Comunicación presentada al III Congreso Smart Grids:
Autores
- Jon Aguirre Valparis, Product Manager PLC, Ormazabal
- Aitor Amezua Ayarza, Director Técnico SmartGrids, Ormazabal
- Juan Antonio Sánchez, Director Técnico Protección y Automatización, Ormazabal
Resumen
El siguiente trabajo tiene como objetivo mostrar una solución de comunicaciones de banda ancha sobre líneas eléctricas de media tensión (MV-BPL, por sus siglas en inglés) desde una perspectiva de solución completa para despliegues masivos de automatización, monitorización y telegestión, describiendo sus requisitos, materiales y software de monitorización y gestión.
Palabras clave
Banda Ancha, PLC, BPL, Automatización, Monitorización, Telegestión, SmartMetering, Despliegue
Introducción
La red de distribución eléctrica está inmersa en un proceso de digitalización de sus Centros de Transformación. Promovidos inicialmente por los beneficios de disminuir los índices TIEPI y NIEPI, indicativos de la calidad de suministro. En la Media Tensión la evolución de los equipos de telecontrol [1] ha permitido pasar de equipos sencillos de apertura y cierre del interruptor a equipos avanzados también llamados IED (Intelligent Electronic Device). Por su parte, la Baja Tensión del Centro de Transformación está dotándose de equipamiento que permite recibir las lecturas de energía y curvas de carga de los contadores inteligentes y monitorizar variables de continuidad y calidad de suministro.
El incremento del número Centros de Transformación con equipos electrónicos, necesita de una infraestructura de comunicaciones cada vez más extensa y exigente. Existen diversas tecnologías de comunicaciones (MV-BPL, redes móviles de datos 2G/3G/4G, Fibra Óptica, Radio digital, etc.) cuya combinación permite habilitar el mayor número de servicios y cubrir toda la red de distribución eléctrica.
Este trabajo se concentrará en la solución MV-BPL completa, pensada para extender las comunicaciones IP de banda ancha desde una red troncal de banda ancha (e.g. fibra óptica, Xdsl, etc.) hasta los centros de transformación utilizando como medio de transmisión las líneas de Media Tensión.
El trabajo definirá las reglas de despliegue para alcanzar el funcionamiento deseado utilizando equipamiento Ormazabal, así como el conjunto de equipos y materiales que forman parte de la solución, sin dejar de lado un aspecto tan crítico a día de hoy como es la ciberseguridad.
Ante la instalación masiva de equipos de comunicaciones surge la necesidad de monitorizar y controlar estos equipos mediante un NMS (Network Management System) que facilite la tarea y que esté adaptado a las particularidades de la tecnología MV-BPL.
Evolución y necesidades del centro de transformación
Las inversiones en aparamenta que permitan disminuir el tiempo de reposición del suministro ante la ocurrencia de una falta, son estratégicas para mejorar los índices TIEPI y NIEPI. El telecontrol de centros de transformación está concentrando gran parte de las innovaciones.
Los despliegues de contadores inteligentes, por su parte, están dinamizando la evolución de las infraestructuras de comunicaciones asociadas, de las cuales se benefician la automatización y monitorización.
Aplicaciones en Media Tensión
El impacto directo del telecontrol en la mejora de la calidad de suministro, supone la instalación de cabinas motorizadas en centros de transformación para permitir la maniobra de forma remota y automática, ofreciendo la información del estado de la aparamenta y el control de la misma. La posibilidad de maniobrar de forma remota, permite recuperar gran parte del suministro de la red eficientemente, siempre que se tenga una detección y localización avanzada de la falta. Con el objetivo de mejorar en la detección, la inclusión de relés detectores de paso de falta a lo largo de la red ha demostrado ser de gran ayuda. Estos detectores han vivido su propia evolución, empezando como dispositivos simples con una función de sobrecorriente a tiempo definido. Hoy, con el objetivo de reconfigurar la red de forma automática, se debe asegurar el correcto funcionamiento de los equipos, de ahí la evolución del paso de falta hasta convertirse en un relé de sobrecorriente multi curva, detección de tensión y registro de sucesos. Para una detección de falta correcta, es de suma importancia disponer de precisión en la medida, de ahí el desarrollo de sistemas de medida adaptados al poco espacio que se dispone en los centros de transformación, resultando en transformadores de corriente instalados en fábrica alrededor de los pasatapas y sensores de tensión al embarrado de la celda o en el compartimento de cables. El incremento de las medidas y parámetros disponibles ha propiciado la necesidad de incluir servicios en la remota de telecontrol (RTU, Remote Terminal Unit) que van más allá del protocolo puro de telecontrol.
Debido a la criticidad de las funciones que se ejecutan remotamente y también de forma automatizada, un requisito relevante de la infraestructura de comunicaciones necesaria es su alta disponibilidad. Asimismo, la baja latencia es fundamental para garantizar la correcta actuación de los sistemas automatizados.
Aplicaciones en Baja Tensión
Al contrario que en la media tensión, donde la evolución de los sistemas ha sido progresiva, en la baja tensión la irrupción de los contadores (medidores) inteligentes o SmartMeters ha supuesto un cambio disruptivo en el diseño e implantación de nuevas infraestructuras relacionadas con la medida y facturación de energía a los clientes de las compañías de distribución eléctrica. Como es bien sabido, la facturación de la energía distribuida a los clientes, desde la lectura de los contadores hasta la emisión de la factura y cobro de la misma, es un proceso crítico de las empresas de distribución. Asimismo, este proceso, debido al impacto en el consumidor, está perfectamente regulado y controlado por las autoridades competentes.
Los objetivos fundamentales de los despliegues de contadores inteligentes son:
- Mejora del servicio: proveer a los consumidores de información precisa y frecuente sobre su consumo energético.
- Disminución de costes de gestión de las lecturas de contadores, la modificación remota de contratos y las operaciones de corte y reconexión remota.
- Mejora de la fiabilidad y frecuencia de la información.
- Disminución de las pérdidas del sistema y la detección de fraude.
- Habilitación de nuevos servicios y estructuras tarifarias que promuevan la adopción de medidas de eficiencia energética.
A diferencia del caso de la automatización de la media tensión, el principal requisito para las infraestructuras de comunicaciones para la baja tensión es el ancho de banda, debido al gran volumen de información transmitida. Otro aspecto relevante es que las comunicaciones deben dar cobertura a la totalidad de la red. Dado el carácter confidencial de la información relacionada con la lectura de contadores, la ciberseguridad es un requisito indispensable. Principalmente se requieren dos funcionalidades:
- Cifrado de la información mediante algoritmos de encriptación (p.e. 3DES, AES128, etc.)
- Autenticación remota de usuarios mediante protocolos de nivel de aplicación (p.e. LDAP, TACACS+, etc.)
Comunicaciones para el sector eléctrico
Durante el artículo se ha tratado de evidenciar la importancia de las comunicaciones y sus correspondientes servicios para dar soporte a la cantidad de información que se está generando en los centros de transformación.
Medios de comunicaciones
La necesidad de comunicar un gran número de centros de transformación, plantea la necesidad de combinar infraestructuras de comunicaciones privadas con los servicios públicos de las operadoras públicas [2]. Dado que no existe una tecnología dominante en el plano técnico/económico, en la actualidad se están realizando despliegues con GPRS, PLC-MT, xDSL, Radio Digital, Fibra Óptica, etc., escogiendo y combinando varias tecnologías dependiendo de factores como la ubicación, tipo de instalación o disponibilidad de servicios públicos para cubrir todo el segmento de la red de distribución. Centrándonos en el plano técnico, destacan los siguientes requerimientos:
- Seguridad para evitar ataques cibernéticos que expongan las infraestructuras eléctricas.
- Incremento del ancho de banda para transmitir la información generada.
- Alta disponibilidad y fiabilidad para disponer de las comunicaciones cuando más se las necesita (blackouts).
- Flexibilidad y escalabilidad para dar soporte a necesidades actuales y futuras.
- Baja latencia para aplicaciones de automatización y protección.
Servicios de comunicaciones
La disponibilidad de una red de comunicaciones de calidad, permite a los equipos instalados hacer uso de varios servicios de comunicaciones. A continuación, se describen los más demandados en el sector:
- Servidor Web: página web (segura vía HTTPS) con toda la información de la instalación, parámetros y configuración de equipos, especialmente útil para brigadas de mantenimiento.
- SSH: Acceso seguro a la consola del equipo.
- TACACS+ o LDAPS: Sistema de autenticación para controlar el acceso de los usuarios al equipo.
- NTP: sincronización horaria. Utilizada para aplicar una estampa de tiempo a sucesos, pasos de falta y alarmas permitiendo así poder comparar los generados entre varios centros.
- SFTP: recepción o transmisión de ficheros (configuración, FW, etc.) con los sistemas de la compañía.
- DHCP: El equipo puede acceder a un servidor DHCP para obtener una IP de manera dinámica.
- Servicios Web: Es la interfaz con los sistemas de la compañía que permite la configuración del equipo, actualizaciones firmware automática, etc.
En la actualidad, varios productos ya hacen uso de estos servicios de comunicaciones. A continuación, se presenta como ejemplo los utilizados por la remota de telecontrol:
Comunicaciones mediante líneas eléctricas MT
La solución de comunicaciones de banda ancha que a continuación se va a presentar ofrece extender un punto de acceso (o más de uno si se quiere disponer de redundancia [3]) a varios centros de transformación mediante el uso de tecnología PLC en la media tensión. Para ello, se deberá instalar equipamiento de comunicaciones PLC en varios centros de transformación adyacentes.
Arquitectura y reglas de despliegue
Con más de 10.000 equipos de comunicaciones PLC de Media Tensión desplegados [4], a continuación se presentan las condiciones de despliegue conservadoras que garantizan el buen funcionamiento de la solución para despliegues a gran escala. La arquitectura o conjunto de centros de transformación puede ser en estrella o en cadena, pero no se recomienda instalar una célula con más de 15 centros seguidos o más de 20 en todo su conjunto. La estabilidad de la célula está gobernada por un equipo maestro, denominando repetidores al resto de equipos. Por eficiencia, se recomienda instalar el punto de acceso de la célula en el mismo CT que el maestro. Técnicamente, la tecnología permite utilizar un ancho de banda de 2 hasta 34 MHz con una velocidad máxima de hasta 200 Mbps. En la práctica, los cables de Media Tensión no se desarrollan con el principal propósito de utilizarlos como canal de comunicaciones, y por lo tanto, la atenuación que presenta el cable para unas distancias razonables de despliegue, no permite utilizar todo el ancho de banda de la tecnología.
Durante el desarrollo de productos PLC enfocados a la Media Tensión, se llevaron a cabo extensos ensayos en campo con el objetivo de determinar las condiciones óptimas para despliegues masivos (conservadoras para garantizar su funcionamiento) y límites propios de la tecnología, llegando a concluir en 2 bandas óptimas de funcionamiento: 2-7MHz y 8-18 MHz. La siguiente tabla muestra las distancias máximas de despliegue recomendadas en función del modo de frecuencia utilizado:
Destacar que se trata de distancias conservadoras que aseguran el funcionamiento en grandes despliegues. Para enlaces con distancias mayores se recomendaría validar la viabilidad del enlace, lo que resta flexibilidad a la hora de desplegar la solución.
Se han presentado las reglas de despliegue para una sola célula. Como se disponen de 2 frecuencias, para instalar una célula contigua y evitar interferencias entre células, se debe utilizar el segundo modo disponible. De instalar una tercera célula hay que repetir modo de frecuencia, por lo que se debe tener en cuenta una distancia de guarda mínima entre células utilizando el mismo modo.
Componentes necesarios
Con el objetivo de lograr una independencia del estado de la aparamenta de corte de la red para disponer de las comunicaciones en todo momento, los acopladores PLC deberán instalarse antes del interruptor (lado de cables). Existen diversas tecnologías para inyectar una señal PLC en la media tensión, distinguiendo principalmente entre acopladores de tipo capacitivo e inductivo. La solución presentada en este paper sólo contempla la utilización del acoplador capacitivo, el cual se considera un elemento robusto de comportamiento predecible. Se debe tener en cuenta que el acoplo se va a instalar en un entorno con dimensiones reducidas. Es así que para cabinas aisladas en SF6, se instalarán en la borna en T del cable de Media Tensión, disponiendo de geometrías tanto para bornas tipo C EN-50181 como para bornas ANSI/IEEE 386. En cuanto a los requisitos técnicos, los acopladores deberán superar los ensayos clásicos de aislamiento demandados en el sector eléctrico, siendo la norma IEC-60044-7 una referencia para descargas parciales, frecuencia industrial o impulso tipo rayo.
La automatización también está aprovechando la flexibilidad que aporta el reducido espacio de estos sensores electrónicos, alcanzando una precisión en la Medida de Tensión comparable a los transformadores de tensión. En cada centro de transformación de la célula PLC debe instalarse un Modem que utiliza una modulación OFDM con hasta 1.536 portadoras en las frecuencias configurables de 2 a 34MHz con una potencia de salida máxima de 24dBm. La comunicación PLC será gobernada por un Modem definido como Maestro, quién controlará el acceso al medio de transmisión del resto de los equipos.
Además de las características PLC, el equipo es capaz de gestionar VLAN para segregación de dominios de colisión y redes lógicas, RSTP para gestión de enlaces redundates y priorización del tráfico vía QoS. En cuanto a las características de acceso al equipo, la ciberseguridad cobra una importancia vital, asegurando el acceso a la página web mediante HTTPS, acceso remoto a consola con SSH, control de accesos vía TACACS+ y transferencia de ficheros seguros con el protocolo FTPS.
El último apartado a tener en cuenta para despliegues a gran escala es el armario donde irán los equipos, los cuales incluirán fuente de alimentación y cargador de baterías para garantizar la comunicación de la célula PLC incluso en casos de ausencia de tensión MT.
Gestión y monitorización de equipos desplegados
Cuando el número de dispositivos desplegados es muy elevado, no es práctico monitorizar cada uno de ellos por separado. Para la monitorización de equipos de comunicaciones, se emplean software de gestión denominados NMS (Network Management System). Las responsabilidades del NMS serán las siguientes:
- Gestionar la red de comunicación entre los dispositivos y hacer seguimiento de los equipos que se conectan a esta red (pudiendo llegar a incluir equipos de otras tecnologías más allá de PLC).
- Hacer seguimiento de equipos y comandarlos.
- Provisionar nuevos equipos, generar estadísticas de red y monitorizar su desempeño.
- Gestionar la seguridad de la comunicación.
- Disponer de capacidad para ser integrada con sistemas que ya tengan las eléctricas desplegadas en las mismas áreas.
Dada la peculiaridad que supone una célula PLC, donde un grupo de equipos es gobernado por un maestro y por lo tanto las células desplegadas pueden entenderse como islas, se ha particularizado un software de gestión de equipos de comunicaciones para esta casuística en concreto.
Use Case Fibra Óptica + BLP
Durante el artículo se ha evidenciado que a corto plazo no es posible implementar comunicaciones de alto rendimiento, cómo la fibra óptica, a lo largo de toda la red de Media Tensión a un coste sostenible. Tampoco es recomendable el uso de tecnologías (como el GSM, GPRS o Radio Digital) que son más sencillas de instalar, pero en muchos casos no proporcionan el rendimiento necesario para los diferentes servicios demandados en el ámbito de compañías eléctricas.
La tabla muestra una comparativa entre una red de datos GPRS pública y una célula PLC.
Figura 5. Célula Fibra óptica.
Es así que se propone combinar la fibra óptica instalada en una única instalación y extender este punto de acceso mediante BPL a un gran número instalaciones y por lo tanto cubrir gran parte de la Media Tensión mediante tecnología de banda ancha.
Además, de querer dotar de redundancia a la red BPL [5], cabe la posibilidad de instalar un Modem GPRS como back-up de las comunicaciones en caso de fallos.
Conclusiones
En el presente trabajo se ha presentado una solución de comunicaciones contrastada por la cantidad de equipos ya instalados en campo. El artículo introduce las necesidades de comunicaciones que los equipos electrónicos están generando alrededor del centro de transformación para dar respuesta a los requerimientos tanto de Media Tensión como de Baja Tensión. La solución de comunicaciones propuesta utiliza las líneas eléctricas de media tensión, como medio transmisor, para ofrecer una infraestructura de comunicaciones de banda ancha entre centros de transformación, extendiendo la red troncal de banda ancha (p.e. fibra óptica, Xdsl, etc.) hasta los centros de transformación.
Referencias
- [1] H. Baroja, J. A. Sanchez, I. Martin, “Nuevos conceptos para automatización de centros de transformación MT/BT. Soluciones: Functiones y productos”, CLADE 2012.
- [2] G. Amann, L. Andersson, A. Amezua, “Resultados experimentales de tecnologías de comunicaciones para Smart Grid”, CIDEL 2014
- [3] Marta Solaz, Javier Simón, Alberto Sendín, Lars Andersson, Mikko Maurer, 2014, «High Availability Solution for Medium Voltage BPL Communication Networks», IEEE ISPLC 2014.
- [4] A. Amezua, M. Maurer, L. Andersson, A. Sendin, J. Simon, M. Solaz, “MVBPL – Reliable, future proof and cost efficient”, CIRED 2015.
- [5] M. Solaz, J. Simón, A. Sendín, L. Andersson, M. Maurer “High Availability Solution for Medium Voltage BPL Communication Networks”.