Propuesta de bases para implementación de redes HAN y smartmeters en smartgrids/Proposal of bases for networks implementation HAN and smartmeters in smartgrids

Abstract

This paper provides a firm foundation for the implementation of Home Area Networks (HAN) and metering infrastructure, orientated to the transport of information acquired in Smart Grids. The general aim of the research is to implement a HAN on the basis of a hybrid Broadband Power Line (BPL) and Ethernet TCP/IP system, along with the integration of Smartmeter for electric parameters measurement. Finally, the present work proposes a base of technical design criteria for the implementation of these kind of systems in Chile.

Headnote

RESUMEN

El presente trabajo entrega las bases para la implementación de redes HAN (Home Area Network) e infraestructura de medición, orientadas al transporte de datos, en donde la investigación tiene por objetivo general realizar una implementación de una red HAN a base de redes BPL (Broadband Power Line) y Ethernet TCP/IP, además de la integración de un sistema de medición Smartmeter. Finalmente este trabajo de investigación propone una base de criterios técnicos de diseño para la implementación de estos sistemas en Chile.

Palabras clave: Smartmeters, HAN (Home Area Network), smartgrids, BPL (Broadband Power Line), AMI (Advanced Metering Infraestructure), PLC (Power Line Communication).

ABSTRACT

This paper provides a firm foundation for the implementation of Home Area Networks (HAN) and metering infrastructure, orientated to the transport of information acquired in Smart Grids. The general aim of the research is to implement a HAN on the basis of a hybrid Broadband Power Line (BPL) and Ethernet TCP/IP system, along with the integration of Smartmeter for electric parameters measurement. Finally, the present work proposes a base of technical design criteria for the implementation of these kind of systems in Chile.

Keywords: Smartmeters, HAN (Home Area Network), smartgrids, BPL (Broadband Power Line), AMI (Advanced Metering Infrastructure), PLC (Power Line Communication).

INTRODUCCIÓN

La red eléctrica inteligente (SmartGrid) es una forma de gestión eficiente de la electricidad que utiliza la tecnología informática para optimizar la producción y la distribución de electricidad con el fin de equilibrar mejor la oferta y la demanda entre productores y consumidores. El término red inteligente se asocia a menudo con el concepto de medidores inteligentes capaces de ofrecer una facturación detallada por franjas horarias, lo que permitiría a los consumidores no solo el elegir las mejores tarifas de entre las diferentes empresas eléctricas, sino también discernir entre las horas de consumo, lo que permitiría un mejor uso de la red.

Este sistema también permitiría mapear con mayor precisión el consumo y anticipar las necesidades futuras a nivel local. La irrupción de las energías renovables en el panorama energético ha cambiado notablemente los flujos de energía en la red eléctrica, ahora los usuarios no solo consumen sino que también producen electricidad por medio de la misma red. Por tanto, el flujo de energía es ahora bidireccional. Una red inteligente envía electricidad desde los proveedores a los consumidores usando una tecnología digital bidireccional para controlar las necesidades del consumidor. Esto ayuda a ahorrar energía, reducir costes e incrementar la usabilidad y transparencia.

Junto con lo anterior, ayuda a reducir las emisiones de CO2 y el calentamiento global [1].

Desde el punto de vista conceptual y en su forma básica, un sistema o esquema de SmartGrids está compuesto por tres estructuras bien definidas, las cuales corresponden al área de las redes en el hogar (HAN: Home Area Network), luego el conjunto que agrupa por sectores residenciales (NAN: Neighborhood Area Network) y finalmente el área que corresponde a la distribución y generación (WAN: Wide Area Network).

Todas ellas poseen un conjunto de capas para transporte de información, las cuales están actualmente analizadas desde el punto de vista de la interoperabilidad de la información mediante la IEEE 2030-2011 [1]. El diagrama de la Figura 1 da una visión sistémica de las distintas escalas de área de cobertura que se pueden definir en un sistema SmartGrids.

SMARTGRID, PROPUESTA PARA EL DISEÑO DE REDES HAN

Debido al creciente número de tecnologías asociadas a la implementación del concepto de SmartGrids, todas ellas orientadas a cumplir diferentes normativas que cada día van evolucionando, como por ejemplo la especificación de mensajería de la DLSM-COSEM sostenida por la ETSI TR 102 691, correspondiente a la comunicación M2M (Machine to Machine), además de IEEE 2030, que habla de la interoperabilidad de los diversos bloques funcionales de manipulación de información en el concepto SmartGrids. Sin embargo, todas estas normativas actuales dejan un pequeño vacío respecto de la estructura y protocolos, en resumidas palabras no hay un estándar o vías de estandarización en cuanto a las estructuras o capas físicas respecto del área de obtención de los datos que alimentarán a los bloques de información de SmartGrids. Es por esto que a base de lo antes mencionado, este trabajo tiene por objetivo principal entregar las bases para el diseño de una arquitectura HAN basada principalmente en redes LAN, pero utilizando como medio de transporte un canal de información basado en PLC (Power Line Communication), o desde el punto de vista de la IEEE 1901.1/2 BPL (Broadband Power Line), pero con una modulación ODFM como banda base. Por otra parte, realizando un análisis de los trabajos anteriores [3-4, 7] se puede ver claramente que una de las tendencias para el diseño o bases de la infraestructura de las redes en la HAN corresponden al uso de PLC (Power Line Communication) [5], las que mediante diferentes tipos de modulación FSK y OFDM [2, 3, 5], siendo esta última una nueva tendencia gracias a las ventajas que puede sostener en comparación al uso de FSK como sistema de modulación en la transmisión de datos, siendo ambas válidas desde el punto de vista de aplicación con un único canal de comunicación.

Por otro lado, desde el punto de vista de la tendencia del desarrollo de nuevas tecnologías para la construcción de los bloques AMI (Advanced Metering Infrastructure), los cuales son equipos muy sofisticados capaces de procesar mucha información, inclusive pueden llegar a procesar o tomar roles que están fuera de la definición de HAN, tomando el control de equipos como los DC (Data Concentrador), inclusive algunos equipos han sido orientados a la domótica, olvidando en muchos casos la normativa que actualmente está rigiendo la interoperabilidad de la información [4, 7] y el fin principal del concepto SmartGrids. Más aún, las AMI pueden llevar a cabo la sincronización de la red eléctrica, respecto de la autogeneración eléctrica en un domicilio, es decir, es capaz de controlar elementos de control para entregar energía a la red. Esto último es muy importante, sobre todo en nuestro país, debido a las últimas legislaciones que regulan la autogeneración, y el envío de energía eléctrica desde un domicilio a la red [8].

BASES DEL DISEÑO

Las soluciones íntegras, que van desde el medio de transmisión hasta el tipo de protocolo de transmisión, son los conceptos de base que este trabajo de investigación abordará, analizando el concepto de SmartGrid, el que involucra un concepto o definición esencial dentro del sistema, sobre todo desde la adquisición de datos, este concepto es el de Smartmeter. Desde el punto de vista del concepto de SmartGrid, el Smartmeter corresponde al medidor inteligente, que a su vez en términos de sistema corresponde a la sección AMI [3] de la estructura de SmartGrid, principalmente, las funciones que este dispositivo posee son las de recolección de datos, Gateway para comunicación con los concentradores de datos de las NAN, y finalmente posee la capacidad de obtener información de las NAN y reflejarlas en los display del hogar, inclusive realizar algunos comandos de traspaso como la transferencia de energía de sistemas de almacenamiento para inyección de potencia a la red [8].

Respecto de las bases mismas del diseño, la arquitectura de comunicaciones propuesta para estos fines es mostrada en el diagrama de la Figura 2. Sin embargo fuera del ámbito de la HAN las comunicaciones son TCP-IP y no basadas en PLC.

Se puede observar que la arquitectura propuesta usará como medio físico la arquitectura de distribución eléctrica del domicilio. Para llevar a cabo la transmisión de datos se utilizará módem o transreceptores BPL, los cuales utilizarán la modulación OFDM como banda base [5] para la transmisión de datos. Las tramas BPL por su parte transportarán el protocolo Ethernet TCP/IP, el que será utilizado para coordinar el acceso al medio de los nodos de medición y la infraestructura AMI. Por otra parte, Ethernet transportará tramas de datos ASCII o HEX mediante RS232, en donde estás últimas transportarán la información propia de mediciones y/o acciones a realizar en la red HAN (variables eléctricas, comandos de activación de contactores o relés, entre otras). Gracias al uso de Ethernet como el protocolo preponderante en la red HAN, permite interoperabilidad y gestión de la información en forma universal (acceso a datos por medio de redes LAN, por medio de routers, gateways, etc.).

SMARTMETER

El Smartmeter, como se ha mencionado en otras ocasiones, deberá ser considerado un elemento inteligente que procesará la información proveniente de los medidores locales de la red HAN, los cuales serán dispositivos que realizarán mediciones de algunos parámetros eléctricos o de servicios en general, en este caso. Los parámetros serán principalmente eléctricos como son tensión y corriente de la red domiciliaria.

El Smartmeter deberá tener la siguiente funcionalidad, la que se muestra a continuación en la Figura 3.

Como se puede apreciar, los Smartmeter poseen tres áreas de trabajo o interoperabilidad bien definidas, las cuales son a modo de infraestructura, en donde el equipo deberá tener la capacidad de procesamiento, almacenamiento, y comunicación.

Como se indica en la Figura 3, esta operatividad de los Smartmeter está dividida en:

* Dispositivos (medidores locales y elementos de control).

* Infraestructura (funcionalidad del Smartmeter).

* Aplicaciones (aplicaciones de los datos adquiridos).

Conocido ya el desempeño funcional que el Smartmeter debe tener, es necesario definir cómo realizará las tareas antes mencionadas. Principalmente los Smartmeter están compuestos por áreas bien definidas, todas ellas interconectadas entre sí, definiéndose como subsistemas los diferentes bloques funcionales que a él lo conforman, donde se realizarán las tareas antes mencionadas, por ejemplo desde la zona de acoplamiento para recepción de la señal de datos modulada; posterior a eso, el Smartmeter deberá poseer una unidad de conversión análoga digital. Adicional a lo anteriormente descrito se encuentra la recepción de datos, la que podrá ser realizada a base de un MCU o microcontrolador de gama media, el cual puede ser utilizado como DSP (Digital Signal Processor). Realizando la definición final y ya a nivel de estructura de sistema, el Smartmeter deberá poseer la arquitectura que se muestra en la Figura 4.

Debido a las anteriores características, desde el punto de vista funcional como la de las tareas propias de los bloques que conforman el Smartmeter, los resultados e interacciones de este deberán estar regidos por la IEEE 2030.

PROPUESTA DE DISEÑO SMARTMETER Y HAN

El diseño que se propone está ligado ciento por ciento respecto de la estructura mostrada en la Figura 4, donde se pretende desarrollar los tres bloques funcionales a modo conceptual. Posteriormente se realizará una explicación de cada uno de los bloques para posteriormente continuar con el desarrollo del bloque de comunicación.

BLOQUE DE ADQUISICIÓN Y PRIMER PROCESAMIENTO

El bloque de adquisición y procesamiento corresponde al bloque encargado de convertir las señales eléctricas de tensión y corriente en forma continua, donde posteriormente las señales serán acondicionarlas para luego ser procesadas y digitalizadas.

Por lo general, para la obtención de estas señales se utilizan transformadores de corriente de una relación 100:1, a su vez la tensión podrá ser medida mediante el uso de un transformador convencional o por una toma de muestras directa, la que será disminuida a niveles manipulables (9 - 12 Vac) por medio de circuitos divisores de tensión o circuitos integrados especializados, un ejemplo de esto se encuentra en la Figura 5.

Posteriormente las señales han sido llevadas a niveles en los cuales los dispositivos S°C (Single on Chip) comenzarán la etapa de digitalización, para ello se utilizarán sistemas de cuantificación por medio de ADC o conversores analógicos a digital en donde las magnitudes obtenidas serán enviadas por SPI (Serial Peripherical Interface), la que es una puerta serial síncrona universal, esta información es transmitida directamente al DSP y a la unidad MCU (Figura 4).

BLOQUE DE PROCESAMIENTO

Como anteriormente se mencionó, este bloque tiene la misión de recepcionar datos, procesarlos en función a las aplicaciones que en él se sustentarán, y enviarlos por el link de comunicaciones o el módulo de comunicaciones hacia el DC de la NAN, así como también enviar datos al interior de la HAN por medio del mismo medio de la red PLC.

Para una mejor compresión de este módulo, se realizará una simulación de este por medio de Simulink. Él tomará los datos provenientes desde el modulo DSP para luego ser enviado vía bus de datos al módulo de procesamiento MCU.

El módulo de procesamiento está compuesto, según el diagrama de la Figura 6, por el microcontrolador, el que interiormente posee una memoria EEPROM donde se almacenará el "sistema operativo principal".

El modelo principalmente representa en forma simplificada la emulación de la red eléctrica. El diagrama de flujos del proceso de simulación se indica en la Figura 7.

La forma nativa de la trama de datos es la que se indica en la Figura 7.

La trama propuesta consta de algunos campos, y en esencia es bastante simple, ya que esta puede soportar un máximo de 128 bytes. Se puede apreciar que la trama propuesta está formada por los campos HEADER, PAYLOAD y FCS. Todos los campos "Float" (%f, Figura 8) corresponden a campos hexadecimales, que poseen codificado un equivalente real, convertido a un número hexadecimal, pero convertidos a 8 bits bajo el estándar IEEE 754 [6].

BLOQUE DE TRANSMISIÓN Y COMUNICACIONES

Este bloque esencialmente posee la tarea de tomar los datos provenientes del bloque procesador, los cuales a grandes rasgos serán encapsulados en la trama Ethernet TCP/IP, los que luego serán enviados directamente al módem PLC bajo modulación en banda base OFDM, finalmente es aquí donde se realiza la interconexión a la red o a las líneas de fuerza del domicilio formando el nodo correspondiente que forma parte de la red. Esencialmente el flujo de información es como se indica en la Figura 9.

Respecto del encapsulamiento de los datos en Ethernet, esto está solucionado por medio de un S°C (Figura 10).

Los datos son recepcionados por el S°C vía UART. Los datos serán enviados al "core TCP/IP", en donde el controlador podrá manejar 4 protocolos (ICMP, IGMP, TCP y UDP), esto a nivel de capa transporte. Cabe agregar que este sistema es capaz de manejar conexiones Ethernet del tipo Fast Ethernet 100-Base- TX y 10-Base-T con velocidades 10/100 Mbps.

LA TRANSMISIÓN

BPL utiliza dos portadoras, una física y otra virtual, de tal manera que la física es la encargada de la transmisión propiamente dicha, mientras que la virtual no es más que una señal de sincronización que permite conocer si el medio está ocupado.

PROPUESTA DISEÑO HAN

Según lo descrito en los párrafos anteriores, se entrega una propuesta concreta frente al desarrollo de una red HAN, la que a base de la propuesta de arquitectura será simulada en forma básica mediante el uso del modelo virtual del Smartmeter y un nodo real, el que podrá obtener los datos desde un punto a otro por una red real BPL, esta estará integrada por dos nodos siendo uno de ellos el Smartmeter virtual.

La Figura 11 muestra la arquitectura en detalle para cumplir con la interoperabilidad de la HAN vs. NAN haciendo de ello un sistema flexible a la hora de poder manipular los datos o variables que se manejan en la red.

Desde el punto de vista operativo, todos los consumos trabajan basados en RS232, luego su datos serán integrados o encapsulados en un trama Ethernet, la cual será adecuada para trabajar en BPL [5]. En cuanto al Smartmeter, este recuperará los datos extraídos, los procesará y dejará a disponibilidad de la NAN, ya sea por una transmisión periódica de estos o por polling desde el concentrador de datos de la NAN, para ello el sistema con los datos podrán quedar disponibles en la NAN, ya sea por medio de un gateway Ethernet vs. otro protocolo ya sa GSM/GPRS por ejemplo.

Desde el punto de vista de interoperabilidad, los datos, al haber sido encapsulados en Ethernet, podrán ser vistos como un nodo más dentro de la red local (LAN), en donde los datos se podrán rescatar desde el Smartmeter, o un computador conectado a la LAN como se aprecia en la implementación de la red.

IMPLEMENTACIÓN RED HAN

Ahora ya conocida la estructura de la LAN se procederá a realizar la simulación de la arquitectura BPL para un red HAN en Smartgrid. Para realizar esta simulación se implementó un modelo virtual que representará al Smartmeter, el que mediante la integración de un puerto USB será convertido en protocolo RS232, el cual será transportado bajo Ethernet.

El puerto Ethernet será conectado a un transreceptor BPL, el cual está regido por la IEEE 1901.1, el otro transreceptor será conectado a un router WIFI/LAN, en donde se conectará al switch integrado LAN, para formar parte de la red. Los datos desde el Smartmeter serán recuperados en un computador personal, en donde por medio del software Hyperterminal se formará un socket para establecer el canal virtual entre los dos puntos de la red, en donde se demostrará la transparencia de la red BPL y la interoperabilidad y transparencia de la red en función de lo establecido en la IEEE 2030. La Figura 12 muestra el esquema de simulación de la red HAN.

Desde el punto de vista de configuración de las pruebas, el lado del cliente con IP 192.168.0.104 fue direccionado a un socket, el cual está configurado según la Figura 13, donde el IP estático 192.168.0.120 (Smartmeter) tiene como puerto reservado el puerto 62100 de uso general. La comunicación se realizará mediante estas dos IP, una conectada a BPL (Smartmeter) y la otra (cliente) ubicada en la red LAN local (Figura 12).

Desde el punto de vista de la trama de datos, se utilizó el software Sniffer Wireshark, el cual es una herramienta libre que permite el análisis de tráfico en una red, así como la disección de las tramas recibidas, en donde el puerto de análisis se configura en modo "promiscuo" permitiendo la captura de todo el tráfico que por él circula, en este caso el software corre desde el lado del cliente.

Para finalizar, en la Figura 14 se puede apreciar claramente los datos en ASCII que fueron encapsulados en la trama Ethernet, y que fueron enviados a partir de un puerto serial.

Como se pudo apreciar, se ha demostrado la interoperabilidad de las redes mixtas pero por sobre todo la capacidad de transporte por parte de BPL.

CONCLUSIONES

Se puede apreciar en este paper, y en referencia a papers anteriormente realizados, la factibilidad de realizar un propuesta concreta de fácil implementación y bajo costo referente a las redes HAN para SmartGrid, las cuales utilizando el alambrado existente en un domicilio puede ser implementado sin problemas debido a la adaptabilidad que OFDM al ser aplicado en PLC tiene.

Por otra parte, también este trabajo deja como precedente la implementación de diferentes protocolos altamente difundidos para así lograr la interoperabilidad que la normas vigentes exigen al momento de aplicar el concepto SmartGrid.

A su vez, el desarrollo realizado mediante las tecnologías usadas deja una puerta abierta a la escalabilidad y la integración de las redes SmartGrids, las cuales pueden ser una realidad en nuestro país, comenzando simplemente por la implementación de la redes de HAN, de bajo costo, extrapolando con el tiempo y en función a la inversión las otras áreas correspondiente a la integración en redes de vecindario NAN y finalmente integrándolas a las redes de distribución WAN.

AGRADECIMIENTOS

Esta investigación se realizó con el aporte financiero del proyecto DICYT USACH Código 061213KC "Diseño e implementación de una energía IWSN (Industrial Wireless Sensor Network) tolerante a fallas, eficiente y con alta seguridad".

References

REFERENCIAS

[1] IEEE 2030-2011. "IEEE Guide for Smart Grid Interoperability of Energy Technology and Information Technology Operation with the Electric Power System (EPS), End-Use Applications, and Loads". 2011.

[2] E. Viera. "Smartgrids: Estructura de Medición y Arquitectura de Red Domiciliaria bajo Transmisión de Datos por la Red Eléctrica". Redes de Comunicaciones. Magister en Telecomunicaciones. Facultad de Ingeniería. Universidad de Santiago de Chile, pp. 1-34. Santiago, Chile. Octubre 2012.

[3] C. Xiang, W. Runze and C. Min. "Research of OFDM Power Line Carrier Communication based on AMI". IET International Conference Communication on Wireless Mobile and Computer (CCWMC2011), pp. 278-281. 2011.

[4] C.W. Liu, C.C. Luo, W.C. Wu, J.I. Tsai, P.Y. Lin, C.Y. Hsueh and G.C. Lu. "Develop a power quality measurement system integrated with HAN Home Energy Management System". IEEE 4th International Conference on Digital System, pp. 1506-1510. 2011.

[5] IEEE Communications Society. "1901-2010- IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications". 2010.

[6] IEEE Computer Society. "IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic (ANSI/ IEEE Std 754-1985)". 1985.

[7] Y. Zhang, L. Wang and W. Sun. "Trust System Design Optimization in Smart Grid Network Infrastructure". IEEE Transactions on Smart Grid. Vol. 4, Issue 1, pp. 184-195. March, 2013.

[8] Ley 20.571. "Regula el pago de las tarifas eléctricas de las generadoras residenciales". Ministerio de Energía. República de Chile. 22 de marzo de 2012.