1. Introducción PLC (Power Line Communication) AUTOR: José Francisco Delgado Ruiz Escuela Técnica Superior de Ingeniería-ICAI. Universidad Pontificia Comillas. Asignatura: Comunicaciones Industriales Avanzadas. Curso 2011-2012 RESUMEN Este documento es el trabajo de la asignatura de Comunicaciones Industriales Avanzadas y es parte del segundo curso del Diploma de Comunicaciones Industriales. He seleccionado el tema de las comunicaciones PLC o Power Line Communications dado que durante varios años, trabajé en diversos proyectos de I+D de la Unión Europea, en los que pude comprobar la gran utilidad de la comunicación por los cables eléctricos. En ellos, dicho medio de comunicación juega un papel crucial en la implantación masiva de contadores inteligentes con carácter legal antes de 2018, dado que la comunicación conocida como de última milla se prevé mediante este medio. Dicha tecnología supone la conexión de la comunicación de los consumos doméstico e industriales con los centros de control de las empresas eléctricas. PLC supone un sistema de comunicaciones fiables para la futura smartgrid, cuyos objetivos son una gestión eficiente y controlada en tiempo real de la distribución, los consumos en baja tensión y un largo etc. Permitiendo la obtención de información prácticamente en tiempo real de toda la red eléctrica de un país objetivos como una reducción considerable de las emisiones, o una estimación mucho más precisa de la demanda diaria no supondrán ningún reto sino serán una realidad. La tecnología PLC (Power Line Communication) es una tecnología en la cual se utiliza la red eléctrica de media y baja tensión como un sistema de comunicaciones, tanto de banda estrecha como de banda ancha (BPLC BroadBand PLC o simplemente BPL BroadBand Power Line). La principal diferencia entre ambas será el número de canales que podremos transmitir par un ancho de banda dado (Hay que darse cuenta que cuando mayor sea el ancho de banda necesario para la transmisión de un canal, menor número de canales podremos transmitir). En los últimos tiempos, se está proponiendo el uso de esta tecnología para lo que las compañías o distribuidoras eléctricas denominarían monitorización (telemedida, telegestión y automatización) de la red de distribución (la de baja tensión). Mediante el uso de contadores inteligentes (denominados SmartMeters) es posible llevar a cabo esta monitorización con el uso de la tecnología PLC entre otras. Mediante tecnologías como Homeplug, Wimax, Zigbee, etc ser pueden recoger datos de todo tipo de sensores tanto en recintos privados como viviendas o comercios como en los centros de transformación para tener una monitorización mucho más exacta en el caso de que sea preciso en un futuro ya presente. Un poquito de historia! PLC nace con la idea de transmitir información utilizando un medio ya existente. Los cables de distribución de baja tensión.
Los primeros ensayos de campo fueron realizados en el Reino Unido, Alemania, y Suiza. Dichas pruebas obtuvieron resultados favorables en ciertos aspectos, pero el primer problema que surgía en ellas, era un exceso de emisiones radiadas (en ocasiones de hasta 40 db). Esto chocaba con los actuales límites fijados en Alemania y Reino Unido. En Alemania, intereses comerciales y militares supusieron una seria oposición a este nuevo sistema. Por ello, las autoridades llevaron a cabo multitud de estudios teóricos en la materia. Dichos estudios concluían un aumento del ruido eléctrico. Al mismo tiempo, instituciones y grupos de trabajo de diversas entidades e investigadores daban a luz, se formaban grupos de consenso, y autoridades de regulación, como la IEC, CENELEC, etc. En la actualidad nadie discute que dichas comunicaciones suponen una forma segura y eficaz de transmisión de la información. Por no decir que forman un papel fundamental en la smartgrid que se implementa poco a poco. Grandes empresas como Iberdrola, EDF, EDP, disponen de grupos de trabajo para una implantación da las smartgrids en la realidad. Actualmente la industria del automóvil también está investigando el uso de PLC en los automóviles. En concreto, estudian buses de alta velocidad de comunicación, sin embargo, estos producen emisiones excesivas. Por otro lado, Japón desde 2002 decidió prohibir el uso de PLC salvo en determinadas pruebas de I+D. Por qué el uso de PLC? Durante los últimos años, se han realizado ciertos avances en esta tecnología con las correspondientes implantaciones masivas, estándares y rediseños necesarios para poder adquirir un sistema denominado de red inteligente ( SmartGrid ). Se plantea el uso de dicha tecnología en la red para las comunicaciones entre los contadores y lo que se denominaría RTU (una remota con función de concentrador situado generalmente en los centros de transformación). Aguas arriba podemos enviar la información con otros medios físicos como fibra óptica para no demorar en exceso el tiempo de transmisión y recepción de tanta información recopilada en los centros de transformación. Las pruebas de comunicaciones en el segmento de los puntos de suministro mediante tecnologías PLC se han realizado generalmente bajo el estándar PRIME. Qué es PRIME? PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) es una definición estándar de las capas física y MAC basadas en tecnologías actuales para garantizar que el mercado futuro, y sus requerimientos sean satisfechos, y que las inversiones que realizan las compañías distribuidoras sean viables para un futuro. PRIME es un protocolo abierto, principal requerimiento para que pueda ser utilizado por un número elevado de diferentes fabricantes y, a su vez, facilitar que la interoperabilidad entre los diferentes dispositivos sea real, así, se crearan o forzaran nuevos mercados en el ámbito de la distribución eléctrica. Al ser abierto, distintas empresas podrán sacar partido de las mejoras que dicho estándar promueva.
Ilustración 1: Esquema de comunicaciones Como se ilustra en la figura anterior el uso de PLC en el hogar se convierte en un sustitutivo de redes Ethernet. Es decir creamos una LAN (Local Area Network) cuyo medio físico para la transmisión es el propio cableado eléctrico de la casa. Otro concepto importante, el modelo OSI. Para comprender las comunicaciones PLC, al igual que cualquier tipo de comunicaciones, es necesario comprender el modelo básico de interconexión de sistemas abiertos (OSI). Este modelo, fue propuesto por la ISO en 1984 dado que la rápida expansión de las redes empezaba a ocasionar problemas de dispositivos que funcionaban en ciertas redes, pero no en otras. Con objeto de una estandarización de las redes para evitar futuros problemas se procedió a la estandarización bajo el modelo OSI. Este modelo consta de 7 capas o niveles como se muestra en la ilustración al final de esta sección. Nivel de aplicación: Esta capa ofrece a las aplicaciones la posibilidad de acceder a los servicios de las demás capas. En ella se definen los protocolos para el intercambio de datos con las aplicaciones. Es importante señalar que no es lo que se conoce actualmente como aplicaciones o programas dado que estos interactúan con los usuarios, estos están por un lado, y por otro lado se interactúa con la capa o nivel de aplicación, siendo esta última interacción más compleja. Nivel de presentación: Es de vital importancia, la correcta representación de la información. Principalmente para que pueda ser tratada sin que se produzca ningún tipo de pérdida de datos, errores posteriores de diferentes representaciones internas o simplemente para que los datos lleguen de una manera reconocible y entendible. Esta capa debe verificar aspectos como la semántica y la sintaxis de los datos transmitidos, teniendo en cuenta que también se permite la compresión y el cifrado de estos datos por motivos de seguridad y espacio. Nivel de sesión: Es la capa que se encarga de mantener y controlar el enlace establecido entre dos ordenadores que están intercambiando algún tipo de datos para que pueda llevarse a cabo sin problemas cualquier transmisión.
Nivel de transporte: Esta capa se encarga de efectuar el transporte de los datos (mediante paquetes de datos), independientemente del tipo de medio físico de transmisión que se esté utilizando. Cualquier persona un poco entendida en la materia de comunicaciones sabe que por motivos de ancho de banda de los canales u otros factores para no saturar el canal, la información se enviará separada en varios paquetes. Nivel de red: Es la capa encargada de identificar el enrutamiento existente entre una o más redes. El objetivo es hacer que los datos lleguen desde el origen al destino mediante los routers existentes en las redes. Nivel de enlace de datos: Esta capa es de vital importancia, se ocupa del direccionamiento físico, de la topología de la red, del acceso al medio, de la detección de errores, de la distribución ordenada de las tramas y del control de flujo entre otras muchas cosas. Nivel físico: Se sitúa en el nivel más bajo de la pila del modelo OSI mostrada en la ilustración anterior. Es la encargada de las conexiones globales de un ordenador hacia la red, tanto en lo referente al medio físico en si como en la forma en la que se transmite la información. Algunas funciones son: Definir el medio o medios físicos por los que va a viajar la comunicación Definir las características materiales y eléctricas que se van a usar en la transmisión Definir las características funcionales de la interfaz (tanto el establecimiento de la conexión, el mantenimiento de ella y la liberación final del medio físico), Transmisión del flujo de bits a través de medio Un largo etc. Ilustración 2: Modelo de capas OSI
2. Descripción detallada de la tecnología. Empezaremos por detallar el tipo de modulación que se utiliza en esta tecnología. PRIME, está basado en una modulación OFDM en la banda A-CENELEC en la que es capaz de alcanzar velocidades de 130 kbps de manera segura. El principal reto de esta tecnología es conseguir un ancho de banda aceptable con un nivel bajo de emisión. Por eso, se seleccionó OFDM para la modulación en dicho estándar. Qué es OFDM? OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing o Multiplexación por División de frecuencias ortogonales). Se trata de un tipo de modulación muy común y ampliamente utilizado. Más concretamente consiste en la transmisión simultánea en n bandas de frecuencia principalmente comprendidas entre 2 y 30 MHz. La banda ancha se comprendería entre 1.6 y 30 MHz. Se podría afirmar que es un tipo de modulación robusta y capaz de recuperar información de entre las distintas señales con distintos retardos y amplitudes que llegan al receptor. Los nuevos dispositivos electrónicos presentes en el mercado, incorporan el uso de una modulación OFDM y OFDMA. Más detalladamente! OFDM es una técnica para la transmisión de grandes cantidades de datos digitales mediante un canal ruidoso como es la red eléctrica. La tecnología divide una señal en varias sub-señales que se emiten simultáneamente a diferentes frecuencias (ortogonales como su nombre indica). La ilustración siguiente lo muestra de manera gráfica que es más intuitiva. Ilustración 3: Modulación OFDM Cada paquete de datos más pequeño es entonces asignado a los datos individuales de una subportadora y posteriormente modulada mediante algún tipo de modulación como PSK, QAM, BPSK, QPSK, etc. Además de su alta eficiencia espectral, un sistema OFDM reduce la cantidad de lo que se denomina crosstalk, esto hace que las interferencias se reduzcan generalmente.
Ahora bien, que es la modulación PSK o QAM? PSK es una modulación por desplazamiento de la fase su nombre son las siglas de ( Phase Shift Keying ) es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. Por otro lado QAM (Modulación de amplitud en cuadratura) es una técnica de modulación avanzada, mediante la modulación de la señal portadora de información tanto en amplitud como en fase. Aunque la modulación OFDM aborda comunicaciones en ambientes muy ruidos de redes inteligentes, es aún insuficiente para garantizar una comunicación fiable en unas condiciones muy duras. Para mejorar la fiabilidad se utiliza OFDMA, esto es simplemente un sistema de acceso múltiple. OFDMA es, por tanto, una versión multiusuario del sistema OFDM. Se consigue mediante la asignación de subconjunto de subportadoras a flujos de datos individuales. Se consigue una mejora considerable de la robustez frente a la anterior de OFDM, y una mejora de la fiabilidad del sistema. Al tratarse de comunicaciones simultáneas, una ventaja adicional es que podemos multiplicar el número de nodos con los que estamos contactando de forma independiente. Antes de empezar a explicar las diferencias entre los anchos de banda hay que señalar que en una red, ya sea una WAN, una LAN, etc, cuantos más PLCs estén transmitiendo, menor será la velocidad del canal dado. 2.1 Banda Estrecha El principal uso de la tecnología PLC para la banda estrecha es lo que correspondería a las zonas dentro de cada hogar o recintos privados, por así decirlo, es la interconexión de todos los dispositivos inteligentes que podamos tener dentro del hogar, utilizando el cableado eléctrico doméstico para las comunicaciones entre uno o varios dispositivos. El principal problema de este tipo de comunicaciones es originado por la sensibilidad de cada dispositivo, y de las interferencias que se crean cada vez que se conecta y desconecta un dispositivo en el ruido eléctrico, además, del inevitable y ya presente, originado por las líneas eléctricas. Este problema ya fue resuelto con anterioridad por varios grupos de investigadores. Dejando a un lado los posibles problemas que puedan surgir, los dispositivos del hogar funcionan mediante la modulación de una onda portadora cuya frecuencia oscila entre los 20 y 200 khz, inyectadas en el cableado doméstico de energía eléctrica desde el transmisor. Esta onda portadora es modulada por señales digitales. Cada receptor del sistema de control tiene una dirección única y es gobernado individualmente por las señales enviadas por el transmisor. Estos dispositivos pueden ser enchufados en las tomas eléctricas convencionales, o cableados de forma permanente en su lugar de conexión. La señal portadora puede propagarse en los hogares o apartamentos vecinos al mismo sistema de distribución, estos sistemas tienen una "dirección doméstica" que designa al propietario. Esto evita que un dispositivo de otro propietario pueda acceder a la red doméstica de una casa. Por así decirlo, las casas se convierten en un laboratorio de ensayos de las compañías eléctricas que, ahora son capaces de recoger datos mucho más precisos de los consumos en cada hogar, y poder proponer medidas de eficiencia energética mucho más concretas, que las hasta ahora indicadas. La frecuencia de las portadoras para la banda estrecha se comprende entre 3 y 148,5 khz.
Los estándares HomePlug y HomePlug AV, son los dos estándares de facto más populares empleados en el hogar, sin necesidad de instalar ningún cableado adicional. 2.2 Homeplug Ilustración 4: Comunicaciones Homeplug Homeplug es el nombre de una familia de especificaciones para las comunicaciones mediante cableado eléctrico (generalmente doméstico). En algunos casos inclusive, se cubren aplicaciones de banda ancha. Pretende una interconexión de dispositivos electrónicos inteligentes mediante el uso del cableado eléctrico del hogar. Es decir, la comunicación entre los posibles dispositivos inteligentes con las aplicaciones. Algunos ejemplos de su utilidad serían por ejemplo, comunicaciones en una casa con dispositivos domóticos, acceso a contenidos de internet, etc. Las especificaciones de Homeplug AV introducidas desde comienzos de 2005, aseguran un ancho de banda suficiente para aplicaciones como televisión HD (alta definición) e incluso VoIP. Como características a resaltar, en la capa física de transmisión se alcanzan velocidades de hasta 200 Mbps, llegando en las capas MAC a 80 Mbps. Más adelante, surgieron interesantes novedades en lo que se conoce como Homplug AV2, totalmente interoperable con dispositivos que cumpliesen la especificación anterior. Homeplug AV2 alcanza velocidades de Gigabytes por segundo en las capas físicas, y de 600 Mbps en las capas MAC. A nivel de seguridad, dado que las señales pueden en ocasiones salir de los dominios del usuario, si no existiese ninguna seguridad podrían ser escuchadas por algún dispositivo externo. Para ello se ofrece la posibilidad de establecer alguna contraseña de cifrado, o bien predeterminadas por los fabricantes o bien para que la pueda configurar el usuario. También cabe resaltar como propiedad adicional de Homeplug que poseen una especificación para un BPL (Broadband PLC). Algunos estándares comúnmente usados en la banda estrecha son: CENELEC Standard EN 50065-1 -: Dicha norma describe la señalización en instalaciones eléctricas de baja tensión, concretamente en el rango de frecuencias de 3 khz a 148,5 khz, en diferentes bandas, bandas CENELEC (A - D). También se especifica que la potencia de transmisión debe ser inferior a 5 MW.
En la parte 1 de esta norma se presentan los requisitos generales, las bandas de frecuencia y las interferencias electromagnéticas permitidas. CENELEC Standard EN 50090 (Konnex Protocol): Se corresponde con la norma ISO / IEC 14543-3. Describe un protocolo de automatización para el ámbito doméstico. En él se plantean generalmente dos alternativas: PL110: a una frecuencia central de 110 khz, ancho de banda máximo 1,2 kbit / s, S-FSK PL132: a una frecuencia central de 132,5 khz, ancho de banda máximo 2,4 kbit / s, FSK IEC 61334-5-1: Estándar para la transmisión de datos a baja velocidad utilizando S-FSK. Generalmente se utiliza para transmitir datos desde contadores inteligentes, contadores de agua y gas inteligentes y sistemas SCADA. El estándar describe las condiciones del medio físico, así como la capa física que debe ser adaptada a este entorno, el acceso con baja potencia preferiblemente y la interfaz para la gestión. La baja velocidad del estándar es causada por el número limitado de bits por ciclo debido a la energía de la línea. La alta fiabilidad viene de su sistema de distribución confiable (es decir, cruce por cero), elevada relación señal a ruido (conocida como SNR). Las frecuencias se eligen para evitar el ruido de la línea de alimentación común, la falta de distorsión de la intermodulación y la detección de señales de adaptación también son especificadas por el estándar. En resumen, la serie IEC 61334 especifica un número de perfiles de la capa inferior del PLC, que cubre las capas física y MAC del modelo OSI. Desde su publicación a principios de esta década, han sido comúnmente testeadas en pruebas de campo de varios fabricantes. Las capas superiores de la pila de protocolos, incluyendo la capa de enlace de control lógico y la capa de aplicación basada en DLMS, son comunes para todas las capas inferiores. IEC 61334-5-2 e IEC 61334-5-4: Estas dos últimas no son estándares sino especificaciones técnicas con varias recomendaciones dentro de ellos. La IEC 61334-5-2 establece hasta tres tipos de servicios con una velocidad de transmisión comprendidas entre 600 y 1200 kbits/seg. La IEC 61334-5-4 establece una modulación OFDM y una velocidad máxima de 4.5 kbits/seg. Algunas soluciones (cuidado que no son estándares como los anteriores) comúnmente usados en la banda estrecha son: PRIME: Ya hemos introducido brevemente lo que es PRIME en el apartado introductorio pero sin entrar mucho en detalle. Recordamos que las velocidades de transmisión en la capa física son de hasta 64,3 kbit / s con la codificación, y hasta 128,6 kbit / s sin codificación. PRIME define en la parte inferior las capas MAC (Medium Access Control) y PHY (capa física). Por encima de la capa MAC define capas de convergencia. El esquema siguiente muestra las capas definidas.
Ilustración 5: Arquitectura de las capas PRIME La capa física de PRIME está definida para utilizar OFDM con las siguientes propiedades: Hasta 96 subportadoras de datos entre 42 khz y 89 khz Hasta 3 tipos de modulación digital: BPSK, QPSK, 8PSK Codificación convolutiva como opción La capa MAC de PRIME se define como una subred del sistema. Para el acceso al medio se utilizan: CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access con Collision Avoidance) Podríamos entrar a describir más en profundidad las capas MAC pero considero que puede ser muy aburrido incluso para un profesor de comunicaciones como usted (Sadot Alexandres o Javier Matanza). Ambos conocerán en mayor o menor medida todo lo que estoy exponiendo en este trabajo. Capas de Convergencia: Dichas capas proporcionan la funcionalidad de conexión a la MAC y posteriormente a la PHY para las capas de la aplicación. Podemos definir dos sub-capas: CPC: Common Part Convergence Sublayer. Para los servicios genéricos (por ejemplo, la segmentación y re-ensamblado de paquetes de datos). SSCS: Service Specific Convergence Sublayer. Para servicios específicos de un nivel de aplicación (o de la capa de aplicación).
PRIME ofrece dos diferentes licencias obligatorias: IPv4 CL para el acceso universal a la PRIME, IPv6 está en discusión actualmente para su uso en proyectos de redes inteligentes. IEC61334-4-32 proporciona una simple conexión a los sistemas de medición, generalmente a sensores y contadores inteligentes. G3-PLC: G3 (tercera generación PLC) es una tecnología competidora de PRIME, está impulsada por compañías como ERDF y SAGEM, se centra en la compatibilidad con IPv6 y robustez óptima en la transmisión de datos. 2.3 Banda Ancha El ancho de banda de un sistema BPL se caracteriza por su estabilidad. Los módems PLC transmiten en las gamas de media y alta frecuencia (señal portadora de 1,6 a 30 MHz). La velocidad asimétrica en el módem va generalmente desde 256 kbit/s a 2,7Mbit/s. En el repetidor situado en el cuarto de contadores (en la mayoría de los casos) la velocidad es hasta 45 Mbit/s y se puede conectar con 256 módems PLC. En los centros de transformación de media tensión a baja tensión, la velocidad de red es de hasta 134 Mbit/s. Para conectarse con Internet, las distribuidoras eléctricas, para la conexión de estos centros de transformación en lo que a comunicación se refiere con los centros de control se plantea mediante otro tipo de tecnología, más rápida y segura (Fibra óptica generalmente). En Europa, el desarrollo de la banda ancha sobre las líneas eléctricas ha sido más rápido que en comparación con Estados Unidos. Esto es debido a que en Europa las eléctricas transmiten energía a altos voltajes dado que así se reducen las pérdidas en el transporte y una vez se transporta se utilizan subestaciones de alta a media tensión y centros de transformación para el suministro final al cliente de media a baja tensión mediante otro transformador. El problema principal de los transformadores para las señales transmitidas por PLC es, que estas son generalmente de alta frecuencia, y los transformadores actúan como filtros paso bajo con estas señales, por lo que es necesario en la mayoría de los casos instalar repetidores de señal cada cierto tiempo. En Estados unidos, el número de repetidores para conseguir una transmisión eficiente quizás sea 10 veces superior al necesario en los países europeos. El segundo problema de la banda ancha, viene relacionado con la intensidad de la señal junto con la frecuencia de operación. Estas se comparten con ciertas frecuencias de radio, y como generalmente es conocido, las líneas de energía (cables) carecen del blindaje necesario, puede darse el fenómeno de que actúen como antenas para las señales que transportan, ocasionando la eliminación de la banda de 10 a 30 MHz para cualquier comunicación de onda corta.
2.4 Smartgrid (Sistema de red inteligente) Como hemos planteado antes, el sistema de red inteligente, en Europa, donde lo más común es la distribución en baja tensión desde centros de transformación de media a baja tensión, se realiza mediante el uso de transformadores, presenta un principal impedimento para poder transmitir la información directamente desde el centro de control de la distribuidora eléctrica, hasta un contador. Las actuales soluciones estudiadas son varias y de diversa índole, en primer lugar se propone únicamente el uso de comunicaciones PLC en lo que se conoce como comunicaciones última milla (desde el centro de transformación hasta el contador inteligente). Ilustración 6: Diagrama de interfaces de una Smartgrid En el centro de transformación, se propone algún dispositivo de concentración (Se denominan concentrados para abreviar), los cuales, concentren todas las señales de los diferentes contadores inteligentes y las envié mediante otro medio de comunicación (principalmente fibra óptica), a los centros de control de las compañías distribuidoras eléctrica (a sus despachos de control). En los centros de transformación, se pretende también recoger información de varios y diversos medidores, sensores Estas comunicaciones, generalmente se realizan mediante cableado directo a la Remota RTU, y de aquí, no es complicado duplicarlas, y enviárselas al concentrador para que este las envíe también al centro del control de la distribuidora. Asi se puede tener una monitorización más completa del estado de la red de baja tensión, hasta el momento poco conocida y mucho menos, monitorizada. Los protocolos y medios de comunicación, desde el centro de control al centro de transformación, pueden ser varios. Generalmente dependiendo del país, cada distribuidora suele tener estándares privados y diferentes.
Algunas funcionalidades que se están consiguiendo con las redes inteligentes son las siguientes: Detección y validación automática de contadores conectados en la red. Programación remota de todos los parámetros necesarios para una correcta tarificación. Lectura de (V, I, P, Q, cos phi) y demás parámetros del contador inteligente, tanto para la tarificación como para la monitorización. Conexión y desconexión remota de contadores. Sincronización de los relojes de los contadores. Detección de cualquier fraude cometido en la red de media y baja tensión. Deslastres de cargas iniciados tanto por el centro de control como por alguna circunstancia que lo provoque. Gestión de la reactiva de diversos equipos en los que es necesario Un largo etc. Deberá existir una coherencia de todas estas nuevas mejoras con los planes de las empresas eléctricas. Pudiendo satisfacer no solo funcionalidades anteriores sino también: Garantía del suministro como demanda básica de los clientes. Calidad del suministro. Seguridad de las personas y el medio ambiente. Eficiencia energética de modo que comprometamos lo mínimo a las generaciones futuras. Como se muestra en la ilustración 3, otro de los aspectos claves a tener en cuenta en estas nuevas redes son los vehículos eléctricos. Debido al encarecimiento de los combustibles fósiles y la creciente producción de electricidad con fuentes renovables y, por otro, a la disponibilidad de baterías eléctricas con densidad de carga elevada y precios asequibles (tecnología de litio), se prevé una futura irrupción masiva de vehículos eléctricos a nivel mundial. Con capacidades iniciales del rango de 10 a 15 Kwh e intensidades de carga desde unidades de ka a varias decenas de ka, van a suponer un reto para las redes, que de ninguna forma deben bloquear esta penetración pues supondría una ineficiencia de dichas redes. Además de la planificación adecuada de las redes, los vehículos eléctricos requerirán un control de la carga (favorecer la carga de los vehículos cuando la red y la generación mejor la soporten) y el despliegue de nuevas infraestructuras (puntos de carga), con las funciones de medida y tarificación adecuadas. La comunicación con dichos dispositivos electrónicos, deberá realizarse también mediante comunicaciones PLC dado que estas opciones se situarán en la red de distribución de baja tensión.
2.5 Problemas presentes en este tipo de comunicaciones. No todas las tecnologías de comunicaciones son fiables al 100% y por tanto se presentan varios problemas que no siempre pueden sufragarse. El primer problema serio que ocurría en este tipo de comunicaciones era el ruido eléctrico, por un lado ya presente en los cableados domésticos debido a diversos factores, y por otra parte, el que se ocasiona cada vez que un dispositivo se conecta y se desconecta a la red produciendo ruido. El segundo problema se corresponde con el uso de transformadores en todo tipo de dispositivos. El uso de cualquier tipo de transformador es un impedimento en el sistema de comunicaciones. Las comunicaciones se ven alteradas a su paso por los transformadores, pasando a ser un sin sentido cada vez que se encuentran con uno. Cada vez que este un transformador presente, se dispondrá de un dispositivo anterior y otro posterior conectados que obtengan e inyecten de nuevo la señal en el sistema. Como consecuencia de ello, se encarece su uso llegando a descartarse en multitud de ocasiones y en proyectos con implantaciones masivas en las que hay muchos transformadores presentes en la red. Como tercer problema principal no se conseguía una estabilidad de las comunicaciones debido a la corriente trifásica en el cableado eléctrico. Actualmente se han incrementando el número de frecuencias portadoras para que la señal sea transmitida por el conductor neutro el cual es común a todas las fases. Los cables de la electricidad se comportan como antenas que generan la radiación electromagnética y esto provoca interferencias. Cabe destacar que para reducir al mínimo las posibles interferencias electromagnéticas (EMI), las redes de acceso PLC tienen que operar con una potencia de señal limitada, que a su vez puede reducir la tasa de datos del sistema. Con el fin de competir con otras tecnologías de acceso, sistemas de PLC tiene que garantizar mayores niveles de utilización de la red. Un control de acceso al medio (MAC), protocolo que maximiza la utilización de la red es lo que desea. En proyectos europeos de I+D, accedíamos a contadores inteligente mediante direcciones MAC, en ellos, solicitábamos el consumo instantáneo y diversos parámetros que son capaces de aportar. Así, mediante algunas bases de datos que asocien clientes con direcciones MAC se podrían realizar una facturación mucho más precisa que el actual sistema de facturación de las compañías eléctricas. Los campos electromagnéticos radiados de las líneas eléctricas también pueden provocar la interrupción de servicios críticos existentes de comunicación por radio. Debido principalmente, a que los cables eléctricos se pueden comportar como antenas bajo determinadas condiciones. Para ello, es necesario el desarrollo de sistemas PLC con bajos niveles de radiación electromagnéticas. Para ello, se utilizan acopladores ópticos para los módems de banda ancha de la línea de energía, con ello se reduce considerablemente las emisiones electromagnéticas. Existen actualmente ciertos estudios que correlacionan diferentes tipos de inyección de señales en el medio con reducciones de emisiones electromagnéticas Las señales de datos moduladas en los cables de energía eléctrica puede alterar la calidad de energía, lo que puede ser problemático para los dispositivos electrónicos o eléctricos de alta sensibilidad. Cabe destacar también finalmente que el medio físico de transmisión es la red eléctrica, por lo que si se produce un fallo en la red eléctrica, habrá un fallo en el enlace de comunicaciones. Siendo la topología de la red eléctrica y de las comunicaciones idénticas.
2.6 Configuración optima de sistemas PLC. Uno de los principales problemas de la tecnología PLC es la distancia a la que se puede transmitir datos con el medio. Como anécdota recuerdo unas pruebas en un centro de transformación aquí en Madrid en que recibíamos una señal de un contador eléctrico a casi 2 km de distancia del centro de transformación y no recibíamos nada de uno que se encontraba apenas a 300 metros. Como comprobamos anteriormente, el alto ruido eléctrico presente en las líneas de distribución no es el único problema al que nos enfrentamos. En la mayoría de los casos hay que optimizar el diseño de los dispositivos eléctricos para lograr la mejor combinación entre distancia, transmisión de datos, tasas de error en el envío de paquetes de datos y fiabilidad. Para un diseño óptimo, debemos prestar especial importancia a: La configuración de la modulación. Seleccionar cuidadosamente las frecuencias de modulación. Examinar los niveles de redundancia de los paquetes de datos enviados. Analizar los niveles de las señales correspondientes. Lo que determina la configuración óptima en temas de costes, rendimiento de datos, distancia de transmisión, minimización de tasa de error en el envío de paquetes de datos y la fiabilidad de las comunicaciones PLC es principalmente es principalmente la forma en la que los dispositivos estén configurados. Principalmente, la capacidad de configurar las frecuencias de modulación por canal, las portadoras disponibles en cada canal, la ganancia que tengan las señales, la atenuación que tenga cada canal, etc, son algunos de los factores críticos para obtener un equilibrio entre el rendimiento de datos, el rango de transmisión de paquetes de datos y la fiabilidad de un sistema PLC. Cabe destacar que la legislación de cada país, determina el número máximo de señales que se pueden transmitir por las líneas eléctricas. Estas normas especifican que los niveles máximos de señal promedio en toda la banda del canal está entre 55 y 500 KHz. Concluimos que existen grandes variaciones en las cantidades de ruido de unas líneas a otras, la distorsión de fase de las fases y la atenuación del canal. Por tanto, se requieren sistemas flexibles especialmente en las frecuencias, y en los sistemas de modulación, para poder mejorar la fiabilidad de las comunicaciones. 3. Conclusiones (Futuro y presente de la tecnología) Existen diversos proyectos de ámbito europeo en el que se estudian la implantación masiva de contadores inteligentes (SM), la comunicación con ellos (conocida como la última milla),y generalmente, se plantea mediante tecnologías PLC. Algunos ejemplos: Proyecto Open Meter (http://www.openmeter.com/). Proyecto centrado principalmente en la estandarización y requerimientos de contadores inteligentes. Proyecto Merge (http://www.ev-merge.eu/). Proyecto relacionado con el impacto que supondrá la integración de los vehículos eléctricos. También se proponen soluciones PLC para ciertas comunicaciones.
Proyecto OpenNode (http://www.opennode.eu/). Proyecto relacionado con la monitorización de la red de media y baja tensión. Se contempla el uso de la tecnología PLC para comunicaciones de última milla. Ilustración 7: Sistema de red inteligente propuesto en el OpenNode Project
Más detalladamente podemos ver los interfaces y modelos de datos en la siguiente ilustración. Ilustración 8: Interfaces de comunicaciones y modelos de datos del sistema propuesto en el OpenNode La apuesta principal de las distribuidoras y comercializadoras eléctricas por esta tecnología es debida al ahorro de las compañías, al ser los propietarios de las redes de distribución, no necesitan de ningún medio adicional para la transmisión de datos, en caso de que se utilizaran otro tipo de tecnologías, conllevaría un gasto. Durante los últimos años se ha intentado por parte de las principales distribuidoras eléctricas consensuar un estándar para este tipo de comunicaciones. Inicialmente, subvencionados por la unión europea, se crearon varios proyectos, uno de los principales fue el proyecto Open Meter, el cual especificaba los requerimientos para los nuevos contadores inteligentes. El proyecto dio sus frutos, pero a la hora de la toma de decisiones por parte de las compañías en las inversiones en contadores, hubo varias discordancias. La empresa Enel en Italia, fue la pionera en una implementación masiva de contadores, (a día de hoy han desplegado ya cerca de 32 millones de contadores). Su tecnología fue desarrollada por Echelon Corporation.
Referencias [1] http://www.opennode.eu/index.php/about-the-project.html [2] http://es.wikipedia.org [3] http://www.openmeter.com/ [4] http://www.ev-merge.eu/ [5] https://www.homeplug.org/home/ Todas las consultas fueron realizadas la semana del 23 al 29 de Abril de 2012