Instituto Tecnológico de la Energía (ITE),

En el ámbito de la gestión remota de los consumos eléctricos, el aumento de información y la generación de nuevos servicios a los usuarios ha generado un incremento en la transmisión de datos. Actualmente en España se encuentran desplegado contadores eléctricos inteligentes implementados con el protocolo PRIME 1.3.6, cuya tecnología está ampliamente probada y consolidada. El crecimiento de nuevos servicios y necesidades han propiciado el desarrollo de una nueva versión, PRIME 1.4. En este contexto, el proyecto CELINE, financiado por el IVACE, nace con el objetivo de evaluar la eficiencia y robustez de este nuevo protocolo, así como otras tecnologías de comunicación para media tensión (MT) como es BPL (Broadband Power Line, banda de MHz). En el proyecto, participan el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), junto a las empresas colaboradoras: Uvax, Iberapa y Giditek.

Contexto
El proyecto CELINE nace con el objetivo de evaluar el protocolo PRIME 1.4, así como su capacidad de coexistencia con PRIME 1.3.6 y estudiar las perturbaciones que pueden aparecer en las redes debido a sistemas de generación de energías renovables.

El aumento de los servicios ofrecidos a los usuarios de red eléctrica ha supuesto un incremento en los requerimientos para las comunicaciones PLC (Power Line Communication). En España, el protocolo utilizado es PRIME 1.3.6, que dispone de un rango de frecuencias desde los 40 kHz hasta los 95 kHz. De las nuevas necesidades surge una nueva versión, PRIME 1.4, que abarca hasta los 500 kHz, con mayor número de canales de comunicación y velocidades de transmisión.

Actualmente PRIME 1.4 se encuentra en fase de despliegue en campo con la previa validación en entornos controlados de laboratorio. Además de la calidad y robustez de las comunicaciones, hay que tener en cuenta el impacto debido a la coexistencia con dispositivos PRIME 1.3.6. para una implementación e integración que no afecte a los servicios de gestión remota desplegados.

El aumento de los sistemas de energías renovables plantea el análisis de las perturbaciones ocasionadas por dichos sistemas que pueden afectar a las comunicaciones PLC, por ello, es importante obtener estas perturbaciones en la banda de la comunicación PLC.

En redes de MT, la tecnología de comunicaciones utilizada es BPL, cuya banda de frecuencias comprende entre 2 y 34 MHz. Dado el valor de estas redes, un mantenimiento correcto puede suponer una reducción de costes para la infraestructura eléctrica. Se plantea así el análisis del impacto en la calidad de las comunicaciones BPL debido al deterioro de los cables.

Se pretende extender la tecnología BPL hasta las redes de BT, ampliando las frecuencias. Por ello, es necesario conocer el comportamiento de los elementos de las redes en la banda de frecuencias de MHz, ya que los cables eléctricos no son medios específicos dedicados a las comunicaciones.

El proceso y la propuesta de valor
Un aspecto importante es la caracterización de elementos presentes en las redes de BT en frecuencia de comunicaciones BPL, así como su uso para realizar acciones de mantenimiento preventivo en MT, analizando la calidad de las comunicaciones y observando si existe relación con la salud de los cables.

Para ello, el ITE mediante el uso de su laboratorio de energías renovables, mide y analiza las perturbaciones hasta la banda de 500 kHz introducidos por elementos de energías renovables.

En las instalaciones del Laboratorio de Interoperabilidad del ITE se establecen las condiciones de entorno controlado y reproducibles de condiciones reales que permiten realizar ensayos de comunicaciones con tecnologías PLC y evaluar el comportamiento de la nueva versión PRIME 1.4 en los contadores inteligentes previo a su despliegue en campo; así como evaluar el impacto de coexistiencia entre diferentes versiones.

Por último, se realizan ensayos de comunicaciones BPL sobre líneas de MT con el objetivo de observar si existe impacto en las señales debido al envejecimiento de los cables, comparando los resultados con otros métodos de cuantificación de este efecto.

Pruebas de PRIME 1.4
A lo largo del desarrollo del proyecto CELINE se han realizado diversos ensayos con dispositivos PRIME 1.4. Se ha generado un escenario de validación de equipos, estable, controlado y que sirva de referencia de comportamiento en futuras implementaciones en campo y, de este modo, realizar una comparación entre sus características. De esta forma, se ha generado la configuración de pruebas con 250 muestras, en el que se testea la robustez de las comunicaciones realizando ensayos de estrés.

Con PRIME 1.4 se amplía el número de canales de comunciaciones a un total de 8. Para ver el comportamiento de los dispositivos en cada canal, se realizan ensayos bajo el escenario definido. En todos ellos se obtienen buenos niveles de disponibilidad de contadores y de ciclos, así como sus tiempos medios, observando una mejor respuesta en el canal 5.

Los siguientes ensayos que se realizan son test de coexistencia de PRIME 1.4 y PRIME 1.3.6, manteniendo las 250 muestras de PRIME 1.4, se añaden otras 100 muestras de PRIME 1.3.6,  evaluando las comuicaciones sometidas a situaciones de estrés. Estos ensayos han permitido observar que la coexistencia de ambas tecnologías en la misma red afecta a los tiempos medios de respuesta, aumentando su valor al doble para tecnologías PRIME 1.4.

Evaluación de ruidos generados por sistemas de energía renovable
Haciendo uso del Laboratorio de energías renovables del ITE -GAMMA (planta piloto de monitorización de energías renovables desarrollado por este centro)- se han medido y analizado los ruidos generados en la banda de comunicaciones PLC, en concreto, los convertidores conmutados de potencia, las placas fotovoltaicas y la recarga del vehículo.

Durante los ensayos se observa cómo la existencia de estos equipos en una red produce una serie de interferencias en las comunicaciones PLC dentro de ciertos rangos de frecuencias.

Figura 1 Espectrograma 3D de los ruidos en la red generados por la carga de un vehículo eléctrico.

Si se consideran los canales de PRIME 1.4, los canales 1 y 2 son los que mayor nivel de interferencias sufren, presentando tanto un ruido base que persiste en el tiempo, como una serie de ruidos impulsivos que fluctúan en amplitud.

Figura 2 Esquema de elementos generadores de interferencias en las comunicaciones PLC en sistemas de generación de energía renovable.

Metodología para el mantenimiento preventivo utilizando comunicaciones BPL en media tensión
Uno de los fenómenos más habituales en la infraestructura eléctrica es el envejecimiento del cable, causado por la propia degradación de los conductores por el paso del tiempo o sobrecorrientes prolongadas. Así pues, uno de los parámetros que permite cuantificar este efecto es la tangente de delta.

Por ello, se mide la respuesta en frecuencia del canal (CFR) para un cable nuevo y uno que se envejece, aplicándole una corriente superior a la nominal estipulada por el fabricante durante 576 horas. Se observa un cambio en el valor de la tangente de delta, como era de esperar. Se generan ensayos de comunicaciones BPL sobre ambos estados del cable, observando que se produce una diferencia en las curvas de CFR que no se es posible de correlacionar directamente con el grado de envejecimiento del cable.

Figura 3 CFR de comunicaciones BPL con el cable de media tensión y su homólogo envejecido.

Conclusiones e impacto esperado de los resultados
Del desarrollo del proyecto CELINE se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• La nueva versión PRIME 1.4 permitirá mejorar las comunicaciones PLC para gestión remota, también llamada telegestión. Las pruebas preliminares realizadas muestras que su funcionamiento es adecuado para una prueba de campo, y que la coexistencia con PRIME 1.3.6 es posible, permitiendo una suave transición tecnológica.
• Los sistemas de generación de energía renovable introducen perturbaciones en las comunicaciones PLC siendo los primeros canales los mayor afectados.
• Los resultados del uso de las comunicaciones BPL para la predicción de envejecimiento de los cables de MT no ha aportado soluciones concluyentes, por lo que se requiere de una mayor profundización de estudio.

Se espera que estos resultados permitan agilizar la implantación de estas nuevas tecnologías, en concreto la implantación en campo de PRIME 1.4 y el diagnóstico del envejecimiento de conductores mediante comunicaciones BPL. Por otra parte, se espera que se fomente el estudio del impacto de los sistemas de generación de energías renovables en las comunicaciones, dado que ha sido un aspecto en segundo plano en los últimos años y, como se ha visto, pueden suponer futuros problemas, puesto que su implantación está en auge y cada vez se tienen más equipos de este tipo en los domicilios de los usuarios particulares.