. Gungor, D. Sahin, T. Kocak, S. Ergut, C. Buccella, C. Cecati, and G. Hancke, Smart grid technologies: Communication technologies and standards, Industrial Informatics, IEEE Transactions on, vol. 7, no. 4, pp , nov ] [4] ZigBee Alliance, org. 6] [5] IEEE Communications Society, IEEE Std for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications, IEEE Communications Society Std., ] [6] Homeplug, https://www.homeplug. org/home/. 8] [7] AUSGRID, ] [8] ENRE, 10] [9] infobae Profesional, iprofesional.com/notas/63413-edenor- desafia-a-las-telcos-y-busca-dar-internet-a- traves-de-la-red-electrica. html&cookie, Contacto Patricio G. Donato: Ingeniería Eléctrica Abril

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