Smart Grid CommunicationsJavier Alejandro Sáenz LeguizamónMaestría en TelecomunicacionesUniversidad Nacional de Colombia

¿Que son Smart Grids?• Definición:Una red inteligente genera y distribuye electricidad de una forma más efectiva, económica, segura y en forma sostenible incorporando tecnologías, productos y servicios, de generación, transmisión y distribución hasta los equipos del consumidor final utilizando tecnologías avanzadas de sensores, comunicaciones y tecnologías de control.”

Figura 1. http://www.hitachi.com/environment/showcase/solution/energy/smartgrid.html

¿Por qué Smart Grids?

Problemas de la red eléctrica.• Apagones• Envejecimiento• Eficiencia

Figura 2. Seminario Redes Inteligentes, http://www.rcgsas.com/Documentos/Seminario/SRI-UN_s02.pdf

Objetivos

Figura 3. http://www.endesa.com/es/conoceendesa/lineasnegocio/principalesproyectos/Paginas/Malaga_SmartCity.aspx

La Red Actualmente

Figura 4. http://www.rcgsas.com/Documentos/Seminario/SRI-UN_s01.pdf

La Red Futuro

Figura 5. http://www.rcgsas.com/Documentos/Seminario/SRI-UN_s01.pdf

Modelo de Referencia

Transmission&

Distribution

Markets

OperationsOperations

Bulk GenerationBulk Generation CustomerCustomer

ServiceProviderMarketsMarkets

DistributionDistributionTransmissionTransmission

Communication NetworkCommunication Network

Smart GridServices/Applications

Communication

PhysicalEquipment

Generation

Information Access

Communication Network

Customer Domain

Customer

Operation Service Provider

Distribution Domain

Market/Service Provider Domains

Operation Domain

Bulk Generation and Transmission Domains

Figura 6. INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, “Deliverable on Requirements of communication for smart grid.” pp. 1-81, 2011.

Requerimientos del Área de Comunicaciones

• Integración• Transporte basado en IP• Alta capacidad de Tráfico.• Funciones de monitoreo y administración• Calidad del servicio.• Seguridad• Estandarización y regulación.

Infraestructura de Comunicaciones• Funciones Fundamentales:• Medición• Transmisión • Control.

Figura 7. Yu, R. et al. 2011. Cognitive Radio Based Hierarchical Communications Infrastructure for Smart Grid. IEEE Network. 25, 5 (2011), 6-14.

Infraestructura de Comunicaciones

Las redes inteligentes hará uso de muchas tecnologías usadas y probadas en aplicaciones para otras industrias:• Redes inalámbricas.• WiFi • Wimax• ZigBee• Etc.

• Redes de sensores.• Protocolos de seguridad y redes

Advanced Metering Infrastructure (AMI).AMI es un elemento clave en las redes inteligentes debido a que proporciona información precisa y en tiempo real a los consumidores, los cuales cantidad de energía utilizando para que sean podían controlar su consumo de energía.

Las industrias de energía tienen grandes expectativas en esto debido a sus grandes ventajas como precisión y mejora de los procesos de lectura y control de los medidores en línea, sin embargo, se ven contrarrestados por crecientes problemas de seguridad cibernética

SeguridadDada la necesidad de la integración de las TICs con la red eléctrica, es de vital importancia asegurar la confiabilidad y seguridad de la red eléctrica.De acuerdo con Kosut, O. et al, las actuales investigaciones en y estándares propuestos concluyen que la seguridad en las redes inteligentes dependerá en gran medida a las tecnologías de autenticación, autorización y privacidad.

Application server HANWAN

Scheme 1

Scheme 2

Scheme 3

IP reach ability

VPN Tunnel

SIP Tunnel

SIP termination / initiation point(SIP adaptation)

Scheme 4

VPN TunnelSIP Tunnel SIP Tunnel

SIP TunnelSIP Tunnel SIP Tunnel

SIP conversion (SIP proxy)

Scheme 5

SIP TunnelScheme 6

GW GWApplication server HANWAN

Scheme 1

Scheme 2

Scheme 3

IP reach ability

VPN Tunnel

SIP Tunnel

SIP termination / initiation point(SIP adaptation)

Scheme 4

VPN TunnelSIP Tunnel SIP Tunnel

SIP TunnelSIP Tunnel SIP Tunnel

SIP conversion (SIP proxy)

Scheme 5

SIP TunnelScheme 6

GW GW

Figura 8. INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION 2011. Deliverable on Requirements of communication for smart grid.

PrivacidadLos medidores inteligentes también tienen consecuencias no deseadas para la privacidad de los clientes. Información de uso de la energía almacenada en el medidor y se distribuye después de que actúa como un rico en información de canal lateral, dejando al descubierto los hábitos de consumo y comportamientos.

Ciertas actividades, como ver la televisión, tienen detectables firmas de consumo de energía. La historia ha demostrado que cuando los incentivos financieros o políticos se alinean, las técnicas de minería de datos de comportamiento va a evolucionar con rapidez para que coincida con los deseos de aquellos que explotan a esa información.

Estandarización• La mayoría de los estándares de comunicación actuales en el

sistema de energía eléctrica se han desarrollado para propósitos especiales.

• Hay demasiados tipos de estándares de comunicación ahora. • Son incompatibles.

Identificación de Estándares:La identificación de las normas y protocolos que soportan la interoperabilidad, es un elemento clave para los desarrollos y la puesta en marcha de las redes inteligentes

EstandarizaciónTabla 1. Estándares identificados por el NIST.

ANSI/ASHRAE 135- 2008/ISO 16484-5 BACnet A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks

ANSI C12 Suite :ANSI C12.ANSI C12.18/IEEE P1701/MC1218ANSI C12.19/MC1219ANSI C12.20ANSI C12.21/IEEE P1702/MC1221

ANSI/CEA 709 and CEA 852.1 LON Protocol Suite:ANSI/CEA 709.1-B- 2002 Control Network Protocol SpecificationANSI/CEA 709.2-A R- 2006 Control Network Power Line (PL)Channel Specification ANSI/CEA 709.3 R- 2004 Free-Topology Twisted-Pair Channel SpecificationANSI/CEA-709.4:1999 Fiber-Optic Channel SpecificationCEA-852.1:2009 Enhanced Tunneling Device Area Network Protocols Over Internet Protocol Channels

DNP3IEC 60870-6 / TASE.2IEC 61850 SuiteIEC 61968/61970 SuitesIEEE C37.118

IEEE 1547 SuiteIEEE 1588Internet Protocol Suite including, but not limited to :IETF RFC 2460 (IPv6)IETF RFC 791 (IPv4)Core Protocol in the Internet Suite, draft- baker-ietf-core-04

MultispeakOpenADROPC-UA IndustrialOpen Geospatial Consortium Geography Markup Language (GML)

ZigBee/HomePlug Smart Energy Profile 2.0OpenHAN AEIC Guidelines v2.0Security Profile for Advanced Metering Infrastructure, v 1.0, Advanced Security Acceleration Project – Smart Grid, December 10, 2009.

Department of Homeland Security, National Cyber Security Division. 2009, September. Catalog of Control Systems Security: Recommendations for Standards Developers.

DHS Cyber Security Procurement Language for Control Systems

IEC 62351 Parts 1-8IEEE 1686-2007NERC CIP 002-009NIST Special Publication (SP) 800- 53, NIST SP 800-82

Escenario Colombiano• Con el fin de suplir la demanda de energía Colombia tiene en

su mayoría sistemas de generación hidráulicos y termales. Las plantas de energía usan combustible fósil como gas natural, carbón, diesel, etc.

Figura 9. Boletín - Evolución Variables de Generación Febrero de 2012:http://www.siel.gov.co/portals/0/boletin-Febrero 2012.pdf

Escenario ColombianoEl Proyecto Nacional de Redes Inteligentes es el desarrollo de la primera fase de las actividades dentro del marco definido por Colombia Inteligente.XM Compañía de Expertos en Mercados, CIDET (Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Sector Eléctrico), COCIER (Comité Colombiano de la Comisión de Integración Energética Regional), CNO (Consejo Nacional de Operación), CAC (Comité Asesor de Comercialización) y CINTEL (Centro de Investigación de las Comunicaciones) vienen estructurando una propuesta de proyecto cuyo objetivo es establecer concertadamente con las principales empresas del sector eléctrico y demás actores relacionados, un marco de lineamientos, políticas y estrategias para el desarrollo óptimo de las redes inteligentes en el sistema eléctrico colombiano pero orientado a los retos del país considerando los beneficios y costos esperados.

Estándares para la fabricación de medidoresEl equipo eléctrico utilizado en Colombia normalmente cumple con los estándares internacionales, los cuales son traducidos y adaptados por el ICONTEC.

En cuanto a las normas de equipo de medición, el ICONTEC se ocupa de las cuestiones de normalización relativos a los contadores de electricidad y equipos eléctricos de control de carga, tales como contadores de energía activa, medidores de energía reactiva, los indicadores de demanda máxima, telemedida para el consumo y la demanda, equipos para la lectura remota , interruptores horarios y el equipo de control de la carga y las tarificación

Regulación del precio de la energía en ColombiaEn Colombia, los precios de la energía se controlan mediante el tipo de cliente. El mercado eléctrico colombiano se divide en dos: Segmentos regulados cubren los usuarios industriales, comerciales y residenciales de energía cuya demanda es inferior a 0,5 MW. En el mercado no regulado, los consumidores con una mayor demanda de energía de 0.5 MW puede negociar libremente y contratar su suministro en el mercado mayorista directamente o a través de entidades comerciales, distribuidores o productores.La ley colombiana ordena que tiene que haber libre competencia y que el usuario final debe elegir su distribuidor, lo que en la práctica no ha ocurrido.

Consideraciones de la implementación en ColombiaColombia es un país donde el 70% de la población es de bajos ingresos y un número considerable de personas, viven en asentamientos precarios y por lo general sólo se utilizan alrededor de 4 o 5 bombillas y un televisor.,

La implementación de las redes inteligentes no sólo puede lograrse mediante la automatización de las redes eléctricas, sino que el usuario se convierta en un participante integral y activo.

Tal vez el aspecto más interesante de la red inteligente y los sistemas de AMI es que para mejorar la eficiencia, no sólo se reduce la contaminación, sino también el consumo per cápita.