Redes y Sistemas para el Despliegue de una Red Eléctrica Inteligente IBERDROLA REDES Dirección de Sistemas de Control y Telecomunicaciones Contenidos 1. Estructura de la Red Eléctrica Inteligente 2. Servicios de Red Inteligente en Distribución 3. Las Instalaciones, el Volumen y el Despliegue 4. La Red de Comunicaciones Troncal 5. La Red de Comunicaciones en el Acceso 6. Los Contadores 7. Conclusiones 2 Index Iberdrola 3 Iberdrola 5,1 M (RU) 2,23 M (Brasil) 1,15 M (Brasil) 0,5 M (Bolivia) 10,8 M (España) 0,6 M (EEUU) (74% es internacional) 3,13 M (Brasil) 0,07 M (Bolivia) 1,14 M (EEUU) 0,67 M (EEUU) 5,03 M (Brasil) Iberdrola Networks: Transmission and Distribution of Electricity and Gas in Europe and the Americas 30 millones de clientes a nivel mundial 4 Iberdrola • Red de Telecomunicaciones: – Fibra Óptica: • 17.000 km 5 Iberdrola • Red de Telecomunicaciones: – Radio: • Microondas: – 1,5; 7/8; 15 GHz; [18; 38 GHz; … otros]. • VHF&UHF: – 167 – 171 MHz, 415 – 425 MHz (CNAF, UN-74). – Punto a Multipunto. 6 Iberdrola • Gestión de las redes de comunicaciones: 7 Index Estructura de la Red Eléctrica Inteligente 8 La Red Inteligente • ¿Qué es la Red Inteligente? Contadores Subestaciones Sistemas Telecomunicaciones Aplicaciones Inversiones Costes Radio Movilidad Personas 9 Las TICs SISTEMAS DE INFORMACIÓN MICROELECTRÓNICA SISTEMAS DE COMUNICACIÓN – Las TICs giran en torno a tres medios: la informática, la microelectrónica y las telecomunicaciones. Lo hacen, no sólo de forma aislada, sino lo que es más significativo de manera interactiva e interconexionada, lo que permite conseguir nuevas realidades comunicativas. (Cabero, J.: Impacto de las nuevas tecnologías de la información y la comunicación en las organizaciones educativas) 10 Las TICs en la Empresa Eléctrica – En las empresas eléctricas, existe una clara división entre: o Servicios en el ámbito corporativo. o Servicios en el ámbito operacional. Los requisitos de unos y otros servicios (y sus redes y aplicaciones asociadas) son diferentes. – En el contexto de las TIC, tanto la parte operacional como la corporativa requerirán servicios por parte de los dos grupos que integran las TIC. o Sistemas de Información: Aplicaciones (de gestión o de operación, en tiempo real o no, …). o Sistemas de Comunicación: Telecomunicaciones (transmisión, conmutación,…, en redes y sistemas). TICs EMPRESA ELECTRICA INFORMACIÓN APLICACIONES OPERACIONAL COMUNICACIÓN TELECOMS CORPORATIVA 11 11 Las TICs en la Empresa Eléctrica TIC APLICACIONES TELECOMUNICACIONES CORPORATIVO CORPORATIVO • Gestión Empresarial • Ofimática de Gestión • LAN/WAN • Videoconferencia • Gestión Comercial • Ofimática de Comunicación • Gestión de Activos • Sistemas GIS • Movilidad • Call Center • Vídeo Vigilancia • Voz Fija/Móvil • Gestión de la Generación • Gestión de la Distribución • Telecontrol/Telemedida • Teleprotección • Centros de Control OPERACIONAL OPERACIONAL 12 Las TICs en la Empresa Eléctrica – Las TICs asociadas a los Negocios Eléctricos (entorno operacional) son parte consustancial de los mismos. – Las TICs en estos negocios abarcan los ámbitos de los Sistemas de Información y de los Sistemas de Comunicaciones: o o Los Sistemas de Información en Tiempo Real son críticos para el funcionamiento intrínseco de cada negocio (Distribución, Generación, Renovables, …): Operación de la Red de Distribución (decenas de miles de instalaciones). Operación de las grandes Centrales de Producción Eléctricas (criticidad). Operación de los Parques Eólicos y otros (dispersión). Los Sistemas de Comunicación proporcionan acceso en tiempo real a todas las instalaciones implicadas (decenas de miles), con anchos de banda ajustados a cada necesidad. 13 La Red Inteligente en la Empresa Eléctrica – – La red inteligente es un nuevo concepto para las redes eléctricas: o La red inteligente responde a los crecientes retos y oportunidades proporcionando beneficios a todos los actores involucrados a fin de funcionar de forma eficiente y efectiva. o En la red inteligente se aplicarán tecnologías modernas a los productos y servicios de la red con el acercamiento al usuario como elemento central de la misma. La red inteligente representa un avance en la red eléctrica que supone modificaciones en gran parte de los ámbitos de las empresas del sector eléctrico: Telemedida: Real Decreto 1110/2007. Telecontrol: incremento de la penetración del 3% al 10%. Automatización: mejora del TIEPI. Eficiencia Brigadas: en costes y en tiempo. Generación Distribuida: es una realidad creciente. 14 14 La Red Inteligente en la Empresa Eléctrica SISTEMAS DE INFORMACIÓN – En cuanto a los sistemas de información, serán necesarias aplicaciones que soporten las necesidades de los dispositivos de la red: o Sistemas de Automatización de la Distribución. o Sistemas de Gestión de la Medida. o Sistemas de Gestión de la Energía. o Sistemas de Gestión de la Demanda. o Sistemas de Gestión de los Activos. o Sistemas Geográficos de Información. o Sistemas de Diseño, Modelado y Simulación. o Sistemas de Soporte a la Operación en Campo. o … 15 15 La Red Inteligente en la Empresa Eléctrica SISTEMAS DE COMUNICACIÓN – En cuanto a los sistemas de comunicación se refiere, deberán ser capaces de soportar el tráfico bidireccional creciente, así como proporcionar soluciones de comunicaciones en millones de emplazamientos con diferentes condicionantes de acceso y servicio: o Capilaridad: o Ancho de Banda: según las necesidades de cada dispositivo inteligente, la necesidad debido a la ubicación distribuida de los dispositivos a comunicar, la red deberá ser capaz de llegar a todos ellos. de ancho de banda será diferente. o Bidireccionalidad e Interactividad: o Escalabilidad y Flexibilidad: con la intención de poder hacer frente a futuros cambios o ampliaciones con facilidad, la solución de comunicaciones debe ser fácilmente ampliable. o Fiabilidad y Seguridad: por la naturaleza crítica de algunos de los servicios requeridos por los dispositivos inteligentes, los canales de comunicación deben ser muy fiables. o … por la naturaleza de los dispositivos y su funcionalidad, es necesario soportar tráfico bidireccional entre ellos y la cabecera. 16 16 Index Servicios de Red Eléctrica Inteligente en Distribución 17 Contexto Global “Smart Metering”: primer paso hacia la “Smart Grid” 18 Las Comunicaciones como habilitador Redes y servicios: Sistema 2 Sistema n … Sistema 1 Red de Comunicaciones … Servicio n … Servicio 2 … Servicio n Servicio 2 Servicio 1 … Servicio n Servicio 2 Instalación 2 Instalación 3 Servicio 1 Instalación m Servicio 1 … Servicio n Servicio 2 Instalación 1 Servicio 1 • 19 La Obligación de la Medida en España • En España los contadores de energía eléctrica domésticos deben ser capaces de: – Ser gestionados a distancia. – Ser facturados según el momento de uso. R.D. 1110/2007 (adaptado recientemente por la Año 1 2 3 4 5 Orden IET/290/2012, de 16 de Febrero) 6 7 35% 1/01/2008 1/01/2011 8 9 35% 31/12/2014 100% 10 Año 11 30% 31/12 /2016 31/12/2018 Iberdrola pretende aprovechar la oportunidad que le aporta el R.D. para impulsar no solo la medida inteligente, sino también la inteligencia en la red de distribución eléctrica. 20 La Oportunidad Marco de Oportunidad Construyendo la Oportunidad … y todo ello desde el despliegue de una red de medida inteligente. 21 La Red Inteligente gira entorno al Centro de Transformación Distribution Network Management Centre Consumers and Retailers Information SCADA AMM System Smart Grid Smart Metering • • • • • MV and LV Supervision • Assets Alarms. • Fault detection (no trial & error method) • Automation and MV Grid real time control. • Customer care improvement Remote readings (energy + power) Quality of supply parameters Remote tariffs programming Remote Connect/Disconnect LV Grid Meters ( x 106 ) Distributed Generation Connections (PV, CHP...) MV Grid Secondary Substations ( x 104 ) Growing number of Wind & PV connections HV Grid Substations (Automated) ( x 102 ) 22 El Modelo de la Medida Inteligente ENERGY Meters ( x 106) Secondary Substations ( x 104) LV Grid Customer LV segment DATA/ TELCOMMS PLC PRIME MV Grid GPRS PLC MV ADSL AMM SYSTEM Customers - Readings - Work orders IT SYSTEMS BUSINESS RETAILERS Information and interface with customer • Access Tariffs Invoicing • Readings • Subscriptions/ Unsubscriptions/ Changes. • Connect/Disconnect orders • Claims Aggregated Information Points of supply Business IT (SCADA, IT planning…) Information 23 … y su Evolución hacia la Red Inteligente • Nuevas posibilidades proporcionadas por la “inteligencia de red”: transformación del negocio. • Con gran impacto en: o Calidad del Suministro o Reducción de Pérdidas o Mejora en la Operación Supervisión: Tensión, intensidad, Carga por fase, temperatura, vigilancia, etc. Automatización: • Control remoto dirigido por las aplicaciones. • Control remoto dirigido por operador humano. 24 24 Diferentes Niveles de Inteligencia Los 3 conceptos en los CTs en Iberdrola España: Sec. Subst.Level NIVEL BASIC BÁSICO Remote Metering Sec. Subst.Level MONITORED Sec. Subst.Level AUTOMATED Remote Metering MONITORED level + • MV measurements • LV measurements • Directional Fault detection • Alarms Legal Mandate Opportunity + Remote control + Automation Operational needs 25 Diferentes Niveles de Inteligencia NIVEL BÁSICO: Medida Remota • Instalaciones “pequeñas”: – Aspectos de seguridad, tamaño, aislamiento, … – Temperatura. – Conexión a diferentes elementos dentro del CT. • Concentración de datos. • Comunicaciones IP. • Poca redundancia. 26 Diferentes Niveles de Inteligencia MONITORIZACIÓN & AUTOMATIZACIÓN Monitorización de MT Automatización IEC-104 WAN Vcc IEC-104 R, S, T, N Vcc 27 Index Proyecto STAR: De la Medida Inteligente a la oportunidad de la Red Inteligente Sistema Telegestión Automatizac. Red 28 Castellón Iberdrola opera en Castellón de la Plana la primera ciudad con red eléctrica inteligente en España • 583 CTs con variedad de tipologías (de 1 a 3 transformadores) • 100.973 puntos de suministro, 175.000 habitantes • Variedad de topologías de BT • Urbano, suburbano, rural, industrial • Diferentes activos, edades, obsolescencia Alcance: 384 CTs, Medida Remota + Supervisión 66 CTs, Medida Remota + Automatización 29 Más allá de Castellón 30 1 millón más de Contadores Instalados en 2012 31 Hacia una Empresa Eléctrica Renovada • Las Redes Inteligentes: – Permiten modificar los procedimientos operativos de trabajo. – Reducen los tiempos de interrupción de red: • Aislamiento y localización de faltas en las líneas (MT&BT). • Mejoran el conocimiento y permiten la monitorización en tiempo real de la red. • La Red Inteligente proporciona la oportunidad de: – Mejorar los procedimientos de trabajo. – Optimizar las estructuras. • Los técnicos deben prepararse para este nuevo entorno: – Elementos electromecánicos –> + Electrónica y telecomunicaciones. – Flexibilidad para trabajar tanto en MT como en BT. • La Formación es fundamental, y la Transformación llevará su tiempo. 32 Index Las Instalaciones, el Volumen, el Despliegue 33 Instalaciones de Distribución Tipo Cifras Subestaciones (ST & STR) Miles (1.300, IBD, España) Subestaciones de Distribución en Superficie + En postes Decenas de Miles (36.000 + 26.000, IBD, España) Subestaciones de Distribución Subterráneas Decenas de Miles (26.000, IBD, España) Puntos de Suministro Millones (10.500.000, IBD, España) 34 El Reto del Ancho de Banda Brigadas Scada Manten. Gestión de Medida Datawarehouse DSO TSO Serv Com. Serv Com. Gbps Red de Telecomunicación RED RTU Mbps kbps MEDIDA & GAD Subestación Secundaria Telecom. Cámara Sensores IP Actuadores Mbps Detalle de la Red del Hogar APLICACIONES Puntos de Suministro Planif. PLC 35 El Reto del Despliegue • CTs 36 El Reto del Despliegue • Contadores 37 El Reto del Despliegue • Telecomunicaciones Alarm! 38 Index La Red de Comunicaciones Troncal 39 La Red Troncal de Telecomunicaciones Red Telecomunicaciones RED TRONCAL - Cientos - IP RED ACCESO - Miles - IP CT PRIME LV -Millones -No IP (banda estrecha) 40 La Arquitectura Head End PLC: PRIME Private, Fixed / Mobile Network Private, Fixed / Mobile Network MPLS/SDH/FO SS PLC: MV (BPL) Public Network PLC: PRIME Public Network Public Network PUBLIC NETWORK SSS S PLC: PRIME Fixed/Mobile Public Network S S SS 41 41 Index La Red de Comunicaciones en el Acceso 42 Tecnologías de Acceso Red Telecomunicaciones de Acceso MV BPL RED ACCESO 43 Tecnologías de Acceso Selección de las Tecnologías de Comunicaciones 1. 2. 3. 4. Fibra Óptica. Radio Digital. ADSL/HFC. 2G/3G. Soluciones de 3os … y combinaciones de tecnologías: A. Fibra Óptica + BPL. B. ADSL/HFC + BPL. C. 2G/3G +BPL. Criterios económicos Retorno de la inversión 44 Prestaciones BPL vs. GPRS • Comparativamente con la tecnología alternativa mayoritaria en el despliegue de Iberdrola, el BPL ofrece unas prestaciones netamente superiores: GPRS Velocidad Latencia • BPL 10 kbps – 20 kbps 100 kbps – 2 000 kbps 400 – 700 ms 80 – 150 ms Ejemplos de funcionamiento: – Actualización de Firmware (FW) de un Concentrador de Datos: Imagen FW = 1,5 MB; Velocidad Mínima GPRS = 20 min.; BPL = 2 min. Velocidad Máxima GPRS = 10 min.; BPL = 6 seg. – Carga de la página web de un Concentrador de Datos: Página Web = 0,05 MB; Velocidad Mínima GPRS = 40 seg.; BPL = 4 seg. – Tiempo de recuperación de datos de una remota de telecontrol, con datos que actualizar: Velocidad Mínima / Latencia Máxima GPRS = 4,88 seg.; BPL = 0,81 seg. Velocidad Máxima / Latencia Mínima GPRS = 2,64 seg.; BPL = 0,33 seg. 45 BPL vs. GPRS vs. Conexión a Red (compartic. Costes) GPRS 46 BPL vs. GPRS • La utilización de la tecnología BPL permite independizar la red así desplegada de: – Los gastos recurrentes en comunicaciones de operador por instalación individual. – La ausencia de control de los usuarios sobre las redes de los operadores en términos de protección del servicio. – Las evoluciones naturales y por decisiones de negocio de las redes en propiedad de los operadores. • Con las hipótesis contempladas en el plan de desarrollo de la red inteligente, el conjunto de inversión y gasto recurrente, establecen un periodo de tiempo transcurrido el cual los costes son favorables al desarrollo de soluciones BPL. 47 Aspectos Generales 48 Equipos en el CT Ejemplo de Implementación (I): fibra óptica + BPL IBERDROLA NETWORK Secondary Substation (MV/LV) Optical Fiber Network MV BPL Optical Fiber MV Line Coaxial Ethernet LV Line To other substation MV Line LV Lines Filter RACK MV Cabinet BPL Coupler MV Cabinet BPL Coupler To other substation MV Line 49 Equipos en el CT Ejemplo de Implementación (II): 2G/3G + BPL Secondary Substation (MV/LV) IBERDROLA NETWORK 2G/3G TELCO NETWORK MV BPL LV Lines MV Line Coaxial Ethernet LV Line To other substation MV Line Filter RACK MV Cabinet BPL Coupler MV Cabinet BPL Coupler To other substation MV Line 50 Proceso de Planificación de Telecomunicación para STAR • • • Se realiza antes de que exista ningún replanteo: planificación inicial. Tras los replanteos: planificación final. Objetivo: minimizar el número de instalaciones que no pueden ser comunicadas, dentro de los condicionantes técnicos y económicos. – Primer paso: Se fijan las subredes BPL SCPs (estático; no adaptable posterioridad) • Con BPL, por restricciones tecnológicas, no se pueden cubrir todos los CTs • No se aplica sobre las líneas aéreas Áreas Urbanas – Segundo paso: Se asume la existencia de cobertura GPRS en CTs no cubiertos por BPL, si el CT no es Subterráneo. – Tercer paso: Se examina la posibilidad de dotar de soluciones ADSL a determinados CTs (automatización, troncales) CTs de LONJA. 51 52 53 ¿Otras? 54 Tecnologías Acopladores Capacitivos BPL. BPL Signal Coupling Aire SF6 CAMT5 CAMT1 55 ¿GPRS en Zonas Urbanas, CTs Subterraneos? Rendimiento del GPRS • Ejemplo Real • Los entornos urbanos, para CTs Subterráneos son los más desfavorables para el funcionamiento del GPRS. FECHA FIN Fallidos Timeouts > 30s Media (ms) Aceptacion 05/04/2012 12/04/2012 19/04/2012 23/04/2012 30/04/2012 02/05/2012 21/05/2012 4.35% 3.00% 3.55% 2.98% 4,54% 3,91% 0.05% 0.00% 0.00% 0.00% 0,00% 0,00% 67 1 39 4 25 27 1063.29 923.82 969.24 957.31 951,79 949,09 NOK NOK NOK NOK NOK NOK 3.92% 0.00% 57 1232.23 NOK Umbral mínimo es 1% Caídas 57 Index Los Contadores 58 Aspectos Básicos de PRIME • PRIME significa PoweRline Intelligent Metering Evolution: – Es un protocolo de telecomunicaciones utilizado para la Smart Grid (principalmente Smart Metering). – Es una tecnología Power Line Communications (PLC). – Definido originalmente en las OSI layers 1 & 2. – Se diseño como una solución proyectada hacia el futuro: • Estado del arte. • Economía de escala (abierta, interoperable). • PRIME es una Recomendación de la UIT, Telecomunicaciones: Annex B of ITU G.9955 & 9956. • PRIME nace con la certeza de que existe una manera de aplicar las técnicas de PLC de banda ancha al entorno de la banda estrecha reservada CENELEC A para las aplicaciones de Distribución. 59 59 Aspectos Básicos de PRIME • La utilización de PRIME se enfoca en los sistemas de medida PRIME. Management Plane FW Upgrade 60 Contadores como Repetidores de Señal PRIME • Los contadores PRIME pueden automaticamente configurarse y comportarse como Nodos Terminales o Nodos de Repetición (switches). • Los Nodos de Repetición (switches) ayudan a los Concentradores (Nodos Base) a que las comunicaciones de todos los contadores lleguen al mismo. … 61 Aspectos Básicos de PRIME Capa PHY: banda estrecha, tecnología OFDM PLC • Ya ITU-T G.9955/G.9956. En camino CENELEC 52056-4-4 y 520568-4. • Principales características de capa física (PHY): – Banda CENELEC A, según EN 50065-1:2011. – OFDM. – 96 portadoras de datos y 1 piloto. – Sincronización de trama robusta, y detección con preámbulo chirp. – Entrelazado convencional. – Codificador convolucional ½. – Codificación digital: modulación diferencial en el dominio de la frecuencia (DBPSK, DQPSK, D8PSK). 62 Aspectos Básicos de PRIME Capa MAC: Maestro-Esclavo, redes plug&play • Principales prestaciones MAC: – Paradigma Maestro – Esclavo muy marcado. – Elementos repetidores (Switch) configurados automática y dinámicamente, para extensión de la cobertura. – Configuración de topología dinámica, adaptativa, y en tiempo real. El Nodo Base gestiona la topología completa de la red en todo momento. – Pequeño número de mensajes de control a nivel de capa MAC. – Acceso al canal CSMA/CA, con multiplexación TDM asignados por el Nodo Base. – Mecanismo de retransmisión ARQ, opcional. – Seguridad a nivel de capa MAC (AES-128 based), opcional. 63 Aspectos Básicos de PRIME Capas de convergencia mútiples, posibles • Características principales de las capas de convergencia: – Soporte flexible para todo tipo de aplicaciones. – Definidas en la actualidad: • IPv4 • IPv6 • IEC 61334-4-32 • Null – Actualización de Firmware. – Mecanismo de detección de fase. 64 Aspectos Básicos de PRIME 65 Aspectos Básicos de PRIME PRIME Alliance (AISBL), miembros a Oct 2012 http://www.prime-alliance.org/ Un total de 50 miembros … … … … … 66 Estrategia de Despliegue de Contadores • Dentro de un CT. 67 67 Estrategia de Despliegue de Contadores • Contadores. 68 Estrategia de Despliegue de Contadores • Desplegar los Concentradores de los CTs, con PRIME: cuantos más y adyacentes, mejor; y si puede ser antes de poner los contadores, mejor: – Inyección monofásica. – Inyectar PRIME en todos los paneles de BT. • Desplegar Contadores en todos los CTs: cuantos más mejor. MONITORIZAR el comportamiento PRIME & Contador, ANALIZAR los resultados obtenidos. La tecnología PRIME es plug&play, pero deben ser despliegues controlados para entender su rendimiento y facilitar su operación y mantenimiento. 69 Index Conclusiones 70 Conclusions • La medida inteligente (Smart Metering) es un mandato legal en España, y una oportunidad para desplegar la red inteligente (Smart Grid) en Iberdrola. • Las Telecomunicaciones son clave para el éxito: o PLC Banda Estrecha para acceso a los contadores en la red de BT. o PLC Banda Ancha (BPL) en la red de MT para conseguir comunicaciones privadas, y eficientes en costes. o Integración de muchas tecnologías existentes. Ethernet e IP son habilitadores clave. o Interoperabilidad entre fabricantes: – A nivel de Medida (Concentradores de datos y Contadores). – Centros de Transformación (intra e inter). – Nivel de Sistemas. o Tecnologías de dominio público y privado. o Redes públicas que se adecuen a los requisitos de rendimiento. • La logística, el empleo de recursos humanos y materiales, la planificación, los procedimientos, el software y los sistemas son complejos y en evolución continua. 71 Index Gracias Alberto Sendín [email protected] 72