Redes de comunicación para Smart Grids

Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:

Autores

• Miguel Seijo, Universidad Carlos III de Madrid
• Javier Matanza, Universidad Pontificia Comillas – ICAI
• Gregorio López, Universidad Carlos III de Madrid
• José Ignacio Moreno, Universidad Carlos III de Madrid
• Fernando Martín, Unión Fenosa Distribución

Resumen

El despliegue de redes de comunicaciones en la infraestructura de distribución eléctrica de media y baja tensión representa una pieza clave en las Smart Grids, por lo que es especialmente relevante disponer de herramientas para evaluar y planificar estos despliegues. El objetivo de este artículo es presentar las herramientas para evaluación y planificación de redes de comunicaciones que están siendo desarrolladas en el ámbito del proyecto PRICE-GEN. Concretamente se está trabajando en: una implementación de PRIME en OMNeT++ que será validada en escenarios de laboratorio y desplegados en campo; una herramienta basada en Matlab que calcula el retardo de los nodos de una celda BPL al troncal en base a una serie de parámetros característicos.

Introducción

Las Smart Grids suponen una revolución especialmente para la distribución y el consumo de energía, ya que, por un lado, es en las redes de MT (Media Tensión) y BT (Baja Tensión) donde se introducen los cambios más radicales (p. ej., penetración de generación distribuida basada en renovables, penetración de coche eléctrico, gestión activa de la demanda) y, por otro lado, la gestión de la red eléctrica tradicionalmente ha considerado la generación a gran escala, el transporte y la distribución hasta el nivel de las subestaciones primarias, no preocupándose de la MT y la BT. Las TICs (Tecnologías de la Información y las Comunicaciones) representan la principal clave para abordar los retos que conlleva dicha revolución, en la medida en la que son imprescindibles tanto redes de comunicaciones que permitan intercambios masivos de información en casi tiempo real, como herramientas para procesar grandes volúmenes de información en intervalos de tiempo reducidos que permitan tomar las decisiones oportunas a su debido momento.

Respecto a la pregunta de cuáles son la arquitectura y las tecnologías de comunicaciones más adecuadas, no existe una respuesta única, ya que esto depende de muchos factores, tales como los servicios que se quieran ofrecer, las características de la propia infraestructura eléctrica o la regulación específica de cada país. Existen por lo tanto múltiples soluciones que van, desde arquitecturas de comunicaciones monolíticas basadas en una única tecnología (p. ej., soluciones basadas exclusivamente en comunicaciones celulares), hasta arquitecturas de comunicaciones jerárquicas y heterogéneas que involucran varias tecnologías dependiendo de los requisitos específicos de cada uno de los segmentos de red que comprenden (presentando éstas últimas, en general, mayor flexibilidad y escalabilidad).

Esta problemática pone de manifiesto la importancia de disponer de herramientas que permitan decidir cuáles son la arquitectura y tecnologías que mejor se adecuan a una situación concreta sin incurrir en los elevados costes de desplegarlas en campo, minimizando así los riesgos de inversión, y que faciliten su posterior planificación y despliegue, lo que redundará en la mejora del servicio al usuario.

El principal objetivo de este artículo es presentar las herramientas para evaluación y planificación de redes de comunicaciones en las que se está trabajando dentro del ámbito del proyecto nacional de demostración PRICE-GEN (PRICE, 2014). Más concretamente, las dos líneas de investigación en las que se están trabajando consisten en: (1) una adaptación de la implementación de PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) en OMNeT++ desarrollada en (Matanza, 2013) a los requisitos específicos del proyecto PRICE-GEN, que será validada tanto en escenarios de laboratorio como desplegados en campo; (2) una herramienta basada en Matlab que permita calcular retardos entre nodos de una celda BPL (Broadband Powerline Communications) en base a una serie de parámetros característicos.

El resto del artículo está organizado de la siguiente manera. La sección 2 describe brevemente el proyecto PRICE (Proyecto Conjunto de Redes Inteligentes en el Corredor del Henares), prestando especial atención a la arquitectura de comunicaciones para AMI (Advanced Metering Infrastructure) definida en el sub-proyecto PRICE-GEN y justificando los motivos por los que se decide desarrollar herramientas para PRIME y BPL. En la sección 3 se resumen las principales características de ambas tecnologías. La sección 4 se centra en describir dichas herramientas. La sección 5 resume las principales conclusiones del artículo y las líneas de trabajo futuras.

El proyecto Price

El proyecto PRICE es un proyecto nacional de demostración financiado a través del programa INNPACTO que abarca los principales retos tecnológicos de las Smart Grids a través de cuatro sub-proyectos (PRICE, 2014). Este artículo en concreto se encuentra enmarcado dentro del ámbito de PRICE-GEN, que representa uno de los proyectos de AMI de referencia tanto a nivel nacional como internacional.

La Fig. 1 muestra una visión global de la arquitectura de comunicaciones para AMI considerada en PRICE-GEN, que ha sido diseñada para ajustarse tanto a requisitos específicos de las comunicaciones para Smart Grids como a las diferentes tipologías de red presentes en este tipo de despliegues.

Se trata de una arquitectura de red jerárquica y heterogénea que comprende a su vez tres configuraciones de red (identificadas como (A), (B) y (C) en la Figura 1), compuestas por uno o varios segmentos de red en los que se emplean diferentes tecnologías de comunicación. La configuración (A) es la que se utiliza en la mayoría de los casos. Se trata de una arquitectura jerárquica a dos niveles que utiliza PRIME para la comunicación entre los Contadores y el Concentrador, situado en el CT (Centro de Transformación), y una tecnología de área extendida (típicamente GPRS o UMTS) para la comunicación entre los Concentradores y el Sistema de Información. En base a análisis de coste beneficio que involucran tanto aspectos técnicos como económicos, hay ocasiones en las que conviene utilizar la infraestructura eléctrica de MT como red de comunicaciones. Éste es el caso que representa la configuración (B), en la que determinados CTs se agrupan formando una celda BPL, a través de la que envían los datos hasta un CT (denominado Troncal) que hace de pasarela hacia el Sistema de Información. Por último, la configuración (C) se trata de una solución especialmente indicada para casos singulares tales como entornos donde la red de BT es de muy baja calidad o para CTs con muy pocos clientes (p. ej., entornos rurales). (López et al, 2013) incluye una descripción detallada y discute las ventajas e inconvenientes de cada una de estas configuraciones de red.

Se decide trabajar en herramientas para evaluación y planificación de redes PRIME y BPL por los siguientes motivos: (1) son las tecnologías más novedosas y menos maduras de las consideradas, por lo que sus comportamientos son los que presentan más incertidumbre; (2) ambas tecnologías son de especial interés en entornos de Smart Grids, en general, y de AMI, en particular, y están siendo ampliamente desplegadas tanto a nivel nacional como internacional (p.ej., EEUU, Brasil, Australia).

Resumen de las tecnologías de comunicaciones consideradas

PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution)

PRIME es una tecnología NB-PLC (NarrowBand PLC) de segunda generación cuya especificación ha sido liderada por la PRIME Alliance, aunque las especificaciones de las capas PHY (PHYsical), MAC (Medium Access Control) y de Convergencia han sido aceptadas como estándar por la ITU-T (G.9904, 2012).

A nivel PHY, PRIME opera en la banda CENELEC-A (concretamente entre los 41 KHz y los 89 KHz) y utiliza OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) como modulación, pudiendo alcanzar tasas de transmisión de hasta 130 Kbps.

A nivel MAC, se definen dos tipos de nodo: Nodo Base y Nodo de Servicio. El Nodo Base representa el coordinador de una red PRIME. Sólo puede haber un Nodo Base en cada red PRIME (en nuestro caso, el Concentrador desempeña el papel de Nodo Base). Los Nodos de Servicio pueden funcionar sólo como Contadores o como Contadores y Conmutadores (SWs – Switches). Los SWs son repetidores cuyo principal objetivo es aumentar la cobertura y el rendimiento de la red. En cuanto al acceso al medio, aunque el estándar define un período libre de contienda y un período con contienda, en la práctica sólo se implementa el período con contienda, en el que se utiliza CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/ Colission Avoidance) como técnica de acceso al medio.

La capa de Convergencia se sub-divide en dos sub-capas: (1) CPCS (Common Part Convergence Sublayer), que es responsable de adaptar los tamaños de trama de las capas superiores y de la capa MAC; (2) SSCS (Service Specific Convergence Sublayer), que permite soportar varios protocolos de nivel superior.

A nivel de aplicación, todas las tecnologías NB-PLC (PRIME, G3, Meters & More, OSGP – Open Smart Grid Protocol) utilizan DLMS/COSEM. DLMS/COSEM (Device Language Message Specification/Companion Specification for Energy Metering) especifica un modelo de datos diseñado a medida para contadores de energía junto con un mecanismo de comunicación basado en mensajes para intercambiar dichos datos.

BPL (Broadband Powerline Communications) – Estándar IEEE 1901

Los dos principales estándares que especifican las comunicaciones BPL sobre cables de MT son IEEE 1901 e ITU-T G.9960 (o G.hn) (Galli et al, 2011). El trabajo presentado en este artículo se basa en IEEE 1901 (IEEE 1901, 2010), por ser el estándar que se utiliza en las redes BPL consideradas en PRICE-GEN.

El estándar IEEE 1901 contempla una especificación PHY/MAC basada en FFT y una especificación PHY/MAC basada en Wavelet. Asimismo, el estándar especifica comunicaciones de banda ancha indoor sobre cable de BT y de banda ancha sobre cable de MT. La herramienta que se presenta en este artículo se basa en la especificación PHY/MAC basada en FFT para redes eléctricas de MT.

A nivel PHY, IEEE 1901 utiliza también OFDM como modulación. En teoría, se opera en el rango de frecuencias entre 2 y 30 MHz, aunque en la práctica se utilizan sólo dos modos (modo 1 – entre 2 y 7 MHz – y modo 2 – entre 8 y 18 MHz), pudiendo alcanzarse tasas en torno a las decenas de Mbps, aunque esto depende de muchos factores, como el tipo de cable o la distancia entre CTs.

En IEEE 1901 se definen tres tipos de nodos: HE (Head-End), RPs (Repeating Stations) y NTUs (Network Termination Stations). Las NTUs funcionan como pasarelas hacia otras redes “hacia abajo” (las de BT en nuestro caso); las RPs funcionan como estaciones repetidoras; y la HE coordina las comunicaciones en la celda y funciona como pasarela hacia otras redes “hacia arriba”. En la práctica, sin embargo, el papel del HE se desacopla en dos nodos: el Maestro, que se encarga de coordinar las comunicaciones en la celda; y el Troncal, que funciona como pasarela hacia el Sistema de Información. Esto se debe a que los criterios de elección de Maestro y Troncal son diferentes: como Maestro en principio se elegirá aquel nodo que esté en media a menor distancia del resto de los nodos; mientras que la elección del Troncal se basará en el equipamiento de comunicaciones con los que cuente cada CT. Es posible que el papel de Maestro y de Troncal lo desempeñe el mismo nodo, tal y como se define en el estándar.

A pesar de que la topología física de las redes de MT suele ser mallada y en anillo, la topología lógica de una celda BPL es un árbol jerárquico. Según se define en el estándar, dicho árbol puede ser distinto para el tráfico de señalización y para el de datos, ya que para el primero se utilizan las modulaciones más robustas y para el segundo las que permiten tasas más altas (Goldfisher & Tanabe, 2010). En la práctica, sin embargo, la topología se configura manualmente. La Fig. 2 muestra un ejemplo de celda BPL.

A nivel MAC, se define un periodo con contienda, donde se utiliza CSMA/CA, y un periodo libre de contienda, donde se utiliza TDMA. En este caso, es el periodo libre de contienda el que se utiliza para enviar datos, contemplándose tres variantes de TDMA: TDMA centralizado, en el que el Maestro se encarga de reservar slots de tiempo a lo largo de todos los caminos entre todos los nodos y el Troncal; TDMA dinámico con sondeo, en el que el Maestro fija la planificación de los slots al principio de cada periodo de envío en base al sondeo que realiza; TDMA distribuido, en el que el Maestro sólo asigna slots a los nodos que están a un salto de él y delega la responsabilidad de hacerlo en el resto de RPs.

Descripción de las herramientas desarrolladas

Herramienta para PRIME

La herramienta desarrollada para evaluación y planificación de redes PRIME se basa en OMNeT++, un simulador de redes de comunicaciones modular basado en eventos discretos. Como se ha comentado en la Introducción, se parte de la implementación de PRIME para OMNeT++ desarrollada en (Matanza, 2013). Tal y como se explica en detalle en el capítulo 7 de (Matanza, 2013), en esta implementación el nivel físico se modela mediante curvas de SNR frente a BER, obtenidas utilizando Matlab, que dependen del CS (Coding Scheme) utilizado. Así, siendo conocidos la potencia de transmisión y el nivel de ruido base, cuando un nodo envía un mensaje a otro, se calcula la potencia recibida en base a una matriz de atenuaciones. Con la potencia recibida y la potencia de ruido base se obtiene la SNR y a partir de ésta, la BER (tasa de error de bit), que se utiliza para decidir si cada uno de los bits recibidos es erróneo o no. Este modelo de PRIME también implementa la capa MAC según se especifica en (G.9904, 2012) y permite enviar mensajes de longitud variable a nivel de aplicación.

Para la adaptación de esta implementación a los requisitos de PRICE-GEN se ha colaborado con el LINTER (Laboratorio de Integración de Redes) de Gas Natural Fenosa, que cuenta con un laboratorio donde coexisten contadores con concentradores de distintos fabricantes así como equipos de consumo y de generación, reproduciendo, en un entorno controlado, una red real de BT. La metodología que se ha seguido para ajustar el simulador ha consistido en: (1) capturar la topología al comienzo de una prueba en laboratorio; (2) ejecutar la prueba midiendo el tiempo necesario para completar la instrucción de lectura de los datos de un día para todos los contadores; (3) capturar la topología al final de la prueba; (4) simular la topología antes y después de la prueba y comparar el tiempo obtenido para tomar la medida de todos los contadores en ambos casos con el medido en el laboratorio.

Para seguir dicha metodología, ha sido necesario modificar el simulador para forzar las topologías deseadas, ya que en la versión inicial la topología se formaba en base a la calidad de la señal, permitiendo fijar el papel de SW en determinados nodos para evaluar su efecto en el rendimiento de la red. Asimismo, en todas las simulaciones se ha fijado DBPSK FEC ON como CS, debido a que es el que implementan contadores y concentradores en la práctica. En cuanto a las atenuaciones, en principio se ha optado por una aproximación escalonada en la que se asignan un mismo valor de atenuación para todos los nodos que están al mismo nivel de uno dado, otro para con todos los que están a un salto, e infinito para con el resto y con uno mismo.

Herramienta para BPL

Para desarrollar esta herramienta se consideró inicialmente OMNeT++. Sin embargo, se descartó debido a la complejidad de implementar TDMA y a que TDMA hace que las comunicaciones sean deterministas. A continuación se barajaron dos opciones: Excel o Matlab. Finalmente se decidió implementar la herramienta en Matlab por ser más adecuado para trabajar con matrices y por presentar la posibilidad de generar un ejecutable que facilita su utilización en cualquier entorno.

Como ya se ha comentado, el objetivo de la herramienta desarrollada es calcular los retardos de envío de datos de todos los nodos de una celda BPL al troncal dependiendo de una serie de parámetros de entrada, que se analizan a continuación. (1) Celda BPL considerada: este parámetro incluye un vector con los identificadores de los nodos de la celda y una matriz de distancias de dimensiones NxN, siendo N el número de nodos de la celda, cuyas filas especifican las distancias (en m) desde el nodo en cuestión al Troncal salto a salto. (2) Banda, pudiendo seleccionarse el Modo 1 o el Modo 2. (3) Ruido: modelo de ruido de fondo para un peor y mejor caso según se especifica en (IEEE 1901, 2010). (4) Atenuación: posible atenuación introducida por los cables (dB/m), los empalmes (dB) y/o los acoples de los equipos de transmisión (dB). (5) Smart notching: si se utiliza esta técnica para combatir posibles interferencias, se asume una penalización en la tasa de transmisión del 23 %, tal y como se indica en (Schwager, 2012). (6) Constelación: en esta opción se presenta un desplegable – que depende de la banda – en el que se puede seleccionar la modulación y la tasa (en bps) calculada en base a (IEEE 1901, 2010). (7) Tamaño paquete: Tamaño de los paquetes de capa de aplicación enviados en Bytes.

En base a todos estos parámetros de entrada y utilizando como referencia la especificación IEEE 1901 junto con hojas de características de equipos reales, se obtiene un vector que muestra los retardos de cada nodo de la celda al Troncal.

Para validar los resultados de la herramienta, se ha contado con datos de dos celdas BPL reales proporcionados por Iberdrola, en las que se han medido retardos de ciertos nodos al Troncal un número representativo de veces (> 100). A partir de estos datos, se calculan intervalos de confianza con los que se compararán los resultados obtenidos en la herramienta.

Conclusiones y trabajos futuros

En este artículo se han presentado las herramientas para evaluación y planificación de redes PRIME y BPL que están siendo desarrolladas dentro del ámbito del proyecto PRICE-GEN.

Respecto a la herramienta para PRIME, la primera conclusión que se obtiene en base al análisis de las trazas obtenidas en el laboratorio es que se trata de un entorno de comunicaciones relativamente hostil, lo que provoca que no se converja a una topología de red estable, como demuestra la diferencia de topologías capturadas al principio y al final de las pruebas, si bien en la práctica se comprueba que, en general, la tecnología cubre las prestaciones necesarias para operar y leer contadores de forma remota. En cuanto a la comparativa entre los resultados medidos en el laboratorio y los obtenidos en el simulador, las diferencias iniciales han resultado considerables. Sin embargo, después de ajustar ciertos parámetros, como el tamaño de los segmentos (que se ha detectado que varía de unos contadores a otros) o el tamaño de la ventana de transmisión, los resultados se han aproximado. Por lo tanto, los siguientes pasos respecto a esta línea de investigación consistirán: por un lado, en simular los escenarios considerados hasta el momento variando una serie de parámetros para evaluar cómo afectan al tiempo de lectura; y, por otro lado, en realizar una serie de pruebas en el laboratorio y en campo que posteriormente serán simuladas para comparar los resultados obtenidos.

Respecto a la herramienta para BPL, los resultados obtenidos aún están lejos de los intervalos de confianza calculados a partir de los datos medidos en las dos celdas BPL reales, debido a que se le ha asignado a cada nodo la tasa de transmisión máxima de la celda en lugar de la efectiva de un canal TDMA. Por lo tanto, los siguientes pasos respecto a esta línea de investigación consistirán en averiguar cuál de las variantes TDMA que contempla el estándar se utiliza en la práctica, adecuar la tasa de transmisión en cada nodo en consecuencia y comparar los resultados obtenidos con los intervalos de confianza de referencia.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el Ministerio de Economía y Competitividad español a través del programa INNPACTO dentro del proyecto PRICE-GEN (IPT-2011-1507-920000). Los autores de este artículo agradecen el apoyo y colaboración del resto de socios del consorcio PRICE-GEN: Arteche, CIRCE, Current Iberia, Iberdrola Distribución, UC3M, Unión Fenosa Distribución y ZIV Metering Solutions.

Referencias

• A. Schwager, “Powerline Communications: Significant Technologies to become Ready for Integration”. 2010.
• G. López, F. J. Herrera, J. I. Moreno, F. Martín, M. Bocos, “Arquitectura de red para despliegues masivos de Infraestructuras de Medición Avanzada”, JITEL 2013: XI Jornadas de Ingeniería Telemática, Granada, Spain, October 2013.
• ITU-T G.9904. “Narrowband orthogonal frequency division multiplexing power line communication transceivers for PRIME networks”. October 2012.
• IEEE 1901. “IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications”. December 2010.
• J. Matanza, “Improvements in the PLC systems for Smart Grids environments”, October 2013.
  Sitio oficial del proyecto PRICE.
• S. Galli, A. Scaglione, Z. Wang, “For the Grid and Through the Grid: The Role of Power Line Communications in the Smart Grid”, Proceedings of the IEEE, Vol. 99, No. 6, pp. 998-1027, June 2011.
• S. Goldfisher, S. Tanabe, “IEEE 1901 Access System: An Overview of Its Uniqueness and Motivation”, IEEE Communications Magazine, Vol. 48, No. 10, October 2010.