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Retos del 5G con Smart Grid en las Redes de Distribución Eléctrica

Feb 2, 2023

Retos del 5G con Smart Grid en las Redes de Distribución Eléctrica Smart GridEl mundo y Europa se encuentran en un contexto de emergencia climática, escasez de energía y electrificación del consumo energético. En este entorno, las redes de distribución eléctricas se encuentran ante un desafío de mejora continua centrado en una gestión más eficiente de la demanda, generación y distribución de la energía a través de las redes eléctricas cada vez más complejas.

El concepto de “Smart Grid” no es nuevo, pero ha evolucionado gracias al avance de las nuevas tecnologías y por eso la digitalización de las redes de distribución es una de las áreas de mejora que supondrá un cambio radical en términos de eficiencia de los sistemas de generación y distribución. La digitalización de estas redes “Smart Grid” requiere la recolección de ingentes cantidades de datos distribuidos en numerosos puntos de la red y actuaciones en tiempo real. El uso de la tecnología 5G en estos escenarios,  habilitará nuevos casos de uso intensivos en el manejo de datos (“Big Data”) permitiendo mejoras de automatización y control de las redes de distribución y generación eléctrica.

Retos del 5G con Smart Grid en las Redes de Distribución Eléctrica Smart Grid

Desde hace un par de años hasta hoy, hemos recibido mucha comunicación de marketing sobre el 5G, y todos desde el punto de vista de usuario final. Orientado en mayor ancho de banda en nuestros móviles o nada de latencia para jugar a juegos online mientras estamos sentados en un parque. Pero esto es solo una pequeña parte dentro del ámbito del usuario final.

Hay muchos más usos y con muchas aristas fundamentales, como la aplicación práctica de la tecnología 5G en el sector de la distribución eléctrica. Es evidente que este sector  al tratarse de una aplicación en infraestructuras críticas, se realiza un enfoque holístico que cubre las necesidades de conectividad y colección del dato junto con el procesamiento de los mismos aplicando técnicas de inteligencia artificial y computación remota en un entorno que garantice la seguridad de la infraestructura.

 

Realidad socioeconómica y Smart Grids

Tal y como hemos comentado, nuestro entorno actual está empujando una digitalización de aquellos procesos operativos que no pueden cumplir con los requisitos que demanda la realidad socioeconómica:

  • incremento de los costes de energía
  • aumento de la inflación
  • incorporación de energías renovables
  • nuevos modelos de generación de energía (generación distribuida)
  • nuevos requerimientos legales (eficiencia energética, reducción de emisiones, etc.).

Además de estos condicionantes en el entorno actual, otro importante es llegar al objetivo del cero neto (recortar las emisiones de gases de efecto invernadero hasta dejarlas lo más cerca posible de emisiones nulas, con algunas emisiones residuales que sean reabsorbidas desde la atmósfera). Este objetivo se sustenta fuertemente en las redes “Smart Grids para ayudar en su consecución. Y para eso el gasto medio anual en este tipo de redes se va a duplicar en los próximos años.

Retos del 5G con Smart Grid en las Redes de Distribución Eléctrica Smart Grid

Gasto medio anual en inversión en redes eléctricas en el escenario Cero Neto, 2015-2030

Dentro de este aumento de inversión en “Smart Grids” las nuevas tecnologías juegan un papel fundamental. Y por ello, ahora más que nunca es necesario disponer de las herramientas que sean facilitadoras de estos nuevos requerimientos. Para este objetivo el 5G juega un papel muy importante con sus conocidas características:

  • mayor ancho de banda
  • menor latencia
  • mayor densidad de dispositivos (IoT)
  • capacidades analíticas de red

Todo esto entre otras, nos permite desarrollar soluciones que hasta ahora no eran posibles o no llegaban al mismo nivel de eficacia que se puede conseguir actualmente.

 

5G y Smart Grids

Ahora que tenemos algo más claro el entorno de la distribución eléctrica y hacia donde se dirige, ¿qué papel tienen las comunicaciones (y el 5G más en concreto) para ayudar a la evolución de las “Smart Grids”? Pero antes incluso nos tendríamos que hacer la siguiente pregunta, ¿qué es necesario y qué debería ofrecer una plataforma de comunicaciones de siguiente generación en el entorno de la distribución eléctrica y de las “Smart Grids”?.

Vamos a responder estas preguntas a continuación.

 

Gateway en la distribución eléctrica

¿Qué es un “Gateway” de comunicaciones en el entorno de distribución eléctrica y qué características debería tener?

Empecemos por una característica común en otros entornos en los que se hace una alta inversión en infraestructuras que se tarda mucho tiempo en amortizar. En estos casos no es viable ni técnica ni económicamente un despliegue de cero o “greenfield” sino que se necesita reutilizar los activos previamente desplegados, como contadores eléctricos en domicilios o “remotas” en subestaciones. Es en este sentido cuando el equipo de comunicaciones adquiere la categoría de pasarela o “Gateway” entre el mundo “legacy” e Internet.

  • Estamos introduciendo aquí que en este tipo de entornos es fundamental proveer de gestión y monitorización remota: Las redes de distribución eléctrica tienen miles de subestaciones y centros de transformación en lugares de difícil acceso. Esto implica costes elevados en tiempo y desplazamientos en los casos que requieren actuaciones de campo. Con el fin de minimizar estas acciones se requieren mecanismos de instalación ZTP (Zero-Touch Provisioning), monitorización remota de activos y comunicaciones, así como de gestión de cambios masivos de forma centralizada y remota.
  • Además cualquier equipamiento de este tipo tiene que estar certificado para entornos eléctricos porque se debe instalar en numerosos puntos de la red, subestaciones, centros de transformación, plantas de generación, cuartos de contadores, puntos de carga de vehículo eléctrico, puntos de generación distribuida, etc. Estos lugares se encuentran en zonas desatendidas, no climatizadas y en condiciones electromagnéticas y de seguridad eléctrica exigentes.
    • Como estos equipos deberán poder desplegarse en escenarios como centros de transformación, subestaciones o en entornos industriales con condiciones ambientales no favorables, será imprescindible que incluya un sistema de disipación de calor sin ventilador.
    • Además, para garantizar su correcto funcionamiento y de manera resiliente en entornos exigentes de temperaturas, el dispositivo debe pasar una serie de tests de laboratorio que aprueben el cumplimento de normativas nacionales e internacionales.
  • Debido a lo novedoso del 5G, es necesario validar el impacto del uso de bandas y módulos 5G en entornos de alta exigencia de temperaturas, consumo eléctrico y protecciones electromagnéticas.
  • Y como característica fundamental pero puede que no obligatoria en muchos casos, disponer de la información necesaria y la capacidad de interactuar con elementos de control de las redes eléctricas requiere soportar, simultáneamente con 5G, las diversas tecnologías de red local que permitan acceder a sensores y autómatas de la red eléctrica situados en zonas que imposibilitan desplegar tecnología 5G en origen por falta de cobertura, interferencias electromagnéticas, falta de espacio, falta de infraestructura para alimentar y mantener equipamiento radio o por tratarse de equipamiento “legacy” costoso de sustituir o evolucionar. Para soportar dischos caso de uso, este tipo de plataforma de comunicaciones para redes de distribución eléctrica debe verificar la compatibilidad de la tecnología 5G en combinaciones con otras tecnologías radio como son LoRaWAN, ZigBee, Bluetooth LE o tecnologías cableadas como PLC (Power Line Communications) que permiten usar los cables de suministro eléctrico como canales de comunicación. Estas interfaces inalámbricas locales son de uso para conectar sensores:
    • detección de proximidad de amenaza física
    • dispositivos de conteo de personas para detectar presencia
    • temperatura / humedad / gases, etc.

Puesto que estarán en ubicaciones desantendidas es muy importante disponer de estos datos.

Retos del 5G con Smart Grid en las Redes de Distribución Eléctrica Smart GridArquitectura de red de datos vs red de distribución eléctrica

 

Aplicación de Características del 5G Core

La tecnología 5G dispone de mecanismos que aportan mayor fiabilidad, mayor seguridad y capilaridad junto con una disminución de retardos que permite centralizar automatismos y toma de decisiones automáticas que corrijan, en tiempo real, situaciones de ineficiencia en la distribución de energía. Esto nos permite llevar un paso más allá y de forma disruptiva a las redes “Smart Grids”.

La arquitectura de la red 5G está diseñada para permitir una operación más eficiente y dinámica que cualquier otra red previa: la mayor revolución de las tecnologías y redes 5G es la “softwarización” y virtualización de funciones de red que permite la digitalización de las redes móviles y la aplicación de soluciones de gestión y automatización mediante orquestadores que creen redes elásticas y ágiles que respondan a las necesidades de cada tráfico de un modo granular y eficiente.

En otras palabras, para sacar partido a estas ventajas operativas que permite 5G es necesario tener datos, datos que la propia red 5G puede poner a disposición suya (del resto de sistemas o funciones de la red) y del usuario mediante NWDAF (NetWork Data Analytic Function).

 

Cibersecuridad en infraestructura crítica

Gracias a poder contar con “Gateway” o pasarelas de comunicaciones para la distribución eléctrica, infraestructuras críticas que, hasta ahora, estaban aisladas parcial o totalmente de redes públicas harán uso de redes 5G desplegadas por terceros, aumentando el nivel de exposición a ciberataques derivados del uso de redes públicas, tanto de internet como redes radio en entornos remotos y desatendidos.

Esta categoría de “Gateway” le permite adquirir un papel todavía más relevante. Por ejemplo, además de las medidas de seguridad en el mundo Internet, le permitirá ofrecer medidas de seguridad también al mundo “legacy (seguridad OT) que nunca necesitó de dichas medidas al no estar expuesto a posibles ataques remotos desde Internet. Y esta opción de ciberseguridad es aún más importante teniendo en cuenta que estos sistemas están ocupados de la gestión de infraestructuras críticas.

Para conocer más detalle lee nuestro blog post sobre la ciberseguridad en infraestructura crítica, pero como resumen podemos indicar que necesitaremos de:

  • Una capa que permita gestionar de forma remota los firewalls que se desplieguen en los entornos remotos accesibles a través de una red 5G que conectan la red OT a IT u OT a OT, como subestaciones o centros de transformación y mantener actualizado el software de seguridad que se ejecute en dichos firewalls. Este software de seguridad está formado por:
    • motores de ejecución y detección que están dentro del firewall
    • base de datos de conocimiento de amenazas.
  • Y de otra capa que permita hacer un tráfico analítico de la red (Network Traffic Analyzer en inglés) que nos permita hacer un inventariado de equipos automático o XDR (Network Detection and Response) basado en inteligencia artificial

Desde este punto de vista de la ciberseguridad en distribución eléctrica, la Unión Europea ya ha establecido recomendaciones dentro de todos aquellos actores dentro del mundo de la distribución eléctrica para que se tomen medidas recomendando estándares como el ISO/IEC 27001/27019, IEC62443, IEC62351 y ISO/IEC31000.

Según el informe del instituto del Real Instituto Elcano, la aplicación de 5G en los entornos de energía va a implicar un mayor grado de exposición de las infraestructuras. Por tanto, es necesario que las nuevas soluciones 5G incluyan, por defecto, tecnologías de protección ante amenazas de ciberseguridad.

Por ejemplo, gracias a la última versión del 3GPP para redes 5G, se podrán abordar la seguridad de los canales radio y cómo reforzar la seguridad para la detección temprana de cualquier intrusión o comportamiento anómalo en el uso de las comunicaciones 5G o la red del cliente.

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Complementar el reto con el uso de Edge Computing

Además, la tecnología 5G posibilita una cuarta característica en su búsqueda por ofrecer mejores soluciones al sector de la distribución eléctrica. La “computación en el borde” o “Edge Computing” es una posibilidad avanzada adicional de una solución 5G. En este sentido, una plataforma de comunicaciones en entornos de distribución eléctrica será también un nodo de “Edge Computing y mejorará la solución extremo a extremo, al permitir la ejecución de ciertas aplicaciones más cerca del usuario final (“Edge”), aportando grandes ventajas, como:

  • menor latencia
  • uso más optimizado racional de la red de comunicaciones
  • disponibilidad de la aplicación en el caso de que la red esté caí

De esta manera se ofrece a las empresas de distribución eléctrica mayor capacidad de explotación de sus datos para mejorar sus procesos operativos y sus modelos de negocio.

Esta característica se soporta considerando un uso del espectro radio más eficiente junto con capacidades de computación distribuidas a lo largo de las redes involucradas. Las capacidades de computación distribuida se desplieguen en distintos niveles de la red. Permite aumentar el grado de automatización de las redes eléctricas en su camino hacia la digitalización, mejorando la capacidad de respuesta en tiempo real ante incidencias o anomalías.

Retos del 5G con Smart Grid en las Redes de Distribución Eléctrica Smart Grid

Conclusión

Nos encontramos por tanto ante un reto muy apasionante con el objetivo de llegar a tener redes de distribución eléctricas cada vez con más datos en circulación y automatizaciones más complejas y las tecnologías de comunicaciones deben ser capaces de cumplir los complejos requerimientos que van a ir surgiendo de estas necesidades.

Estamos por tanto ante el reto de ser capaz de prestar servicios de datos y comunicaciones inalámbricas cuyas capacidades superan a todas las plataformas existentes en el sector, proporcionando un rendimiento muy por encima del resto de soluciones actuales. Además de proporcionar capacidades de actuación sobre el entorno y ejecución en Edge de aplicaciones de Inteligencia Artificial o aplicaciones específicas.

Los dispositivos de comunicaciones cada vez con más avances incorporados como el 5G, y todas las características que hemos descrito anteriormente asociadas al mismo, están siendo y van a ser clave en el éxito de este crecimiento de las “Smart Grids”:

  • WWAN de última generación
  • múltiples interfaces WLAN para conectar sensores
  • ciberseguridad OT para infraestructura crítica
  • computación en el descentralizada o Edge.

En Teldat llevamos acompañando a las compañías de distribución eléctrica desde los últimos 10 años y trabajamos junto a ellas para solucionar los retos a los que se enfrentan. Para este nuevo reto ya estamos manos a la obra incorporando en nuestros routers industriales de última generación 5G, Ciberseguridad o Inteligencia Artificial para ayudarles a conseguirlo de la mejor forma posible.

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