Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- Amir Ahmadzadeh, Consultor, DNV GL Energy
- Elena Henriquez, Consultor Senior, DNV GL Energy
Resumen
Muchos creen que la medición inteligente (Smart Metering) puede ser vista como el punto de partida hacia un concepto más amplio de las redes inteligentes (Smart Grids). Pero, ¿qué es un proyecto de Smart Metering? Nos gustaría responder a esta pregunta mediante la revisión de los casos de uso de medición inteligente más importantes, y posteriormente presentar, una visión general de las tendencias del mercado y las tecnologías disponibles. Haremos especial hincapié en el actual proyecto de despliegue de contadores inteligentes, en el que DNV GL participa junto con varias compañías eléctricas españolas, utilizando DLMS sobre PRIME. Las propiedades de este proyecto se asignarán a etapas específicas de un ciclo de vida. Destacaremos la interoperabilidad como una de las principales características de este proyecto, así como exploraremos sus requisitos de extremo a extremo. La creciente preocupación sobre la seguridad, reclama el abordaje de este sensible concepto. Al final, DNV GL compartirá sus puntos de vista sobre las futuras medidas sobre el proyecto de contadores inteligentes español.
Introducción
La lectura del consumo en los contadores ha evolucionado desde el método manual y local; a la lectura automática de contadores (AMR), y luego al Advance Meter Infrastructure (AMI) en tiempo real.
En 2009, una directiva de la UE encomendó la instalación de contadores inteligentes en el 80% de los contadores existentes antes de finales de 2020. Como resultado, varios despliegue están siendo llevados a cabo en diferentes países europeos liderados por conocidas empresas eléctricas, en cooperación con los fabricantes de contadores y los diseñadores de chips.
DNV GL participa activamente en varios proyectos de Smart Metering de todo el mundo, desde sus primeras etapas. En España, nuestro laboratorio de Madrid, actúa como organismo de certificación independiente para los diferentes elementos del setup de contadores inteligentes españoles, y nuestros servicios de consultoría juega un papel clave en la mejora de la especificación y pruebas de calidad.
Antecedentes y casos de uso
El Ciclo de Vida Genérico del Desarrollo del Sistema, SDLC en sus siglas en inglés, se ilustra en la siguiente figura. El mismo ciclo de vida también se aplica a los proyectos de medición inteligente.
- En la primera etapa, se define los casos de uso y se identifican los requisitos del sistema.
- En la siguiente fase, se completa el diseño del sistema con el desarrollo de especificaciones y la selección de los estándares (Nueva definición o normas existentes).
- La fase de implementación se inicia mediante el desarrollo de componentes prototipos, necesario para el buen desempeño del sistema y sus interfaces de conexión.
- La fase de prueba se puede clasificar en: pruebas de conformidad, pruebas de interoperabilidad, pruebas de rendimiento y, finalmente, prueba piloto. Tras el cumplimiento de las pruebas con resultado exitoso, se lleva a cabo la puesta en marcha y el despliegue.
- Se prevé la fase de la evolución para mantener actualizado el proyecto con los requisitos y / o mejoras emergentes.
Una clave para el éxito del proyecto es la presencia de retroalimentación continua a lo largo del ciclo de vida. En la definición de las especificaciones, pueden ser necesarias mejoras en la definición de casos de uso. Cuando ejecutamos pruebas, puede ser necesario realizar modificaciones y/o hacer aclaraciones respecto a las especificaciones. Las pruebas piloto pueden dar detalles valiosos sobre el rendimiento del sistema, que a su vez, puede requerir revisiones en las fases anteriores para asegurar la calidad. Pueden aparecer problemas imprevistos en un despliegue masivo que necesitan ser abordados en las especificaciones y deben tenerse en cuenta para las pruebas.
AMI permite la comunicación bidireccional hacia y desde los contadores, proporcionando a los distribuidores la posibilidad de integrar de extremo a extremo los datos de consumo del usuario a lo largo de su red y dentro de la red inteligente. Los datos de consumo en tiempo real pueden servir como una herramienta eficaz para la gestión de cargas en redes de distribución. Los pequeños generadores de energía renovable de uso doméstico, también tendrán la oportunidad de formar parte de una red mayor e interconectada, así como inyectar el exceso de producción a la red. Otro caso de uso es proveer al consumidor la gestión del consumo de energía en el hogar, mediante la conexión directa entre el medidor inteligente y la entidad de gestión de carga HAN para cargas domésticas. El consumo inteligente de energía ayudará al usuario final a reducir los costes.
Tendencias del mercado y tecnologías
En la figura 2, se podrá observar una ilustración sobre un informe de la Comisión Europea sobre el estado de las implementaciones de Contadores Inteligentes en diferentes países. Mientras que algunos países europeos están en etapa de planificación inicial, el despliegue de contadores inteligentes en otros países se encuentra en niveles avanzados. Las pruebas piloto están en curso en varios países y usan diferentes tecnologías, con el fin de seleccionar la solución adecuada para realizar su medición inteligente.
PLC y Radio son las tecnologías utilizadas en primera instancia para la lectura de los contadores inteligentes. La mejor opción (o una combinación de opciones) serán seleccionados en base al análisis de CAPEX-OPEX y estudios de rendimiento de proyectos piloto.
La transmisión de paquetes de datos sobre infraestructuras de telecomunicaciones inalámbricas, tales como GPRS y CDMA o sus versiones más nuevas y más rápidas HSPA y LTE (3G/4G) son ejemplo de las tecnologías de radio. La disponibilidad, cobertura y los costes de alquiler son las principales preocupaciones cuando se trata de elegir las tecnologías de radio. Se debe prestar especial atención a las medidas de seguridad, ya que en la mayoría de los casos, se comparte el medio con los usuarios públicos. Sin embargo, los beneficios de esta opción se resumen en ofrecer una comunicación general probada y más rápida.
Una forma práctica de clasificar a las tecnologías PLC para soluciones de medida inteligente puede basarse en el tipo de modulación portadora y el ancho de banda utilizado. Las tecnologías previas utilizaban técnicas Phase/Frequency Shift Keying (PSK / FSK), mientras que las tecnologías recientes en su mayoría utilizan la multiplexación por división ortogonal de frecuencia (OFDM) en beneficio de la distribución de los recursos a través de múltiples sub-portadoras.
Un ejemplo de tecnología PLC basado en S-FSK es el contador italiano instalado por Enel Distribuzione. Enel lidera el número de instalaciones PLC Medidor Inteligente con más de 30 millones de contadores en Italia. El grupo Endesa en España utiliza una comunicación PLC basado en la tecnología B-PSK. El protocolo de aplicación utilizado por Endesa se ??conoce como Meters&More.
Muestra de las tecnologías de banda estrecha, OFDM PLC son G3 y PRIME. La tecnología G3 está desarrollada por G3- Alliance. G3 es una solución liderado por ERDF con pilotos en curso en Francia y en los Países Bajos. La tecnología PRIME está definida y controlada por la PRIME Alliance, liderada en España por Iberdrola y GNF. El estándar PRIME especifica la capa PHY, la capa MAC y la capa de convergencia (IEC 4.32 e IP) para la transmisión de datos de banda estrecha a través de líneas de energía eléctrica. Revisaremos PRIME en mayor profundidad al explorar el proyecto de despliegue de contadores inteligentes en el que DNV GL participa junto con varias compañías eléctricas de España. Tanto G3 como PRIME están basadas ??en soluciones de estándares abiertos y se adaptan a DLMS (Device Language Message Specification), el estándar abierto internacional para la comunicación y el modelo de intercambio de datos, como el idioma común para los contadores inteligentes.
La banda ancha PLC (BPL) se utiliza sobre todo en comunicaciones MV, sin embargo, las soluciones para la lectura de contadores LV también se desarrollan sobre los estándares de Gigabit Home Networking para redes domésticas (G.hn) y las normas de Universal Powerline Association (UPA).
Independientemente de las tecnologías utilizadas, hay una serie de preocupaciones con respecto a la lectura de los contadores inteligentes, y una serie de conceptos que mejorarán los proyectos de medición inteligente. Entre ellos, vamos a explicar los requerimientos de seguridad y revisar los valores añadidos de interoperabilidad.
Seguridad en Contadores Inteligentes
Como consecuencia de la gran utilización de la tecnología digital y los medios de comunicación compartidos públicamente, las preocupaciones sobre la seguridad están aumentando entre los responsables de sistema de las empresas, así como a las partes interesadas en estos y a los usuarios finales. La figura 3 muestra las tendencias a aplicar en un flujo de comunicación normal y los asigna al ambiente de medición de los contadores.
La mayoría de los materiales disponibles en el área de la medida inteligente, introducen los siguientes 4 servicios para la protección de datos:
- Integridad: evitar la modificación de la información por personas no autorizadas
- Autenticación: determinar la verdadera identidad de un participante de la comunicación
- Confidencialidad: evitar la divulgación de la información a personas no autorizadas
- No rechazo: asegurar que una parte no pueda rechazar / refutar la validez de los datos
En el proyecto de contadores inteligentes, la privacidad de los datos de usuario también es otro tema a tratar. El proveer seguridad en los contadores inteligentes se basa principalmente en las asociaciones autorizadas en la capa de aplicación y el cifrado de transmisión de datos en la capa de aplicación (por ejemplo, DLMS) o las capas inferiores (por ejemplo, PLC). Tanto la autenticación como el cifrado, suponen que la comunicación y los nodos que responden ya están prevenidos respecto a compartir las claves únicas que se transmiten ya sea con anterioridad de una manera segura, o se adquieren a partir de una infraestructura segura de clave pública / privada. Otro reto de los contadores seguros es que la sobrecarga impuesta por los procedimientos de seguridad no afecten negativamente a la capacidad de comunicación del sistema.
Interoperabilidad
Como se mencionaba anteriormente otro aspecto importante en el despliegue de contadores inteligentes es la interoperabilidad. La interoperabilidad puede ser vista como un valor añadido para cualquier diseño del sistema. El marco estándar abierto motiva a un mercado competitivo donde el desarrollo de productos de múltiples proveedores contribuye a la mejora del sistema y tecnología detrás de este.
Hay un grupo de trabajo dedicado en la última estructura del Grupo de Coordinación de Red Inteligente (SG-CG) para la interoperabilidad, con el alcance de definir un enfoque metódico para lograr la interoperabilidad del sistema de redes inteligentes a través de la normalización, el diseño del sistema y las pruebas. El SG-CG define la interoperabilidad de la siguiente forma: “Interoperabilidad es la habilidad de uno o más equipos de un mismo fabricante o diferentes fabricantes para intercambiar información y usarla para una correcta cooperación”.
Lo que tiene sentido antes de la participación de múltiples componentes en las pruebas de interoperabilidad, es que los dispositivos han demostrado estar en conformidad con un conjunto mínimo de requisitos, especificaciones y / o normas. Este conjunto de requisitos se identifica generalmente como perfil. Un perfil deberá indicar claramente los requisitos obligatorios y diferenciarlos de los opcionales o condicionales. En base a esta definición, la conformidad de un producto contra una especificación / estándar puede ser clasificado como se muestra en la Figura 4.
En cuanto al concepto de interoperabilidad, si dos o más sistemas son capaces de comunicar e intercambiar datos, están mostrando una interoperabilidad sintáctica. Por otro lado, la interoperabilidad semántica es la capacidad de interpretar de forma automática la información intercambiada de manera significativa y precisa, con el fin de producir resultados útiles tal como han sido definidos por los usuarios finales de ambos sistemas.
Un tercer concepto también existe bajo el nombre de intercambiabilidad, que es la capacidad de dos o más dispositivos o componentes a ser intercambiadas sin hacer cambios en otros dispositivos o componentes en el mismo sistema y sin degradar el rendimiento del sistema. La intercambiabilidad es diferente de la interoperabilidad.
En la medición inteligente, los contadores de los usuarios finales son generalmente intercambiables dentro de un proyecto de despliegue específico, donde se utilizan los mismos modelos de datos y la tecnología. Dentro de los diferentes proyectos de despliegue, una situación de semi-interoperabilidad es buscada a través de la compatibilidad de datos.
El proyecto de despliegue español
Un grupo de empresas distribuidoras españolas (Iberdrola con más de 10 millones y Gas Natural Fenosa con 4 millones de clientes de electricidad y otras distribuidoras más pequeñas; Hidro Cantábrico-Grupo EDP, Cide, ASEME) conformaron el llamado «Consorcio Español» para establecer la base del proyecto de despliegue de Contadores Inteligentes en España. El consorcio, formado en 2009, fue el responsable de definir y mantener las especificaciones de casos de uso técnicos y para la selección de los protocolos de comunicación.
El estándar abierto internacional para la comunicación y el modelado de intercambio de datos, DLMS/COSEM, fue seleccionado como el idioma común de los contadores inteligentes y un perfil de compañía fue desarrollado por el consorcio. Las funcionalidades de la nueva generación de contadores inteligentes utilizados en el despliegue español no se limitan a la lectura a distancia de los contadores, también cubren una gran gama de funciones automatizadas, como el control de la demanda, actualización remota del firmware, control de calidad y detección de fraudes a través de alarmas espontáneas y eventos, así como una variedad de perfiles de datos para garantizar planes de consumo del usuario personalizados.
En este capítulo, se revisa la arquitectura y las tecnologías utilizadas en el proyecto español de contadores inteligente y revisamos el estado de despliegue.
Arquitectura
La arquitectura española para contadores inteligentes está diseñada de tal manera que se conecte al cliente y a la vez permita el monitoreo y control del MV-LV. El AMI español consta de 3 nodos principales:
- Contadores inteligentes hablando DLMS y ubicados en los hogares están en un extremo
- El sistema Head-End, también conocido como sistema central de gestión de datos, en el otro extremo
- El concentrador de datos (CD) que se encuentra en el centro de transformación.
Generalmente, todos los contadores por debajo de un centro de transformación están conectados en un único CD a través de la red PLC-PRIME. Los CDs se instalan en los centros de transformaciones y se conectan a los Head End de la distribuidora, a través de la WAN, ya sea a través de línea fija ADSL, MV-BPL o GPRS. La configuración y/o los comandos de recolección de datos se envían desde el Head End al CD utilizando mensajes en XML y a través de WebServices. Además de las solicitudes bajo demanda, el CD también puede utilizarse para ejecutar las tareas programadas, como la lectura diaria/mensual de los contadores.
El objetivo principal de esta estructura es dotar un flujo de datos fiable sobre la base de protocolos estándares abiertos y el uso de nodos de red de múltiples proveedores que inter-operan sin problemas.
Tecnología PRIME
El nombre PRIME tal vez es la palabra más utilizada cuando se habla de contadores inteligentes españoles. PRIME es una tecnología estándar abierta definida y mantenida por la Alianza PRIME.
Alianza PRIME es una asociación sin ánimo de lucro, creada en 2009 por ocho empresas. Hoy la organización cuenta con más de 60 empresas internacionales que van desde compañías eléctricas, fabricantes de soluciones para redes inteligentes y diseñadores de Chip. La comunidad contribuye a impulsar las especificaciones y normas PRIME. El “Smart Grid Data Communication Laboratory” de DNV GL es el laboratorio acreditado por Alianza PRIME para certificaciones PRIME.
Los primeros contadores PRIME fueron utilizados por dos de las principales compañías eléctricas españolas, es decir, Iberdrola y Gas Natural Fenosa, y posteriormente se extendió su uso al mercado ibérico y fueron utilizados por EDP en Portugal. En los últimos años, el uso de contadores PRIME se está expandiendo a otros mercados como Polonia, Brasil y Australia.
El estándar PRIME especifica la capa PHY, la capa MAC y la capa de convergencia (IEC 4.32 e IP) para la transmisión de datos de banda estrecha a través de líneas de energía eléctrica y opera en una banda de frecuencia de CENELEC con un ancho de banda de 47 KHz. En beneficio de la modulación OFDM, PRIME proporciona hasta 128kbps de tasa de velocidad de conexión para la transmisión de datos en líneas eléctricas. Consiste en una topología de árbol, con un nodo base (BN) en la parte superior del árbol y nodos de servicio (SN) que se registra directamente, o por medio de otro SN (s) al BN. Así, cada SN puede ser un nodo final o puede actuar como un repetidor para los otros SNs por debajo en el árbol. En la muestra en estudios de campo, la línea de conexión podría llegar a más de 1 Km, con 5 o más niveles de conmutación.
Estado de Implementación
Los pilotos de la nueva generación de contadores inteligentes se implementaron en 2010, y continuaron desde 2011 con el despliegue masivo Hoy en día, más de 3 millones de contadores inteligentes usando DLMS sobre PRIME, están siendo instalados en hogares españoles. El uso comercial y la facturación de los consumidores basado en las lecturas remotas de los contadores inteligentes están en marcha para una gran parte de aquellos instalados.
Como resultado de la reforma energética del gobierno español (2014 Q1), el precio fijo de la electricidad para los hogares fue eliminado. Los consumidores con contadores inteligentes van a pagar un precio determinado por el mercado para cada hora del día. El Ministerio de Industria ofrece una herramienta online donde los consumidores pueden introducir sus datos de consumo para comprobar si su factura es correcta y refleja los precios del mercado durante ese ciclo de facturación en particular. Por lo tanto, las empresas de energía deben comenzar a desarrollar nuevos planes de facturación y ofrecerlos a sus clientes.
Líneas futuras
Nuestro Laboratorio en Madrid ha proporcionado la base adecuada para adquirir un conocimiento técnico profundo y para confirmar la posición central de DNV GL dentro del mercado de contadores / red inteligente español. Nuestros consultores y expertos de laboratorio trabajan de la mano de sus clientes para detectar el potencial del mercado local y ampliar el soporte en sus necesidades en áreas de prueba y asesoría.
En este momento en el que despliegue español se encuentra en una fase avanzada, y los datos de los medidores en tiempo real ya está disponibles, se ha despertado un gran interés por las mejores soluciones prácticas para la gestión de datos con el fin de mejorar la preparación de análisis del sistema.
La presencia de estos datos abre muchas nuevas oportunidades para las empresas eléctricas españoles para pasar de una red de medición inteligente simple a una red inteligente completamente operada, utilizando los datos de uso disponibles para ofrecer servicios adicionales (seguridad) y permite a los consumidores optimizar su consumo de electricidad. DNV GL tiene el compromiso de facilitar tanto a las empresas de servicios públicos como a los proveedores, comprobar y certificar estas nuevas funciones y servicios en nuestro laboratorio de interoperabilidad.
El dinámico mundo de las redes inteligentes Smart Grids se está expandiendo día a día con las nuevas tecnologías y soluciones. Aparte de PRIME-PLC, las nuevas tecnologías emergentes, como DLMS sobre G3-PLC, banda ancha PLC y ZigBee, están diseñadas para ser utilizadas en otras soluciones de medición inteligente. Nuestros servicios de pruebas, certificación y asesoramiento se realizan independientemente entre sí.