Tecnologías de Comunicación para Smart Grid

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. Autor: Emilio Antonio Ramírez Vargas. Tutor: Dr. Samuel Montejo Sánchez. Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. Autor: Emilio Antonio Ramírez Vargas E-mail: eramirez@uclv.edu.cu. Tutor: Dr. Samuel Montejo Sánchez E-mail: montejo@uclv.edu.cu. Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. ``El hombre es una criatura de esperanza y de inventiva, ambas cualidades desmienten la idea de que no es posible cambiar´´ Tom Clancy. ``El conocimiento de los detalles es indispensable para la preservación de la grandeza; el impulso necesita ser sostenido por el conocimiento´´ José Martí.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, por su apoyo incondicional. A mi novia, por esperarme siempre. A mis hermanos y a toda mi familia. A mis amigos, los que estuvieron conmigo en todo momento..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por sus consejos y su comprensión, sin los cuales hoy no sería el mismo. A mi novia, por su especial dedicación y amor. A mi hermano Roberto por sacarme de tantos apuros. A mi hermano Maikel por estar siempre cuando lo necesito. A mi familia santaclareña. A mis amigos de toda la vida..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Escriba aquí las tareas que debe ejecutar hasta la confección del informe final (Obligatoria) Esta página debe estar firmada por el estudiante y por el tutor, expresión del compromiso entre ambos.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Las Smart Grid son el próximo escalón en el desarrollo de las redes eléctricas, a las cuales integran una poderosa infraestructura de comunicación y una plataforma de medición que abarca toda la red que posibilitan incrementar la calidad y fiabilidad del servicio eléctrico y brindar nuevos servicios de valor añadido a los usuarios, a la vez que establece como un principio fundamental el cuidado del medio ambiente, mediante el logro de la generación eficiente y el control de emisiones. En el presente trabajo de investigación son descritos los requerimientos y funcionalidades de los sistemas de infraestructura, administración y protección asociados a las Smart Grid. Como la infraestructura de comunicación es de vital importancia y debe brindar cobertura a cada punto de la red eléctrica se propone el diseño de su arquitectura de manera jerárquica, con el fin de simplificar el análisis de los requerimientos de cada segmento de red y permitir la elección e implementación de la tecnología de comunicación más conveniente en cada entorno específico. De acuerdo con esto se profundiza en las principales tecnologías aplicables a las redes de hogar, campo o área extendida. Adicionalmente, se presenta una propuesta de comunicación para entornos rurales, basada en la radio cognitiva. Las simulaciones realizadas demuestran la eficiencia de la solución propuesta en términos de utilización del espectro y el consumo energético..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. TECNOLOGÍA SMART GRID ................................................................ 4. 1.1. Requerimientos y beneficios. ................................................................................... 4. 1.2. Sistema inteligente de infraestructura. ..................................................................... 6. 1.2.1. Subsistema de energía. ...................................................................................... 6. 1.2.2. Subsistema de información. ............................................................................ 11. 1.2.3. Administración de la información. ................................................................. 13. 1.2.4. Subsistema inteligente de comunicación. ....................................................... 14. 1.3. Sistema inteligente de administración. ................................................................... 15. 1.3.1. Eficiencia energética y mejora del perfil de demanda. ................................... 15. 1.3.2 Utilidad y costo de optimización y estabilización de precios. ............................ 16 1.3.3. Control de emisiones. ..................................................................................... 16. 1.3.4. Métodos y herramientas administrativas. ....................................................... 17.

(10) vii 1.4. Sistema inteligente de protección........................................................................... 18. 1.4.1 Fiabilidad. ........................................................................................................... 18 1.4.2 Mecanismos de protección contra fallas. ............................................................ 19 1.5. Conclusiones parciales. .......................................................................................... 20. CAPÍTULO 2.. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID ......... 21. 2.1. Arquitectura de la infraestructura de comunicación. ............................................. 21. 2.2. HAN ....................................................................................................................... 21. 2.2.1. WiFi. ............................................................................................................... 22. 2.2.2. ZigBee. ............................................................................................................ 23. 2.2.3. Bluetooth. ........................................................................................................ 23. 2.2.4. PLC. ................................................................................................................ 24. 2.3. WAN. ..................................................................................................................... 24. 2.3.1 Comunicaciones satelitales. ................................................................................ 25 2.3.2 SONET................................................................................................................ 25 2.3.3 Comunicaciones por microondas. ....................................................................... 26 2.4. FAN. ....................................................................................................................... 26. 2.4.1. WiMax. ........................................................................................................... 27. 2.4.2. Tecnología celular........................................................................................... 27. 2.4.3. Radio Cognitiva. ............................................................................................. 28. 2.5. Administración de la información end to end. ....................................................... 29. 2.6. Seguridad y privacidad. .......................................................................................... 30. 2.6.1. Seguridad en la medición inteligente. ............................................................. 30. 2.6.2. Privacidad en la medición inteligente. ............................................................ 31. 2.6.3. Transmisión de la información. ...................................................................... 31.

(11) viii 2.7. Conclusiones parciales. .......................................................................................... 33. CAPÍTULO 3.. PROPUESTA DEL MODELO DE RED ................................................ 34. 3.1. Análisis de escenarios. ........................................................................................... 34. 3.2. Utilización del canal. .............................................................................................. 36. 3.3. Diseño del protocolo de comunicación. ................................................................. 37. 3.3.1. Etapas de la distribución temporal de acceso al medio. ................................. 38. 3.4. Control de potencia. ............................................................................................... 44. 3.5. Conclusiones parciales. .......................................................................................... 49. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 50 Conclusiones ..................................................................................................................... 50 Recomendaciones ............................................................................................................. 51 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 52.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Las redes eléctricas tradicionales transportan la energía eléctrica desde unos pocos generadores o centrales eléctricas hasta un gran número de usuarios, presentando varias limitaciones que se traducen en insatisfacciones para los clientes. Entre las deficiencias se encuentran: la comunicación unidireccional, la generación centralizada, poca disponibilidad de información del estado de la red debido a la baja densidad de sensores y el monitoreo de forma manual, la alta propensión a fallas, el limitado control y la carencia de servicios de valor añadido para los usuarios. Todo esto condujo al surgimiento de las redes eléctricas inteligentes (SG: Smart Grid). Esta novedosa tecnología en contraste con las redes eléctricas tradicionales, implementa flujos bidireccionales de energía e información para constituir una red de entrega de energía automatizada y distribuida. Además se destaca por: sensores distribuidos a lo largo de toda la red, monitoreo y reparación automáticos, aislamiento de las averías para evitar cascada de fallas, control ubicuo y múltiples opciones y servicios para los usuarios. El concepto inicial de SG solo comprendía la idea de una infraestructura de medición avanzada (AMI: Advanced Metering Infrastructure) integrada a la red eléctrica para mejorar la administración de la demanda y la eficiencia energética, además de conformar una red fiable y con capacidad de auto-recuperación protegida contra ataques maliciosos, sabotajes y desastres naturales. Sin embargo las expectativas y alcance iniciales se redimensionaron como consecuencia de los intereses de las empresas eléctricas, las organizaciones de investigación y el gobierno norteamericano, con el objetivo de alcanzar otros beneficios y oportunidades para los clientes. Esto se evidencia en el acta de seguridad e independencia energética de Estados Unidos del 2007 dirigida al Instituto nacional de estándares y tecnología (NIST: National Institute of Standarts and Technology) para coordinar un marco de trabajo con el objetivo de mejorar la interoperabilidad entre los.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. dispositivos y sistemas dentro de las SG. En ese mismo año el NIST presenta un reporte con los requerimientos y beneficios que deberían brindar las SG. La infraestructura de comunicación es la que permite conocer el estado de cada elemento del sistema eléctrico y actuar sobre ellos para ejercer el control e implementar las funciones de administración que dotan a la SG de inteligencia. Por eso es de vital importancia la elección de la mejor alternativa de comunicación en cada entorno. La idea de utilizar Radio Cognitiva (CR: Cognitive Radio) para las SG surge de la propuesta presentada en [1] en 2010 donde se abordan los beneficios que ofrece la CR en la utilización del espectro. Más tarde, su autor R. C. Qiu en [2] propone aplicar una plataforma de propósito específico para el uso de CR en las SG. Ese mismo año en [3] se presenta una aplicación basada en el estándar 802.22 para el segmento de red de área extendida (WAN: Wide Area Network). Las SG están tomando una relevante importancia a nivel internacional tanto en ámbito académico como industrial. A pesar de ser actualmente una tendencia acorde a las condiciones de países desarrollados, nuestro país no puede quedar exento de esta tecnología debido a que es una tendencia mundial y las propias leyes del desarrollo impondrán su utilización. Aunque continúa en proceso de diseño y exploración de las mejores soluciones no se pueden desconocer las novedosas opciones y beneficios que brinda. Debido a la relevancia del sistema de comunicación es competente realizar una propuesta eficiente y económicamente factible para las SG. Por lo que se impone el análisis de la tecnología CR, debido a la utilización eficiente del espectro radioeléctrico que la misma permite. De acuerdo con lo anterior es necesario plantear el siguiente problema científico: ¿Cómo concebir un modelo de red que satisfaga los requerimientos de comunicación de las SG en entornos rurales? Esta investigación tiene como objeto de estudio las tecnologías de comunicación capaces de garantizar el desempeño de las SG y el campo de acción lo constituye la propuesta de un sistema de comunicación eficiente para el segmento de red de área de campo (FAN: Field Area Network) en entornos rurales. Por tanto, se propone como objetivo general diseñar un sistema de comunicación para SG, económicamente factible y apropiado para entornos rurales. A partir del objetivo general, se derivan los siguientes objetivos específicos:.

(14) INTRODUCCIÓN. 3.  Describir las características principales de las SG.  Investigar los requerimientos de comunicación de las SG.  Diseñar un sistema de comunicación que satisfaga los requerimientos de comunicación en entornos rurales.  Evaluar el desempeño de la solución propuesta mediante simulación. El trabajo diploma está estructurado de la siguiente forma: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. En el primer capítulo se abordan los principales elementos teóricos concernientes a las SG, se analiza la manera de generar, transmitir, distribuir y controlar la energía. Se estudian además la medición y monitoreo de la información, haciendo énfasis en los metrocontadores inteligentes, sensores y unidades de medición de fasores. También se abordan los métodos y herramientas para optimizar la eficiencia energética, el costo, utilidad y precio de la energía. En la parte final del capítulo se analiza la predicción, prevención, identificación, diagnóstico y recuperación ante fallas, así como métodos para incrementar la fiabilidad del sistema. Se concluye planteando la importancia de la infraestructura de comunicación. En el segundo capítulo se propone el diseño de la infraestructura de comunicación de manera jerárquica y se detallan las tecnologías más convenientes para cada segmento de red. Se aborda también la seguridad y privacidad en la medición inteligente y en la transmisión de la información, además se estudian los principales ataques de los cuales puede ser objeto la infraestructura y algunos métodos de defensa. Se concluye con la ventaja de CR sobre otras tecnologías para un entorno con poca densidad de usuarios en el segmento FAN de las SG. En el tercer capítulo se presenta una solución de comunicación basada en CR que satisface los requerimientos de comunicación del segmento FAN en un escenario rural. Se propone un mecanismo de acceso al medio y protocolos de comunicación para el eficiente intercambio de la información. El desempeño de la solución propuesta se evalúa mediante simulación..

(15) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 4. CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. En este capítulo se dividen las SG en tres sistemas fundamentales: Infraestructura, Administración y Protección, en los cuales se agrupan todos los componentes físicos y las funciones que caracterizan a las redes eléctricas inteligentes. Se abordan los procesos de generación, transmisión, distribución y control de la energía, así como la generación y administración de la información. Además se presentan los objetivos fundamentales de las SG, así como los métodos y herramientas administrativas propuestos para alcanzarlos. Es de vital importancia garantizar la calidad y fiabilidad del servicio eléctrico por lo que se abordan varios mecanismos de protección contra fallas. 1.1. Requerimientos y beneficios.. Para dar solución a los problemas inherentes a las actuales redes eléctricas emergen las Smart Grid. El alcance de las propuestas actuales es más abarcador que los propuestos inicialmente, siendo reconocidos por el NIST los siguientes requerimientos y beneficios de las SG [4]:  Mejorar la calidad y fiabilidad del servicio eléctrico.  Elevar la capacidad y eficiencia de las redes existentes.  Optimizar la utilización de las instalaciones y no requerir la construcción de plantas de respaldo ante picos de demanda.  Incrementar la resistencia ante fallas.  Distribuir eficiente y convenientemente las fuentes de energía.  Habilitar el mantenimiento predictivo y la capacidad de auto-recuperación.  Facilitar el despliegue de fuentes de energía renovable.  Automatizar la operación y mantenimiento del sistema..

(16) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 5.  Reducir las emisiones de gases que provocan el efecto invernadero.  Reducir el consumo de combustibles fósiles, mediante la disminución de la necesidad de generación ineficiente durante los períodos de picos de consumo.  Incrementar la seguridad de la red eléctrica.  Ofrecer una transición hacia nuevas opciones de almacenamiento de energía como vehículos eléctricos (EV: Electrical Vehicle).  Incrementar las opciones del consumidor, al ofrecer nuevos productos y servicios como mercados de energía. Desde la perspectiva de la arquitectura, una red eléctrica puede ser dividida en tres capas de alto nivel: la capa física de energía (generación y distribución), la capa de redes de comunicación y la capa de aplicación (aplicaciones y servicios). Las SG evolucionan respecto a la manera en que la energía es generada, suministrada, consumida y tarificada; empleando flujos bidireccionales de energía e información para crear una red de generación y entrega altamente distribuida y automatizada, para: incrementar la fiabilidad, la eficiencia y la capacidad de gestión, así como integrar y explotar el uso de fuentes de energía renovable, reduciendo los costos para los proveedores y consumidores [5]. En la Figura 1.1 se muestra la interconexión en la capa física de energía entre los módulos de generación, transmisión, distribución y consumo. Esta infraestructura de comunicación permite además la interacción con funciones de control y administración relativas a los operadores, mercados y proveedores de servicios, pertenecientes a la capa de aplicaciones.. Figura. 1.1. Modelo conceptual de una Smart Grid..

(17) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 1.2. 6. Sistema inteligente de infraestructura.. Este sistema comprende la infraestructura de energía, información y comunicación inherente a las SG, siendo el soporte físico de las aplicaciones de estas redes eléctricas inteligentes. La implementación de flujos bidireccionales de energía dentro del segmento de usuario y de flujos bidireccionales de información posibilita que los consumidores puedan actuar como proveedores de energía ante determinadas circunstancias, así como la gestión de la demanda mediante la tarificación en tiempo real, que se presenta al usuario a través de los metrocontadores inteligentes, los cuales pueden además, tomar decisiones sobre los equipos electrodomésticos del consumidor de acuerdo a las necesidades y privilegios del mismo mediante consulta a los centros de control. Para su análisis, el sistema inteligente de infraestructura puede dividirse en tres subsistemas: Energía, Información y Comunicación. 1.2.1 Subsistema de energía. Las redes eléctricas tradicionales son unidireccionales por naturaleza [6], como se muestra en la Figura 1.2, en una red eléctrica tradicional, al contrario de lo que ocurre en las SG, se distinguen claramente tres segmentos: generación, transmisión y distribución; en las mismas se pretende satisfacer la demanda de un gran número de consumidores mediante la generación centralizada de energía en generadores basados en procesos nucleares o la explotación de combustibles fósiles. Debido a la contaminación ocasionada por los desechos que se vierten al medio ambiente en estos procesos, habitualmente las plantas generadoras son construidas lejos de áreas pobladas, pero aun así su impacto en la naturaleza es grave. Por lo que se impone la necesidad de utilizar fuentes de energía menos contaminantes. Consecuentemente, las SG proponen realzar el uso de fuentes de energía renovable a través de la implementación de generación distribuida (DG: Distributed Generation), emplazando generadores de pequeña envergadura tales como paneles solares y turbinas eólicas en el entorno de usuario..

(18) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 7. Figura. 1.2. Red eléctrica tradicional. Generación. En contraste con las redes tradicionales y valiéndose del principio de los flujos bidireccionales de energía e información se desarrolla la DG con el objetivo de mejorar la fiabilidad del sistema eléctrico. Al coexistir cargas y generadores en la red de distribución los requerimientos de capacidad de generación promedio disminuyen, siendo del orden de los 3kW-10000kW por generador [7]. Este hecho permite establecer un área con varios generadores y cargas como micro red eléctrica (Microgrid), la cual estaría conectada a la red macro pero en caso de averías o fallos podría desconectarse de esta y funcionar de manera autónoma valiéndose de sus elementos generadores y almacenadores de energía tales como paneles solares, turbinas eólicas y EV. Así se mejora la calidad del suministro eléctrico y la respuesta ante fallas. La Microgrid es uno de los paradigmas de las SG [7], pues se espera que la evolución de estas sea la integración de forma directa (plug and play) de las micro redes eléctricas [6]. La capacidad que tienen las mismas de aislarse y continuar entregándole electricidad a los usuarios se traduce en una gran fiabilidad del sistema como un todo [8]. Durante el estado de aislamiento la Microgrid continúa intercambiando información con la red macro y así conoce el estado de esta, por lo que puede decidir cuándo reconectarse. La Microgrid es la célula fundamental de las SG pues, sin lugar a dudas, todos los usuarios deben estar conectados a una de ellas. Dentro de las mismas pueden apreciarse claramente flujos de energía e información, Figura 1.3, que interconectan todos los elementos de la red. Las Microgrid pueden contribuir a simplificar la implementación de muchas funciones de las SG; como la fiabilidad, la penetración.

(19) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 8. extendida de las fuentes de energía renovable, la auto-recuperación, el control de cargas activas y el incremento de la eficiencia [9]. La implementación práctica de la DG no es sencilla por dos razones:  La DG implica un despliegue a gran escala de generadores basados en fuentes de energía. renovable:. paneles. solares,. turbinas. eólicas,. hidrogeneradores;. caracterizados por un rendimiento sujeto a fluctuaciones no coincidentes con los patrones de demanda [10].  Aún los costos de generación y operación, por unidad de energía, de estos generadores distribuidos son superiores a los correspondientes a las tradicionales plantas generadoras a gran escala [11], [12]. La DG permite a los usuarios desplegar sus propios generadores, lo cual cambia la concepción de las redes eléctricas tradicionales donde los generadores siempre se conectan a la red de transmisión. En la visión de las SG las grandes plantas generadoras continúan utilizándose pero en menor escala y con tendencia a desparecer, la elección de la fuente de generación depende de la ubicación geográfica y de las condiciones del entorno donde se encuentre la red. El despliegue de la DG invariablemente conduce al concepto de Plantas de Generación Eléctrica Virtuales (VPP: Virtual Power Plant). Una VPP se define como un grupo de generadores distribuidos, gestionados de forma centralizada, con una capacidad de generación total comparada con la de una planta eléctrica convencional [7]. Entre los principales beneficios de las VPP se encuentran: permitir que la electricidad generada en los picos de demanda sea entregada a la carga en cortos plazos de tiempo, responder mejor ante fallas o fluctuaciones en el suministro energético al dotar de mayor eficiencia y flexibilidad al sistema que las plantas convencionales. Sin embargo, el buen desempeño de este sistema requiere de una alta fiabilidad en la comunicación y el uso de complejos métodos de optimización y control..

(20) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 9. Figura. 1.3. Micro red eléctrica. Transmisión. Los retos de la infraestructura como: el aumento creciente de la demanda de energía, la rápida obsolescencia de los componentes y la necesidad de integración con las nuevas tecnologías de la electrónica y las comunicaciones rigen el desarrollo de las redes de transmisión. Estas redes pueden ser consideradas como un sistema integrador cuya funcionalidad consiste en agrupar tres componentes interactivos: centros inteligentes de control, redes inteligentes de transmisión de energía y subestaciones inteligentes [13]. Los centros inteligentes de control conceptualmente poseen características superiores a los centros de control actuales, como capacidades computacionales mejoradas para el análisis y monitoreo y gestión de la red [7]. Las redes inteligentes de transmisión se implementan sobre la infraestructura de transmisión existente. Sin embargo, es posible que las nuevas tecnologías emergentes en las esferas de la computación y el procesamiento digital de señales, los nuevos materiales electrónicos y los avances en las telecomunicaciones contribuyan a mejorar la eficiencia y la seguridad del sistema, así como la calidad del servicio eléctrico. Además puede favorecer el desarrollo de nuevas arquitecturas para las redes de transmisión. La visión de las subestaciones inteligentes se construye sobre la automatización integradora de las subestaciones actuales, alcanzándose un gran desarrollo en los últimos años en el monitoreo, la medición y el equipamiento [14]. Algunas de las características de las subestaciones inteligentes son: la digitalización, la automatización y la.

(21) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 10. auto-recuperación, incrementando la capacidad de respuesta rápida ante cualquier problema [14]. A través de una plataforma digitalizada común, la red inteligente de transmisión incrementa la flexibilidad en el control y la operación de la red y brinda soporte a los mecanismos de administración. Distribución. En la red de distribución se integran generadores, almacenadores de energía y cargas, lo que trae consigo el aumento de la fiabilidad del sistema y el incremento de la flexibilidad de generación, sin embargo provoca que el control del flujo eléctrico sea más complicado, por lo que es necesario la investigación de novedosos y potentes mecanismos de distribución y entrega de energía. Los acumuladores de energía son de vital importancia pues pueden almacenar el excedente de energía generada en un momento dado y luego emplearla cuando sea necesario, de esta manera funcionan como una fuente de suministro en caso de fallas del servicio eléctrico. Los EV constituyen los principales elementos almacenadores de electricidad dentro de las SG [7]. Un vehículo eléctrico es un vehículo que utiliza uno o más motores eléctricos para la propulsión, pueden ser completamente eléctricos o híbridos, es decir, funcionan tanto con combustibles fósiles como con electricidad. Actualmente su popularidad va en ascenso debido al agotamiento de los combustibles fósiles y a su alto precio en el mercado [15]. La amplia utilización y desarrollo de estos vehículos conduce a dos conceptos en el entorno de las SG: RedVehículo (G2V: Grid to Vehicle) y Vehículo-Red (V2G: Vehicle to Grid). G2V: Los vehículos eléctricos funcionan con la energía acumulada que poseen, esta energía la obtienen desde el exterior, generalmente cargan sus baterías a través de la red eléctrica, por lo que el problema fundamental es manejar la gran demanda que provocan en la red de distribución. En la literatura científica se han propuesto varias soluciones: [15], [16], [17], [18]. V2G: Los vehículos eléctricos proveen una nueva forma de almacenar y suministrar energía eléctrica. Estos están en constante comunicación con la red y pueden entregar energía a esta cuando estén aparcados y conectados. La red toma la energía de los vehículos eléctricos cuando la necesite y luego puede recargarlos en otro momento, cuando la demanda sea.

(22) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 11. menor. Existen varios trabajos que abordan los EV dentro de las SG [19], [20], [21], [17], [22], [23], [24]. 1.2.2 Subsistema de información. La evolución de las SG no confía solo en el avance de la tecnología de los equipos a emplear, también está basada en el perfeccionamiento del monitoreo, análisis, optimización y control desde las centrales ubicadas en las redes de distribución y generación [7]. Muchos de los asuntos de la automatización distribuida giran sobre cómo plantearlos desde la perspectiva de la tecnología de la información, como la interoperabilidad del intercambio de datos y la integración con los existentes y futuros dispositivos, sistemas y aplicaciones [25]. Por lo tanto, el sistema inteligente de información es empleado como soporte a la generación de información, modelado, integración, análisis y optimización dentro de las SG. Medición inteligente. La medición inteligente es el principal mecanismo en las SG para obtener información desde los dispositivos en el entorno de usuario y controlar el comportamiento de estos [7]. El sistema AMI, se construye sobre los sistemas de lectura remota de metrocontadores (AMR: Automatic Meter Reading), y es considerado como una estrategia lógica para alcanzar las SG [26], [27]. AMR es la tecnología de recolección automática de diagnósticos, consumo y estado de los datos en los dispositivos de medición de la energía y transferencia de esta información a la base de datos central para tarificación, análisis y detección y corrección de fallas. AMI a diferencia de AMR, implementa una comunicación bidireccional con los metrocontadores, por lo tanto casi toda la información es disponible a los usuarios en tiempo real y bajo demanda, lo que permite mejorar los sistemas de operación y administración de la demanda de usuario. Metrocontadores inteligentes. Establecen flujos bidireccionales de comunicación con la central de control, pueden ser considerados como parte de la AMI. Son metrocontadores eléctricos que muestran el consumo a intervalos de una hora o menos y envían la información al menos diariamente para monitoreo y propósitos de facturación [28]. Además poseen la habilidad de desconectarse o conectarse de manera remota y controlar los equipos y dispositivos.

(23) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 12. eléctricos del entorno de usuario, lo que permite administrar la carga energética en la red eléctrica y la demanda. Desde la perspectiva del usuario estos metrocontadores inteligentes ofrecen el beneficio de permitirles estar al tanto de la facturación en cada momento y así controlar el consumo de energía eléctrica. Desde la perspectiva de las centrales de control pueden ser empleados para realizar tarificación en tiempo real, lo que tiene impacto en la reducción de los períodos de picos de demanda y la optimización del uso energético [7]. Sensores. Las redes de sensores ya han sido utilizadas para aproximaciones de medida y monitoreo con diferentes propósitos [29], por ejemplo: detectar averías mecánicas en redes eléctricas como fallas en conductores, colapso de torres, situaciones críticas y condiciones mecánicas extremas [7]. Una solución es que la red de sensores esté empotrada dentro de la red eléctrica, por lo que puede contribuir a calcular las condiciones eléctricas y mecánicas de las líneas de transmisión en tiempo real, y ayudar a conformar una imagen física y eléctrica de la red de energía [30]. Todo esto permite realizar diagnósticos oportunos para detectar fallas rápidamente y determinar las medidas de control apropiadas que deben ser tomadas para solucionar los problemas. Las redes de sensores son una solución factible y brindan una buena relación costo-beneficio para una plataforma de comunicación y detección del espectro con fines de monitoreo y diagnóstico remotos [30]. Existen varios trabajos relacionados con la implementación de las redes de sensores: [31], [32], [33], [34]. La utilización de las redes de sensores debe cumplir los siguientes requerimientos [7]:  Calidad del servicio: la información generada debe mantener adecuados parámetros de fiabilidad, demora y tasa de transferencia exitosa.  Restricción de recursos: los nodos de estas redes generalmente son de bajo costo y con dispositivos de corta duración de la vida útil de las baterías por lo que los programas de control para las redes de sensores deben ser energéticamente eficientes.  Permitir configuración y mantenimiento remotos.  Alta seguridad, pues cualquier ataque a los sensores compromete a la red en su totalidad..

(24) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 13.  Soportar ásperas condiciones ambientales: la red de sensores puede estar expuesta a interferencias de radio frecuencias, elevados niveles de humedad, vibraciones, polvo y suciedad, entre otras condiciones ambientales que pueden causar el mal funcionamiento de los sensores. Unidad de medición de fasores (PMU: Phasor Measurement Unit). Mide la onda eléctrica que viaja a través de la red para determinar la salud del sistema. Es un número complejo que representa la magnitud y el ángulo de la onda sinusoidal de electricidad [7]. Generalmente los PMU son ubicados en una amplia zona de la red energética, y sincronizados por pulsos de reloj enviados a través de GPS [35]. La idea es colocar gran cantidad de PMU por toda la red y comparar sus lecturas, de esta forma se puede conocer el estado de la red y responder de forma rápida a cualquier problema [35]. 1.2.3 Administración de la información. Modelado de los datos. Esta función está dirigida a crear una representación estandarizada de los datos para que la información intercambiada sea comprendida por las entidades que participan en el intercambio, aun si estas entidades son dispositivos o aplicaciones de diferentes sistemas, pues la SG es un complejo sistemas de sistemas, lo que obliga a realizar una adecuada representación de los datos para que la información sea comprendida. Como la definición y funcionalidad de la SG continúan evolucionando es necesario que el modelado de los datos sea comprensible para las nuevas aplicaciones. La evolución de los sistemas de la SG no debe ocurrir de forma simultánea, por lo que deben coexistir aplicaciones con diferentes niveles de desarrollo; aun así, debe lograrse una representación de los datos que pueda ser interpretada por ambas aplicaciones [7]. Análisis, integración y optimización de la información. Estas funciones son imprescindibles para soportar el procesamiento, interpretación y correlación de la gran cantidad de información generada dentro de la SG. Una parte del análisis debe ser realizado por las aplicaciones existentes y otra parte por las futuras aplicaciones que deben implementarse, conjuntamente con el trabajo de los ingenieros [25]. La integración de la información apunta a la fusión de la información proveniente de.

(25) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 14. diferentes fuentes, las cuales poseen diferentes representaciones tipográficas, contextuales y conceptuales. Se espera que en la SG gran cantidad de información sea integrada, información generada por los nuevos componentes y por las aplicaciones existentes. La optimización de la información es empleada para mejorar la efectividad de la misma. Se espera que en la SG el tamaño de los datos sea realmente grande, debido al monitoreo, detección del espectro y medición a gran escala. Aun así, es posible que los datos contengan gran cantidad de redundancias. Por lo tanto es necesario emplear técnicas avanzadas de tecnología de la información para mejorar la efectividad de la información, a fin de reducir la carga en la comunicación y almacenar solo la parte útil de los datos. 1.2.4 Subsistema inteligente de comunicación. Este subsistema es el responsable de propiciar la conectividad y la transmisión de la información entre sistemas, dispositivos y aplicaciones en el entorno de la SG [7]. Existen gran cantidad de tecnologías de comunicación que pueden utilizarse para conformar la infraestructura de comunicación, de las cuales se evalúan los beneficios y desventajas en el capítulo 2. El subsistema de comunicación debe cumplir con los siguientes requerimientos [36]:  Ofrecer calidad de servicio, los datos deben ser entregados con integridad y prontitud para poder ejercer el control adecuadamente.  Brindar fiabilidad en la comunicación aun cuando se integren diferentes tecnologías.  Alta cobertura, debe alcanzar todos los puntos de la red.  Garantizar la confiabilidad y seguridad de la comunicación. Las tecnologías de comunicación más utilizadas en las SG son [7]:  Fibra óptica.  Comunicación sobre líneas de energía (PLC: Power Line Communications).  Estándar 802.11 (WiFi: Wireless Fidelity).  Estándar 802.15.4 (ZigBee).  Estándar 802.15.1 (Bluetooth).  Estándar 802.16 (WiMax: World Wide Interoperability for Microwave Access)..

(26) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 15.  Comunicación Celular.  Comunicaciones Satelitales.  Comunicaciones por Microondas.  Radio Cognitiva. 1.3. Sistema inteligente de administración.. Una concepción común acerca de las SG es que el sistema de infraestructura es el único que contribuye a los grandes beneficios que ofrece esta tecnología, este concepto no es cierto. Con el desarrollo de nuevos servicios y aplicaciones de administración que impulsan la tecnología y las capacidades mejoradas del sistema de infraestructura, la red se convierte en inteligente. Las redes eléctricas tradicionales tratan de ajustar la capacidad de generación a la demanda energética, esto además de costoso es poco práctico, pues el perfil de demanda de los consumidores sigue una distribución de probabilidad dispersa que requiere de plantas de generación inutilizadas la mayor parte del tiempo y listas para generar al máximo de su capacidad durante un pico de demanda [7]. Esto requiere de un cambio rápido en la capacidad de generación, por lo que está destinado a fallar ocasionando irregularidades en el nivel de voltaje, apagones y cascada de fallos. En las SG a través de la administración, se ajusta la demanda a la capacidad de generación, implementando técnicas de control o induciendo a los consumidores a cambiar su perfil de consumo mediante tarificación variable en tiempo real [7]. 1.3.1 Eficiencia energética y mejora del perfil de demanda. Las investigaciones acerca de esta cuestión se centran fundamentalmente sobre dos direcciones: aplanamiento del perfil de demanda y reducción pérdidas de energéticas. El aplanamiento del perfil de demanda busca hacer coincidir el perfil de demanda con la capacidad de suministro disponible. Las formas más comunes de aplanar el perfil de demanda son desplazar, programar o reducir los picos de la curva de consumo [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46]. Aplanar el perfil de demanda contribuye a reducir los costos de generación e incrementa la fiabilidad del sistema [7]. En [37] se presenta el diseño de una estrategia de optimización y control en tres etapas y un algoritmo de control para reestructurar los picos del perfil de demanda de usuarios residenciales, comerciales e industriales. En [38] se propone un esquema que representa una política de.

(27) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 16. precios dinámica que incentiva a los consumidores a lograr un perfil de carga total adecuado para las empresas eléctricas. En [41] se plantea alisar la curva de demanda de electricidad y evitar sobrecarga a las capacidades de generación y distribución en la red mediante un juego de congestión de red donde cada usuario modifica su demanda como respuesta a las acciones de otros usuarios. La reducción de las pérdidas energéticas es un objetivo más complejo considerando generación distribuida [7]. En [47] se propone determinar el sitio óptimo de las fuentes de energía renovable para alternar de la manera más eficiente los flujos de energía. En [48] se presenta un algoritmo descentralizado de optimización para minimizar las pérdidas en las redes de distribución. En [49] se plantea minimizar las pérdidas energéticas a través del uso oportuno de fuentes de energía renovable estadísticamente modeladas. 1.3.2 Utilidad y costo de optimización y estabilización de precios. La estabilización de precios es un importante tema de investigación. El envío de los precios de mercado a los usuarios finales contribuye a alertar a los consumidores sobre las tarifas aplicadas en cada momento pero crea un sistema de realimentación desequilibrado que puede provocar inestabilidad de los precios [7]. En [50] se desarrolla un sistema matemático para la caracterización de la evolución dinámica del suministro, demanda y precios de compensación de mercado en tiempo real y presenta algoritmos de estabilización de precios. Algunos investigadores han realizado estudios sobre incrementar utilidades, aumentar beneficios y reducir costos; [51], [38], [39], [52], [53], [54]. 1.3.3 Control de emisiones. Este es un importante objetivo de la administración, pues está relacionado con el cuidado del medio ambiente. Es importante tener en cuenta que minimizar el costo de generación o maximizar la relación costo-beneficio no equivale a reducir emisiones mediante la utilización de fuentes de energía renovable, pues los costos de la energía producida por fuentes de energía renovable no siempre son los más bajos [7]. En [55] se propone que sea tomado en cuenta el impacto en el medio ambiente de la generación con combustible fósiles dentro de los algoritmos de programación de demanda como un factor de costo el cual resultaría en picos de carga que deben ser movidos hacia períodos donde la generación.

(28) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 17. recaiga sobre las fuentes de energía renovable. En [56] se realiza una investigación sobre cómo tomar ventaja de los EV y las fuentes de energía renovable para disminuir las emisiones. En [37] se presenta una estrategia de control en tres etapas para optimizar la eficiencia energética e incrementar la generación con fuentes de energía renovable. 1.3.4 Métodos y herramientas administrativas. Los métodos y herramientas de la administración son adoptados por los investigadores con el fin de resolver los objetivos administrativos, los más utilizados son optimización, aprendizaje de máquina, teoría de juegos y subasta. Dentro de la optimización como herramienta se destacan la programación convexa y la programación dinámica [57], [58], [59], [43]. Otras técnicas de optimización ampliamente utilizadas cuando se trata de manejar fuentes de energía renovable que generalmente representan procesos variables en el tiempo son programación estocástica y programación robusta [60], [61], [62]. La optimización por enjambre de partículas es muy útil, pues con su uso se pueden resolver problemas complejos de manera rápida, con precisión y sin limitaciones dimensionales o de capacidad de memoria de los equipos de cómputo [7], [63], [64]. Aprendizaje de máquina está orientado a diseñar y desarrollar algoritmos que permitan a los sistemas de control desarrollar comportamientos basados en datos empíricos que pueden ser adquiridos desde sensores o PMU [65], [45]. La teoría de juegos es otra herramienta poderosa de administración en SG, pues es evidente que no todos los consumidores cooperarán para lograr la solución más eficiente. En [41] se propone una solución basada en un juego de congestión de red que garantiza que la solución local óptima para cada consumidor de manera individual es también la solución global para logar el objetivo requerido. La herramienta conocida como subasta posee las características para ser muy popular dentro de las SG, la amplia utilización de la generación distribuida y de las Microgrid realza sus valores [7]. La oferta y subasta puede ser utilizada como una forma de venta de energía dentro de los mercados locales en las Microgrid. En [66] se propone un método de oferta de reducción de demanda que puede ser empleado para reducir los picos de consumo, en un período de pico de consumo los usuarios pueden enviar una oferta de reducción de demanda hacia la empresa eléctrica junto con la capacidad de reducción de.

(29) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 18. demanda posible y la nueva tarifa que solicitan, esto animaría a los consumidores a lograr reducciones de consumo. 1.4 Sistema inteligente de protección. Este sistema debe resolver los problemas ocasionados tanto por usuarios de manera involuntaria, por fallos en los equipos, por desastres naturales, como por ataques intencionados por espías industriales, terroristas o empleados contrariados. 1.4.1 Fiabilidad. La fiabilidad es la capacidad de un componente o sistema de desempeñar las funciones requeridas bajo ciertas condiciones en un período de tiempo indicado. Como se ha expresado anteriormente la DG y el empleo de fuentes de energía renovable son ampliamente utilizadas en las SG, el impacto del patrón de generación fluctuante de las fuentes de energía renovable puede comprometer la fiabilidad del sistema [67]. En [68] se propone hacer uso de la arquitectura de la Microgrid para disminuir el impacto de la generación distribuida. Es evidente que, como en una Microgrid las cargas son servidas localmente, pueden desconectarse de la red macro para evitar ser afectados por fallas exteriores, o para evitar afectar a toda la red si las fallas son internas. La generación local muestra buenos resultados, pues la probabilidad de cascada de fallos se reduce grandemente al considerar generadores locales en el análisis. Otro elemento importante del que depende la fiabilidad del sistema es de la disponibilidad del sistema de medición empleado para monitorear la red. En este sentido el sistema de medición de área extendida (WAMS: Wide Area Measurements Systems) está siendo ampliamente utilizado, por lo que [69] propone métodos de evaluación cuantificada de la fiabilidad de este sistema a través de combinar modelado de Markov y técnicas de enumeración de estados. También puede utilizarse la simulación para el análisis de la fiabilidad. La simulación debe contemplar las ventajas y los potenciales fallos [7]. El reto consiste en obtener un sistema de simulación preciso, flexible, adaptable y escalable..

(30) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 19. 1.4.2 Mecanismos de protección contra fallas. Para lograr una adecuada protección contra las fallas es necesario realizar una correcta predicción y prevención, y luego de que la falla ha ocurrido resulta imprescindible la rápida identificación, diagnóstico y recuperación. Predicción y prevención. Una de las mejores formas de prever fallas es predecir los puntos débiles en la región de estabilidad en el subsistema de energía. En [70] se propone una aproximación para identificar eficientemente el modo de falla más probable en una distribución estática de carga. Expone que si el modo de operación normal es suficientemente saludable las averías son escasas. La técnica que presenta puede ayudar a descubrir enlaces propensos a fallar debido a la saturación, también sirve para identificar generadores funcionando por encima o por debajo de su capacidad, de esta manera provee de una capacidad predictiva que eleva la fiabilidad del sistema eléctrico. En [71] se plantea utilizar PMU para monitorear la existencia de la región de estabilidad y de márgenes operacionales, de acuerdo a parámetros como voltaje, límites térmicos y estabilidad del flujo energético. Su uso es recomendable en las redes de transmisión. Identificación de fallas, diagnóstico y recuperación. Luego de ocurrir una avería el primer paso es identificarla y localizarla rápidamente para evitar cascadas de fallos. En [72] se desarrolla un algoritmo que utiliza información de topologías de redes conocidas conjuntamente con las mediciones de los PMU para detectar interrupciones en las líneas, incluso determinar la línea cortada. En [73] se asegura que la identificación mediante mediciones convencionales, sin importar cuan redundante sea, de ciertos parámetros erróneos no siempre es confiable. Advierte de la necesidad de realizar mediciones de fasores para superar esta limitación. Hay que considerar que el fallo puede ocurrir en los metrocontadores inteligentes por pérdida o corrupción de datos, la recuperación de la información es de vital importancia para el funcionamiento de la red. Es también importante implementar una metodología de toma de decisiones ante averías. En [74] se sostiene que la habilidad de tomar decisiones debe estar distribuida entre los centros de control, subestaciones y dispositivos, o como mínimo que estos últimos tengan suficiente información como para decidir de manera autónoma la forma de proceder ante.

(31) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍA SMART GRID. 20. ciertas situaciones sin tener que esperar instrucciones del controlador central, esto contribuye a disminuir el tiempo de respuesta ante fallas por lo que aumenta la fiabilidad del sistema. La seguridad y privacidad en la medición inteligente y la transmisión de la información son discutidas en el capítulo 2. 1.5 Conclusiones parciales. Las SG constituyen la próxima generación de las redes eléctricas en las cuales la manera de administrar, distribuir y entregar la energía eléctrica es mejorada a través de la implementación de flujos bidireccionales de energía e información y capacidades de cómputo distribuidas por toda la red que posibilitan mantener un mayor control sobre el sistema, logrando de esta manera realzar la eficiencia, la fiabilidad y la seguridad. Aún no es posible predecir todas las posibilidades y beneficios de las SG, pero se espera que la distingan características como la presencia de una AMI, administración de la demanda, auto-recuperación y tarificación en tiempo real, además de ofrecer nuevas aplicaciones y servicios de valor añadido como: mercados de energía, respuesta bajo demanda y facturación dinámica, los cuales incrementan las opciones de los usuarios. Esto solo se puede alcanzar si se implementa el monitoreo de forma automática y colocan sensores distribuidos a lo largo de toda la red para lograr que el control sea ubicuo, por lo que es necesario una poderosa infraestructura de comunicación que ofrezca cobertura a todos los puntos de la red eléctrica y permita establecer un intercambio de información fiable, en tiempo real y de manera segura entre los centros de control y los demás dispositivos del sistema como: subestaciones inteligentes, metrocontadores inteligentes, sensores y PMU. Entre los principios fundamentales de las Smart Grid, aparejado a la mejora de la calidad del servicio eléctrico, se encuentra el cuidado del medio ambiente para lo cual se propone hacer un mayor uso de las fuentes de energía renovables y ajustar el perfil de demanda a las capacidades de generación para evitar la necesidad de generar electricidad de manera ineficiente empleado fuentes contaminantes, de esta manera es posible controlar las emisiones de desechos tóxicos..

(32) CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. 21. CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. En este capítulo, a partir de la importancia de la infraestructura de comunicación, se propone el diseño de esta de manera jerárquica, con el fin de realizar un riguroso análisis que permita la elección de la solución de comunicación más conveniente para cada entorno específico. Se abordan las tecnologías de comunicación más utilizadas en ambientes de SG así como sus principales aplicaciones. Además se tratan asuntos de administración, fiabilidad y seguridad de la comunicación, 2.1. Arquitectura de la infraestructura de comunicación.. La SG no se desarrolla sobre un entorno homogéneo, debe brindar servicios tanto a usuarios rurales como urbanos y su infraestructura de comunicación debe satisfacer las necesidades de comunicación de los segmentos de generación, transmisión, distribución y control; por lo que la mejor solución debe surgir de un profundo análisis del entorno en que se implemente la SG y debe integrar las tecnologías de comunicación que satisfagan los requerimientos de la manera más eficiente. Por esto la infraestructura de comunicación se construye en arquitectura jerárquica en la cual se conforman subredes individuales que tienen la responsabilidad de cubrir una determinada área geográfica, según este criterio la red de comunicación puede dividirse en tres segmentos: red de área extendida (WAN), red de campo (FAN) y red de hogar (HAN: Home Area Network). 2.2. HAN. Está conformada por la interconexión de los dispositivos de medición pertenecientes al segmento de usuario, colocados en los equipos electrodomésticos, vehículos eléctricos,.

(33) CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. 22. generadores y acumuladores de energía domésticos y los metrocontadores inteligentes que constituyen los puntos de acceso de la información hacia la infraestructura de comunicación [75]. Sus funciones son enviar hacia los centros de control datos correspondientes al uso de la energía en el entorno local y controlar la carga energética durante los períodos de pico de consumo [75]. Las necesidades de comunicación de esta red son modestas, la cantidad de información que debe ser enviada en cada momento corresponde en su mayoría al consumo de electricidad instantánea de cada dispositivo, el ancho de banda necesario se encuentra en el orden de 10-100 Kbps por nodo o dispositivo [76]. La demora (delay) tampoco es un factor restrictivo, pues la mayoría de las aplicaciones del entorno de hogar no dependen de la información generada, exceptuando aquellas que sean de respuesta bajo demanda [76]. Por esto, los requerimientos de comunicación pueden ser manejados por tecnologías de baja capacidad, poco alcance y bajo consumo, las más convenientes de acuerdo a la relación costo beneficio son WiFi, ZigBee, Bluetooth y PLC [77]. 2.2.1 WiFi. Está basada en el estándar IEEE 802.11, provee una comunicación inalámbrica robusta y de alta tasa de transferencia que puede ser punto a punto o punto a multipunto [78]. Este estándar adopta la tecnología de espectro extendido y posibilita que múltiples usuarios ocupen la misma banda de frecuencia ocasionándose entre ellos una interferencia mínima [79]. 802.11b ofrece una tasa de transferencia máxima de 11 Mbps y opera en la banda de 2,4 GHz con técnica de modulación de secuencia directa de espectro extendido (DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum); 802.11a y 802.11g alcanzan tasas de transferencia de hasta 54 Mbps, el primero opera en la banda de 5,8 GHz con modulación por multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing), mientras que el segundo utiliza la banda de 2,4 GHz y modulación DSSS [79]. 802.11n está basado en la tecnología de múltiples entradas-múltiples salidas (MIMO: Multiple Input Multiple Output) y su objetivo es incrementar la tasa de transferencia de datos hasta 600 Mbps [45]. 802.11i, conocido como WPA-2, realza la seguridad a través del estándar de encriptación avanzada (AES: Advanced Encryption Standart) [80], [81]. Las interferencias presentes en un ambiente ruidoso pueden ocasionar baja tasa de transferencia, debido a su naturaleza inalámbrica la comunicación está sujeta a un mayor número de amenazas que comprometen la fiabilidad, aunque con una adecuada.

(34) CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. 23. ingeniería de tráfico se puede lograr el éxito de la comunicación el 99,9 % del tiempo [82]. Además de aplicaciones del entorno de hogar puede ser considerado para el monitoreo y control de recursos energéticos distribuidos en la red de distribución donde los requerimientos de tasa de transferencia e interferencia sean relativamente bajos, y también como enlace redundante en el sistema de automatización de distribución para mejorar la fiabilidad de operaciones críticas [82]. 2.2.2 ZigBee. Este es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de comunicación inalámbrica pertenecientes al estándar 802.15.4. Es una tecnología fiable, de bajo consumo y corto alcance desarrollada por ZigBee Alliance basados en un estándar global abierto [82]. Opera en las bandas no licenciadas de 868 MHZ, 915 MHz y 2,4 GHz con modulación DSSS; ofrece una tasa de transferencia de hasta 250 Kbps y un rango de cobertura máximo de 100 m; para mejorar la seguridad emplea encriptación AES de 128 bits, puede ser utilizado en topologías de malla, árbol y estrella [82]. Entre sus ventajas se encuentran que requiere baja potencia para funcionar por lo que permite larga vida a las baterías, poca complejidad y bajo costo de implementación, sin embargo el rango de frecuencias en que opera se solapa con las del estándar 802.11 por lo que está sujeto a interferencias, las cuales provocan gran degradación de los servicios en escenarios donde coexistan ambos estándares. Debido al limitado tamaño físico de los dispositivos ZigBee, estos poseen limitaciones en la capacidad de procesamiento y memoria interna. Este estándar es muy conveniente para redes inalámbricas de sensores (WSN: Wireless Sensor Network) como la comunicación de los aparatos electrodomésticos con el metrocontador inteligente, de esta manera, mediante el intercambio de información con los centros de control puede actuar sobre la carga activa del entorno de usuario [82]. 2.2.3 Bluetooth. Es parte del estándar inalámbrico de red de área personal 802.15.1, de baja potencia, poco alcance y estrecho rango de frecuencias de operación. Opera en la banda de 2,4 GHz a 2,4835 GHz y ofrece tasas de transferencia de 721 Kbps, funciona en configuraciones de punto a punto y punto a multipunto y puede alcanzar distancias de hasta 100 m [82]. Los dispositivos bluetooth son susceptibles a interferencias causadas por enlaces cercanos,.

(35) CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. 24. puede ser interferido por el estándar 802.11, por lo que la seguridad es un punto débil comparado con otros estándares. En el marco de las SG puede ser utilizado para aplicaciones de monitoreo local en línea como parte del sistema de automatización de subestaciones [83]. 2.2.4 PLC. Basa su funcionamiento en transmitir una señal portadora modulada sobre las líneas de energía, como estas líneas transportan corriente alterna imponen una limitación en la utilización de altas frecuencias [84]. Puede alcanzar tasas de transferencia de hasta 100 Mbps, la cual varía proporcionalmente con el inverso de la longitud de la línea. PLC es la única tecnología cableada con costos de instalación y mantenimiento comparables con las tecnologías inalámbricas [85]. Puede ser utilizado para el intercambio de información entre el metrocontador inteligente y los equipos electrodomésticos y de esta manera participar en el control directo de carga activa. Además de aplicaciones en el entorno de usuario, es factible su uso en las redes de distribución, para establecer la comunicación entre las subestaciones inteligentes y los metrocontadores inteligentes, los centros de carga de los EV o los recursos energéticos distribuidos [85]. 2.3. WAN.. Está conformada por la ruta principal de comunicación (backbone) que interconecta el gran número de redes más pequeñas que integran la SG con los centros de control, constituye la ruta de comunicación primaria hacia la empresa eléctrica. La información obtenida en las HAN y FAN por los metrocontadores inteligentes, sensores y PMU debe llegar a los centros de control con prontitud, para que estos a su vez, puedan tomar decisiones y enviar de vuelta las instrucciones, por lo que la comunicación debe ser fiable, segura y cumplir con exigentes parámetros de desempeño y altos requerimientos de ancho de banda. Para construir este tipo de red se necesitan tecnologías que soporten altas tasas de transferencia; las más convenientes son Comunicaciones Satelitales, SONET y Comunicaciones por Microondas [85]..

(36) CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. 25. 2.3.1 Comunicaciones satelitales. Puede ser una solución para las redes WAN debido a que provee cobertura global, por lo que podría implementarse el monitoreo y control remotos a subestaciones inteligentes [86]. Además posee la característica de una rápida instalación, con lo que se logra establecer una comunicación fácil y poco costosa con los puntos de agregación. En algunos escenarios, donde no existe una infraestructura de comunicación, especialmente para subestaciones remotas y ambientes de generación es una solución que presenta una buena relación costo beneficio. Por ejemplo, en un campo de turbinas eólicas ubicado en un lugar distante se aprovecha la extensa cobertura que brinda el sistema satelital y establecer la comunicación es tan sencillo como adquirir el equipamiento necesario para el intercambio de información con el satélite [7]. Una arquitectura puramente terrestre es vulnerable a desastres naturales o fallas del suelo, no así con el enlace satelital, que puede ser utilizado además, como ruta de respaldo para asegurar el intercambio de información crítica en caso de falla del sistema terrestre. Sin embargo el sistema de comunicación satelital presenta dos grandes defectos: introduce una enorme demora en la comunicación que provoca que algunos protocolos como TCP, el cual fue diseñado originalmente para comunicación terrestre, sea inapropiado para enlaces satelitales y las características del canal satelital varían dependiendo del efecto de desvanecimiento y de las condiciones del clima, lo cual degrada grandemente le desempeño de todo el sistema [7]. 2.3.2 SONET Constituye un estándar para el transporte de datos sobre fibra óptica a través de una jerarquía sincrónica y flexible. El utilizar fibra óptica hace a la comunicación inmune a interferencias electromagnéticas lo que la hace muy útil en ambientes ruidosos, además ofrece un ancho de banda escalable que puede llegar a 160 Gbps [7]. Esta tasa de transferencia que alcanza la convierte en una opción muy atractiva para formar el backbone, pero los costos de instalación son elevados, por lo que en ambientes rurales donde los requerimientos de la comunicación no sean muy exigentes los beneficios brindados por esta tecnología no superan los costos de instalación [7]..

(37) CAPÍTULO 2. TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN PARA SMART GRID. 26. 2.3.3 Comunicaciones por microondas. Es una tecnología madura y muy efectiva que brinda una tasa de transferencia de hasta 155 Mbps, permite enlaces punto a punto a una distancia máxima de 60 km y opera en las bandas licenciadas de 2-40 GHz [82]. Presenta una buena relación costo beneficio pues ofrece una comunicación con adecuados parámetros de desempeño mediante una instalación relativamente rápida y sencilla que no requiere grandes inversiones para su mantenimiento [7]. Sin embargo es susceptible al desvanecimiento por lluvia y por múltiples trayectorias de la señal; además, el uso de encriptación más que un beneficio puede ocasionar demoras adicionales y necesidad de utilizar mensajes más largos para establecer la comunicación [82]. Es una buena solución para integrar el backbone de la infraestructura de comunicación de la SG pues es más barato y de más fácil instalación que la fibra óptica y su uso puede ser conveniente en escenarios donde existan algunos accidentes del terreno como ríos o pequeñas colinas en los cuales resulte difícil emplear alguna tecnología cableada. [85]. 2.4. FAN.. Brinda las facilidades de comunicación para el segmento de distribución, está constituida por las interconexiones entre los sensores de los transformadores y alimentadores de energía de la red de distribución, estaciones de control de carga de los EV, metrocontadores inteligentes del segmento de usuario, recursos energéticos distribuidos y los puntos de agregación o puntos de acceso al backbone de comunicación que generalmente se encuentran en las subestaciones inteligentes. Las aplicaciones del sistema eléctrico que operan en la red de distribución utilizan la FAN para compartir e intercambiar información con los centros de control, estas pueden clasificarse como basadas en campo (relacionadas con las líneas de transmisión, PMU y sensores de los transformadores) y basadas en usuarios (relacionadas con los consumidores finales: residenciales, industriales o comerciales). Las aplicaciones basadas en usuarios incluyen sistema de administración de cargas, medición de datos y en menor medida aplicaciones de respuesta bajo demanda por lo que entre sus requerimientos se encuentra la escalabilidad de la comunicación entre la empresa eléctrica y los usuarios, es decir, que debe permitir la adición de más aplicaciones y usuarios en el futuro, sin embargo la mayoría de estas aplicaciones no son sensibles a la.