Smart Grid y PLC (EL049S)

Una preocupación cada vez mayor que tenemos en nuestros días es con el consumo racional de energía y el máximo uso de las estructuras que hacen su distribución. La idea de la Smart Grid Inteligente que tiene como objetivo una mayor eficiencia operativa para el sistema de distribución de energía eléctrica debe afectar a todos los que utilizan esta forma de energía. Así, con el fin de dar una idea de cómo funciona esto, vamos a mostrar cómo las nuevas tecnologías deben aprovechar la red de energía no sólo de una manera racional, con un uso más racional de la energía, sino también para la transmisión de datos y la gestión de funciones (PLC).

La red de energía no está destinada exclusivamente a distribuir energía. La tendencia actual es la convergencia donde muchos medios que transmiten energía e información pueden tener una interoperabilidad que nos lleva a lo que se llama cero residuos. El objetivo de reducir al máximo todo el desperdicio de energía ya se hace cargo de prácticamente todo lo que implica tecnología. Desde teléfonos móviles hasta lámparas, desde vehículos de motor hasta electrodomésticos de todo tipo.

Así, una idea de gestión del consumo energético, aprovechando la propia red de energía, es algo que ya se está estudiando intensamente y aplicado de una manera que debe ampliarse rápidamente.

Las Smart-Cities o las ciudades inteligentes ya son una realidad con la integración de diversos recursos tecnológicos como Wifi, monitoreo de tráfico, monitoreo de electricidad y consumo de agua en un solo sistema.

Los sistemas que envían información sobre el consumo de aparatos alimentados por una red de energía utilizando el cableado de esa red en sí son un ejemplo de lo que ya está ocurriendo. Los medidores de consumo que indican a una planta cuánto consume energía una residencia o el semáforo de una carretera, cuánto consume un sistema de iluminación o incluso un aparato en un período determinado, ya son una realidad.

Sin embargo, el uso de la red de energía para transmitir datos, en lo que se llamaría PLC o Power Line Communications, es algo que presenta obstáculos importantes a la tecnología.

Como el reloj de luz de su casa puede enviar datos a través de la propia red eléctrica sobre la energía que se consume, o incluso un sistema de seguridad e iluminación de un condominio puede monitorear su propio consumo es algo que merece un análisis.

 

PLC - Power Line Communication

La transmisión de datos a través de una línea telefónica no presenta muchas dificultades, ya que los datos comparten este entorno con un tipo de señal de baja intensidad, que no presenta muchos problemas ante posibles interferencias.

Sin embargo, compartir un medio en el que las corrientes de alta intensidad, sujetas a variaciones repentinas de gran intensidad, no es algo sencillo. Cuando un contacto o un relé que impulsa el motor de un refrigerador o ascensor cierra sus contactos, son producidos transitorios de muy alta intensidad, cuyas frecuencias armónicas se extienden por todo el espectro de señales que podrían utilizarse para las comunicaciones de datos.

Del mismo modo, los inversores de frecuencia, los controles de potencia, las lámparas fluorescentes y muchos otros dispositivos alimentados por una red eléctrica común generan una enorme cantidad de perturbaciones que lo convierten en un medio altamente contaminado, donde la dificultad de transmitir datos es enorme.

Esto significa una limitación a la velocidad con la que podemos transmitir datos en esta red, un obstáculo hasta la fecha que no se ha superado para que pueda utilizarse de manera eficientemente a la red de energía para acceder a la internet. La velocidad, por estas razones, sigue siendo muy limitada.

Sin embargo, para controlar un motor, llamar a un ascensor, abrir un portón, encender una luz o incluso controlar un electrodoméstico, no necesitamos una banda de muchos mega Hertz, como para transmitir una película o acceder a la internet. Una baja velocidad de transmisión de datos es suficiente que le permite pensar en la red de energía como un medio de transmisión.

Por lo tanto, podemos perfectamente, sin muchos problemas utilizar la red eléctrica para transmitir datos en pequeñas cantidades, lo suficiente, sin embargo, para tener opciones de control y monitoriamente de funciones importantes al pensar en un mejor uso de la energía, como sugiere el Smart Grid.

Entre las posibilidades que ofrece PLC destacamos el control de lámparas (dimmers) fabricadas desde cualquier lugar de una instalación eléctrica o una planta de control inteligente que gestiona la energía consumida en el lugar. El mismo sistema puede apagar o apagar las lámparas en ciertos momentos de acuerdo con la programación utilizando los comandos realizados a través de la propia red de alimentación que las alimenta. También podemos implementar sistemas de seguridad con sensores inteligentes que se comunican con una planta utilizando el cableado del propio edificio que debe protegerse.

La iluminación de las lámparas del vestíbulo puede ser comandada por el cableado en sí cuando el ascensor llega al sitio, sin la necesidad de un detector de presencia.

El seguimiento del consumo de energía, aparato por aparato registrado en una central inteligente que también lo gerencie, es otra posibilidad importante que presenta el PLC.

En la figura 1 tenemos ejemplos de electro electrónico que se pueden comunicar a través de la red de energía.

 

 

 

Figura 1 - Usando la red de energía para la interacción del equipo.
Figura 1 - Usando la red de energía para la interacción del equipo.

 

 

Una gestión de los inversores utilizados con paneles solares de plantas inteligentes se puede crear fácilmente con el fin de obtener el mejor uso de la energía generada. En la figura 2, un medidor inteligente Ericsson que permite a los consumidores gestionar el consumo de energía de sus productos electrónicos.

 

 

Figura 2 – El Smart Meter da Ericsson.
Figura 2 – El Smart Meter da Ericsson.

 

 

Cómo funciona

A través de la red de energía, una señal de 60 Hz es la corriente alterna suministrada. La superposición de esta señal se aplica una de frecuencia más alta que lleva la información. Esto se hace a través de un módem que, dependiendo de la aplicación no necesita recibir la señal, sino transmitir solamente, es decir, es apenas un modulador (sin demodulador – de donde viene nombre del módem– modulador-demodulador).

Para recibir la señal sólo tiene un filtro que separa la señal de la tensión de la red de energía (alternada). El receptor puede ser un demodulador, o un módem completo, si la aplicación requiere comunicación bilateral.

Dada la posibilidad de una aplicación cada vez mayor de los dispositivos que utilizan PLC, se han creado normas en todo el mundo con el fin de utilizar los recursos de la red de energía de manera adecuada, sin conflictos de productos o incluso causando problemas de interferencia en otros equipos y sin sufrir bruscamente la interferencia que puede ocurrir en este entorno ruidoso.

En la figura 3 tenemos un ejemplo de módem PLC que le permite extraer señales de la red de energía a un ordenador u otro equipo, o incluso enviar estas señales.

 

 

Figura 3 - Módem PLC
Figura 3 - Módem PLC

 

 

Los Estándares

La forma en que los datos se pueden enviar a través de la red de energía se establece en varios estándares. Las normas existentes tienen en cuenta los distintos entornos operaciones, así como las posibles aplicaciones.

Los más conocidos son el G3 y PRIME. Se puede decir que el G3 es "principal" de IEEE P19012 con el objetivo de aplicaciones que requieren más robustez. Dada su capacidad para trabajar mejor en entornos de alto ruido, el G3 ha sido elegido actualmente para la mayoría de las aplicaciones. En la siguiente tabla, obtenida de una documentación del Texas Instruments, damos las principales características de estos estándares.

 

Parámetro

IEC1334 S-FSK

PRIME (OFDM)

G3 (OFDM)

P1901.2/G3-FCC (OFMDM)

Tamaño de la Modulación

Spread frequency shift keying

DBPSK/DQPSK/

D8PSK

D8PSK/DQPSK/

(D8PSK)

D8PSK/DQPSK/D

8PSK/modulación coherente

Corrección de

error directo

N/A

½ tasa de código convolucional

RS externo +

tasa interna ½ código convolucional

RS externo + tasa interna ½ código convolucional

Tasa de datos

2.4 kbps

21, 42, 64, 84, 64 kpbs (con codificación)

20, 36/34, 76

(46) kpbs (con codificación)

Escalable hasta 250 kbps

Plan de

banda

CENELEC-A

Continuo 42-89

kHz (establecido por escenario LV)

36-91 kHz con enmascaramiento de tono para SFSK

CENELEC-A,

Banda FCC

Modo ROBO

No

No

Máscara de tono

No

No

Mapa de tono adaptable

No

MAC

IEC61334 MAC

PRIME MAC

Perfil 802.15 4/63

Basado en 802.15.4

Capa de convergencia

IEC61334-4-32

IEC61334-4-32/PVC

6LoWPAN/PV6

6LoWPAN/PV6

Aplicación para la medición

COSEM/DLMS

COSEM/DLMS,IP

COSEM/DLMS,IP

COSEM/DLMS,IP

 

La G3 Alliance es responsable de la evolución del estándar G3 que opera en la banda CENELEC-A utilizada en Europa de 3-95 kHz y que se puede extender a través de la banda FCC para permitir una mayor tasa de transmisión de datos en otros países.

El estándar G3 permite la comunicación bidireccional con una velocidad efectiva de 20 a 40 kbps en la banda CENELEC-A y hasta 200-400 kbps en la banda FCC (G3-FCC). Convivía con S-FSK y otras tecnologías PLC legalizadas.

Para proporcionar una mayor inmunidad mayor a las inferencias y atenuación o estándar, G3 adopta la modulación OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Como resultado, se pueden lograr alcances de hasta 6 millas en tramos entre transformadores de medias tensiones. En el caso de que haya transformadores de media y baja tensión en el trayecto de la señal, el alcance estará en la pista de 2 a 3 millas, dependiendo de varios factores adicionales.

Es muy importante destacar la capacidad de las señales para pasar a través de transformadores principalmente en áreas rurales donde la densidad de población es baja.

Lo que sucede es que los transformadores consisten en un obstáculo a las señales, posiblemente requiriendo el uso de un concentrador, cuyo propósito es "pasar" las señales a través de él, aplicándolas a un siguiente tramo de la línea.

El uso de un concentrador con estos transformadores en un lugar de baja densidad de población no compensa su costo. Debido a que el G3 permite que las señales pasen a través de los transformadores, los concentradores se pueden colocar sólo donde pueden recopilar datos de varias ubicaciones y donde se observa que son necesarios.

El G3 también constituye las partes del Anexo A y del D (G3-FCC) de la UIT G.9955 (G.9956 para G3 MAC). El IEEE está desarrollando una versión mundial de G3 con el nombre P1901.2 que se espera que esté disponible en el final de 2012.

Para lograr una mayor velocidad de datos, G3-FCC utiliza modulación coherente y varias demodulaciones para el modo robot, BPSK, QPSK, 8PSK y 16QAM con una ganancia de hasta 5 dB.

 

Además del G3

En la búsqueda de la mejor solución para la implementación de PLC, varios países están probando para verificar su rendimiento en condiciones de funcionamiento ruidosas. Podemos mencionar el caso de Corea que prueba con cables subterráneos. Pero no todos los países están adoptando G3. Países como España y Francia han elegido otras tecnologías.

 

Conclusión

La adopción de recursos que permitan el uso de la propia red de energía para transmitir datos es algo que pronto permitirá una reducción muy grande en el cableado de sistemas que hoy en día son complejos precisamente debido a su presencia. Controlar los ascensores, monitorear su funcionamiento e interactuar con otros equipos eléctricos en un edificio o condominio es algo que puede llegar a ser muy simple si usamos nuestra propia red de energía.

Para el profesional de la zona será importante conocer el principio de funcionamiento de los dispositivos que se utilizarán para este fin y contar con el equipo de prueba para instalar, realizar diagnósticos de defectos o simplemente comprobar su rendimiento.