PAPER. Un enfoque holístico de las comunicaciones para Redes Inteligentes. Title

PAPER Title Un enfoque holístico de las comunicaciones para Redes Inteligentes. Registration Nº: 3 Authors of the paper Empresa Nombre Direción Telefonos e-mail E.P.E.C. Luis H. A. Sturniolo Tablada 350, 5000(CBA)-Argentina. +54(351)4296204. lsturniolo@epec.com.ar lsturniolo@ieee.org Key words Redes inteligentes, Comunicaciones, PLC, QoS. RESUMEN En el presente trabajo se realiza un estudio sobre los requerimientos de comunicación para las Redes Inteligentes (RI), los actuales protocolos de comunicación y servicios de comunicación, con la hoja de ruta que una empresa eléctrica debe adoptar para implementar RI. La implementación de las RI está contemplada en un lapso de tiempo que, en términos de evolución de comunicaciones, implica más de un salto tecnológico. La implementación de esta tecnología en la organización, más allá de los aspectos técnicos-económicos, tiene incidencia directa en la organización de la prestadora del servicio eléctrico, la cual varía según la tecnología y hoja de ruta adoptada. Se lleva a cabo un estudio sobre las alternativas de comunicación en los entornos que se desarrollan las RI: Home Area Network (HAN), Neighborhood/Field Area Network (NAN/FAN) y Wide Area Network (WAN), abarcando distintas tecnologías : Power Line Communications (PLC), wireless y fibra óptica, incluyendo las ofertas de servicios de comunicación, siendo analizadas en función de los requisitos y características de las aplicaciones de las RI: Advanced Distribution Automation (ADA), Demand Response (DR), Advanced Metering Infraestructure (AMI), Energy Management Systems (EMS), Wide Area Situational Awareness (WASA) en base a los estándares más difundidos del IEC e IEEE, para ello se consideran parámetros como velocidad de trasmisión, retardo de red, servicio multicast, routing, QoS (Quality of service), disponibilidad, seguridad, resilience e interoperabilidad. Así mismo, se analizan nuevos desarrollos como Software Defined Networking (SND) y Hetnet, para las RI. Las distribuidoras eléctricas de la Provincia de Córdoba conformadas por la Empresa Provincial de Energía de Córdoba y las Cooperativas Eléctricas presentan diferentes grados de desarrollo de las comunicaciones, por lo que entendemos que evaluar la diversidad de soluciones tecnológicas y su madurez facilitará la toma de decisión sobre el desafiante escenario de las redes inteligentes. 1

1. INTRODUCCION. Las redes inteligentes (RI) están siendo abordadas por diferentes organismos, empresas de servicios, productores de tecnología, etc. en la mayoría de los países, presentando similares motivaciones y diferentes avances. Galli et al. [1] en 2011, mencionaron que el presente de las redes inteligentes presenta aspectos más propio a una visión que a un actual diseño. Organismos e instituciones, nacionales e internacionales vienen realizando un esfuerzo significativo para materializar esta visión, ello se refleja en los modelos y hojas de rutas para las redes inteligentes: Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Release 3.0, Draft 2014, NIST [2]; Smart Grid Architecture Model, (SGAM), 2012[3]; IEEE Std2030, 2011[4]; Framework and Roadmap for Strong and Smart Grid Standards, SGCC, 2010 [5]. Proveedores de tecnología también han planteado sus modelos de RI: Cisco [6]; Microsoft SERA [7]. Las aplicaciones de las RI presentan diversos requerimientos para las comunicaciones, por lo que se considerará los modelos y estándares involucrados, para posteriormente citar la bibliografía al respecto. Se hará una breve descripción de las tecnologías disponibles para las RI. Finalmente se analizará las comunicaciones, en función de los requisitos de comunicaciones para RI (RCPRI). Nuestro análisis sobre las comunicaciones para las RI nos lleva a tomar una visión a largo plazo, conforme a un marcado análisis ingenieril sobre la oferta tecnológica contemporánea, fundamentado especialmente en los requerimientos mas exigentes de las RI. Este análisis debe considerar la tendencia actual en comunicaciones, cateracterizadas por protocolos que no están orientados a la conexión, en redes principlamente heterogéneas. La hoja de ruta para las RI, requiere pues de un crítico estudio tecnológico, concatenado con políticas de largo plazo en comunicaciones que involucrará a toda la organización, dado que la misma deberá adecuarse al proceso de implementar RI. 1. REQUSITOS DE COMUNICACIONES PARA REDES INTELIGENTES. Las RI abarcan las clásicas redes locales, metropolitanas y de área extendida (LAN, MAN y WAN). No obstante, considerando el SGAM se puede observar en este modelo: Interchange networks; Enterprise networks; WAN, MAN, Intersubestation networks; intra-substation networks; FAN; NAN; Industrial fieldbus Networks, denostando una especificidad en las redes. El CEN, CELENEC y ETSI por el M/490 de la CE definieron el denominado primer conjunto de 2 estándares[8], de forma similar el Smart Grid Interoperability Panel (SGIP) está confeccionando lo que denomina el catálogo de estándares (CoS) [9]. Los documentos y estándares citados en sus modelos son similares, no obstante presentan diferencias, por ejemplo: el papel de DER dentro de la red de distribución, con lo cual, las comunicaciones están involucradas (NIST vs. SGAM). El Departamento de Energía DOE resume los RCPRI en velocidad de transmisión, latencia, disponibilidad, seguridad y respaldo, discriminado por tipo de aplicación: AMI; DR; WASA; DER; ET y DGM. El documento detalla la disponibilidad para aplicaciones WASA de 99,9999 %, implicando 31s al año de indisponibilidad, si bien es mencionado como indicativo y no una definición técnica. El Std 2030 menciona los RCPRI a través de clases: Tier1, crítico; Tier2, importante; Tier3, informativo, caracterizando las aplicaciones según parámetros: Tiempo de transferencia: menor a 3 ms; 3 ms -10 s; 10 s a minutos y horas. Latencia: Low Low (menor a 3 s), low (menos a 16 ms), Médium (menos a 160 ms) y High (mayor a 160 ms); Disponibilidad: low (limitado impacto); Medium (serio impacto);high (severo impacto). Información: crítica, importante, informativa; Seguridad: low, medium, y high. Por ejemplo una aplicación en HAN: Tier class 2,3. En tanto, el SGAM realiza recomendaciones dentro de las cuales menciona la necesidad de directrices de ingeniería suficientes para cumplir con estrictas condiciones de comunicación, QoS, la utilización de IP y la aplicabilidad de determinadas tecnologías de comunicación. Especifica, por ejemplo, que IPv4, IPv6, SDH/OTN, IP MPLS-TP son aplicables a las redes intra/inter subestación, NAN, FAN, WAN, mientras que otras no lo son. La normativa IEC 61850-5 especifica 7 tipos de mensajes con diferentes requisitos de retardo, desde 3 ms hasta 1000 ms. La normativa IEC61850-90-4 (2013), especifica directrices de ingeniería de red a parámetros como VLAN, RSPT y HSR propias de entorno de red Ethernet, entre otros parámetros. 3. REVISION DE LA LITERATURA. En los trabajos publicados en diferentes ámbitos, se observa que las comunicaciones son analizadas desde dos enfoques: a) las comunicaciones que cumplimentan los requisitos de las aplicaciones para las RI y b) tecnologías en particular, que pueden satisfacer determinadas aplicaciones de las RI. Los RCPRI mas mencionados por los trabajos que presentan un alto nivel de citación son latencia, QoS disponibilidad y seguridad, como se puede observar en la Tabla 1. Los trabajos publicados sobre tecnologías en particular mencionan que WiMax tiene la capacidad necesaria para cubrir varias aplicaciones de las RI [19][20][21], como así también las redes ópticas [22] y las redes Hetnet (redes heterogéneas) [23][24].

Tabla1: Requerimientos de comunicación. 4. TECONOLOGIA DE COMUNICACION. Entendiendo que la tecnología de la capa de red IP no es discutida, dada su capacidad de interoperabilidad y que está adoptada en los distintos modelos y normativas de RI, nos centraremos en analizar la tecnología de los niveles bajos: medio físico, capa física y capa de enlace del modelo OSI, sin discriminar inicialmente si es privada o pública. Para facilitar el análisis posterior, se describirá la tecnología de comunicación en red eléctrica (PLC), tecnología cableada y tecnología inalámbrica. 4.1 PLC. La utilización de líneas de energía como medio físico de comunicación data de comienzos del siglo pasado [25]. Para describir brevemente esta tecnología se tomará la clasificación usual de la literatura [1]. Ultra banda angosta: La banda utilizada de 30 Hz 3 khz, con velocidades muy bajas de alrededor de 100 bps. Banda angosta (NB-PLC): La banda utilizada es de 3 khz a 500 khz. La utilización de las frecuencia en este rango ha sido normada por diferentes organismos como CENELEC; FCC y ARIB. Dentro de esta categoría tenemos desarrollos de PLC con prestaciones de unos pocos Kbit/s. Típicamente en ella se encuentran las normativas: ISO/IEC 14908-3 (LonWorks), ISO/IEC 14543-3-5 (KNX), CEA-600.31 (CEBus), IEC 61334-3-1, IEC 61334-5 como así también otras no normadas como SITRED; En los últimos años se ha desarrollado la tecnología de PLC basada en OFDM con sus variantes en la cual se ha logrado una sustancial mejora en la relación ancho de banda-velocidad de transmisión. Ejemplo de ellos son las normativas como ITU-T G.hnem (G.9902/G.9903), IEEE 1901/1.2, alianzas como G3 y PRIME. Más detalles en Anexo I. Banda ancha (B-PLC): La banda utilizada en esta categoría comprende 2 MHz a 100 MHz, según las normativas. En ella se presentan estándares como IEEE 1901, ITU-T G.hn (G.9960/G.9961) TIA-1113 IEC12139 y otros no normados como HomePlug. 3 En esta categoría las velocidades van desde pocos Mbit/s hasta alcanzar los 500Mbit/s. La prestación de PLC en AT tiene actualmente capacidades alrededor de 250 kbit/s. en extensiones de varios kilómetros, típicos de estas líneas. La utilización de BPLC en MT, dada la extensión y las características propias de una red de distribución con la diversidad de elementos y configuración, presentan diversos obstáculos para la utilización de esta tecnología [26]. No obstante hay propuestas para mejorar su prestación con repetidores [27]. La utilización en BT de NBPLC, encuentra su mayor campo en HEMS y AMI, siendo esta ultima aplicación la de mayor penetración a nivel mundial con respecto a otras tecnologías, teniendo como ícono a la red de Enel, con su tecnología SITRED con más de 32 millones de medidores instalados a través de PLC [28]. Los retardos que se producen un una red PLC depende de cómo este formada su arquitectura [1]. 4.2 CABLEADAS. PON (Passive Optical Network): La tecnología PON ofrece alta velocidad de transmisión con muy baja latencia facilitando las aplicaciones más exigentes de RI [29]. Desde sus comienzos con TPON (1994) y APON G.983.X(1998) incluyendo el protocolo ATM ha ido evolucionando en EPON (802.3ah), GPON, XGPON, con velocidades asimétricas desde 155Mbit/s y 622 Mbit/s upstream y downstream respectivamente hasta los 40 Gbit/s de capacidad upstream con 10 Gbit/s upstream y 20 Km de cobertura especificada en la denominada NGPON2, G.989, aprobada por el ITU en 2013. Esta tecnología ha impulsado el desarrollo de redes de fibra como la denominada FTTH, entre otras. Estas redes tienen capacidades para brindar distintos servicios como video, telefonía e internet. Estas prestaciones han motivado el interés de prestadores de telefonía básica, de televisión, como también de empresas-cooperativas de servicio eléctrico adicionando a su competencia central, servicios de comunicación. [30][31]. La particularidad de esta tecnología es que presenta una configuración multipunto a través de splitter (de 1:16 a 1:128) facilitando su implantación en el área de distribución, además de ser más liviano el cable de fibra óptica con respecto al cobre para el tendido en postes aéreos. Distintos trabajos sobre esta tecnología, las consideran satisfactoria para los requisitos de RI aún en sus distintas variantes EPON, TDM, WDM. Sin embargo, muestra tiempos de caída de red (disponibilidad) mayores frente a otras tecnologías [32]. DSL (Digital Subscriber Loop) :La tecnología DSL es utilizada por las prestadoras de telefonía básica, añadiendo al servicio telefónico el servicio de datos para la red internet. La velocidad de transmisión entre la central y el cliente, puede variar de desde

2Mbit/s hasta 1 Gbit/s a 250 m, según normativa y distancia. (G.fast a ser aprobado por el ITU) [33]. DOCSIS (Data over Cable Service Interface Specification): De manera similar al DSL prestadoras de servicio de televisión han desarrollado servicio de internet para el cliente. La normativa DOCSIS (ITU J.222) en su última versión 3.1 (2013) propone conexión a 10Gbps. Es una tecnología que presenta QoS y alta velocidades en sus últimas versiones, por lo se muestra como potencialmente viable para las aplicaciones de RI. 4.3 INALAMBRICAS. El rápido avance tecnológico de este medio de comunicación presenta en la actualidad una gran cantidad de sistemas inalámbricos, con sus distintas versiones, por lo que se hará referencia a los más mencionados por la literatura y a los casos actuales de aplicación para RI [10]][12][18]. Zigbee: es una tecnología basada en la MAC 802.15.4 (CSMA/CA) con un diseño para bajo costo, bajo consumo, con un alcance a 100 m y basado en IPv6. Presenta una arquitectura jerarquía con distintos tipos de configuraciones de red: estrella, malla, con prestaciones de 250 Kbit/s en 2,4GHz. En sus normativas esta alianza presenta aplicaciones como Smart Energy Profile 2 (IP-based home energy management) ZigBee Home Automation (Smart homes), entre otras. WiFi: Las redes 802.11/WiFi tienen prestaciones desde 2 Mbit/s (802.11-1997, configuración SISO) hasta 6,7 Gbit/s (802.11ac-2013, configuración MIMO) [34]. Estas velocidades mencionadas van decreciendo de acuerdo a la distancia, con un alcance alrededor de 100 m. Desde su inicio, esta tecnología realiza QoS en el sentido de mejor esfuerzo. No obstante, la 802.11e/2005, se mejoró la prestación de QoS a través de EDCAF (Enhanced Distributed Channel Access Function), facilitando 4 niveles de servicio. En la versión 802.11/2012 presenta la misma cantidad de niveles de QoS que la 802.1D. El gran crecimiento en la implantación de esta tecnología ha dado a lugar a realizarla a través de redes malladas, normadas como la IEEE802.11s y otras propietarias como Tropos, cubriendo áreas urbanas, principalmente para acceso de internet, propiciando aplicaciones de RI en el entorno NAN y MAN. Sin embargo el sistema de routing, dada su concepción de movilidad, plantea modificaciones para aplicaciones de RI [35]. WiMAX: La tecnología 802.16/WiMax presenta un diseño adecuado para diversos requerimientos. La MAC utilizada permite connection-oriented, soportando QoS (Unsolicited grant service; Realtime variable-rate service; Non-real-time variablerate service; Best effort service; Extended real-time variable-rate service) para distintas aplicaciones. 4 La versión 2012 logra prestación los 134 Mbit/s con un alcance 5 Km. Esta área de cobertura permite pensar en aplicaciones para AMI y otras como WASA [36], aspectos que la literatura presenta como la tecnología inalámbrica más adecuada para la RI [19] [20]. LTE: La denominada tecnología 4G ofrece prestaciones adecuadas para las RI, dado su baja latencia, alrededor de los 10ms, con velocidades que alcanzan los 70 Mbit/s. Sin embargo, se menciona que LTE puede hacer un uso limitado de componentes de RI [37]. Satélite: Si bien esta tecnología puede cubrir amplias superficies, presentan limitaciones para aplicaciones de RI por sus características a saber: a) el retardo, superior a los 540 ms de round trip (producto de la distancia entre el satélite geoestacionario y la tierra) y b) la disponibilidad típica, alrededor de los 99,7% anual. 4.4 HETNET. Nos referiremos a redes heterogéneas, en un sentido amplio, dado por aplicaciones en la cuales pueden idealmente ser cubiertas por más de una tecnología, aunque generalmente está referenciada a la interconexión de distintas redes inalámbricas. Un estándar que cubre varias tecnologías de comunicación con aplicación en HEMS es el Std 1905.1 (2013) [38]. En él están consideradas las tecnologías PLC, 802.11 y MoCA 1.1, facilitando QoS extremo a extremo. También se puede mencionar soluciones en WiFi WiMax o FiWi (fibra óptica - redes inalámbricas). Esta última tiene un atractivo especial para RI dada la capacidad de transmisión de la fibra óptica y la capilaridad que pueden lograr en poco tiempo las redes inalámbricas. 4.5 SDN. Esta incipiente tecnología, propiciada por el OFN (conformada mayoritariamente por productores de tecnología como Cisco, Microsoft, Google, etc) busca definir por software las redes para determinadas aplicaciones. Para ello se vale de un estándar que propicia el denominado OpenFlow. El IETF creó un grupo de trabajo en 2012 que desarrolla el I2RS para dar apoyo a esta tecnología. Su aplicación inicial es en el backbone de la red, con lo cual apunta al transporte de comunicaciones: MPLS y OTN para su desarrollo. Es una tecnología a considerar cuando este convenientemente evaluada de forma práctica para RI. 5. ANALISIS DE LAS COMUNICACIONES. Un parámetro poco frecuente en el análisis de las comunicaciones para RI es el nivel de penetración/ cobertura de los servicios de comunicación. Este parámetro difiere según como los países han desarrollado las comunicaciones. Por ejemplo, en su

reporte de banda ancha la OECD, muestra cómo es cubierta según el tipo acceso y su penetración. En ella se observa como en redes ópticas Corea está mejor posicionada que otros países (Figura 1). Para implementar RI una empresa de servicio eléctrico tiene como primer planteo decidir qué aplicaciones de RI pueden ser satisfechas con servicios de comunicación contratados y qué aplicaciones considera que deben ser propias. Esta elección va a depender entre otras, de la disponibilidad del mercado de comunicaciones en cada país. Por ejemplo, nuestro país registra un retraso frente a la denominada tecnología 4G como LTE, mientras que otros países en Sudamérica ya cuentan con este tipo de servicio. PLC, por excelencia, es particularmente atractiva para una empresa de servicio eléctrico por su capilaridad y el costo de propiedad como medio físico. No obstante, es un medio particularmente hostil para las comunicaciones dada la variabilidad del canal y los diferentes ruidos a los cuales se ve sometido el canal de comunicación [39]. Sin embargo PLC ha evolucionado, permitiendo velocidades atractivas para aplicación como AMI. Si bien esta última tecnología en PLC prevé QoS, el ITU menciona que todo G.9902 (2012) deberá soportar QoS, la cual está acotada al método de acceso común en la mayoría de los actuales estándares: el CSMA/CA. Por ende es necesario realizar consideraciones para las aplicaciones más exigentes de las RI. Las redes cableadas presentan en la tecnología PON una alternativa técnica válida dada las velocidades y latencias requeridas por las RI, aunque requiere de un estudio de factibilidad dentro de la organización para dar otros servicios potencialmente viables como video, internet, etc. De lo contrario, su costo debe ser analizado frente a otras tecnologías. Las redes inalámbricas presentan su mayor atractivo en su rápido despliegue. En particular, WiFi adolece de una endeble QoS ante congestión e interferencia [38]. La tecnología WiMax es la más indicada según trabajos publicados para cubrir los requerimientos del RI. A pesar de ello, el WiMax 5 fórum pone reparos a la utilización en las aplicaciones más exigentes de las RI. Esta particularidad se acentúa si se piensa en redes mesh, por lo que deberá tenerse en cuenta la primera recomendación del SGAM para las RI. Otro aspecto a considerar es la coexistencia de estándares y tecnologías: NB-PLC presenta problemas de coexistencia entre diferentes estándares como así también en redes inalámbricas, por ejemplo entre WiFi y Zigbee [41], por lo que dio lugar a la tecnología Zwave. Para implementar comunicaciones con las características de la RI, es necesario pensar en múltiples redes, especialmente heterogéneas. De allí que cobra protagonismo un parámetro muy mencionado pero poco abordado en la oferta de comunicaciones para RI: calidad de servicio de extremo a extremo. En este parámetro intervienen varios factores: metodología de acceso, tipos de arquitectura, routing, entre otros. Respecto a seguridad, observándola desde lo mencionado en el punto 4, se observa fundamentalmente dos aspectos a tener en cuenta: los ataques de denegación de servicio y los ataques de man in the middle, especialmente en las redes inalámbricas. 6. CONCLUSION. Las aplicaciones de las RI tienen presentan diversos y diferentes requisitos para las comunicaciones. Las prestaciones de la tecnología de comunicaciones difieren fuertemente según como esté constituida la red de comunicaciones, especialmente en todos aquellos en los cuales los accesos a la red no son determinísticos sino aleatorios. La mayoría de los protocolos no poseen nativamente QoS, inicialmente fueron orientados al intercambio de datos informáticos y posteriormente voz y video. Más de uno no presentan en forma nativa QoS, de allí es que se hace uso del término en QoS como garantizado o el mejor esfuerzo. En la actualidad, se han adecuado los protocolos para que presenten QoS para las aplicaciones VoIP/video, con requerimientos inherentes a los mismos. Otra característica de las comunicaciones actuales es que han evolucionado fuertemente hacia la movilidad, característica que no es propia del universo de elementos constituyente de una red eléctrica (desde la generación hasta el usuario). Todo ello implica tener muy en cuenta la primera recomendación del SGAM. El desafío de la RI presenta un interrogante al respecto si serán las redes orientadas a la conexión similares a ATM, con QoS en forma nativa, u orientadas a la no conexión como Ethernet para las aplicaciones más exigentes de RI (por mejor eficiencia, con el mejor esfuerzo). Las aplicaciones de RI involucran un reto para las comunicaciones bajo nuevos paradigmas, que

seguramente darán lugar a nuevas actualizaciones tecnológicas y normativas para concretar la visión de RI. ANEXO 1. BIBLIOGRAFIA. [1] For the Grid and Through the Grid:The Role of Power Line Communications in the Smart Grid. S. Galli, et al., Vol. 99, No. 6, Junio 2011. Proceedings of the IEEE. [2]www.nist.gov/smartgrid/upload/NISTDraftFrameworkOct_201 3.pdf. [3]ec.europa.eu/energy/gas_electricity/smartgrids/doc/xpert_grou p1_reference_architecture.pdf. [4] standards.ieee.org/findstds/standard/2030-2011.html. [5]c1.cigre.org/Media/SC/D2/SGCC-Standard-Roadmap Raymond-Jean. [6]www.cisco.com/web/strategy/docs/energy/overview_gba.pdf. [7] www.microsoft.com/sera. [8]ec.europa.eu/energy/gas_electricity/smartgrids/doc/xpert_grou p1_first_set_of_standards.pdf. [9] sgip.org/catalog-of-standards. [10] The role of communication systems in smart grids: Architectures, technical solutions and research challenges.e Ancillotti, et al. Computer Communications 36, 2013, 1665 1697. 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