Comunicación presentada al III Congreso Smart Grids:
Autores
- Igor Fernández Pérez, Profesor Agregado de Universidad, Universidad del País Vasco (UPV/EHU)
- Itziar Angulo Pita, Investigadora Postdoctoral en la Universidad del País Vasco (UPV/EHU)
- Amaia Arrinda Sanzberro, Profesora Titular de Universidad, Universidad del País Vasco (UPV/EHU)
- David De la Vega Moreno, Profesor Titular de Universidad, Universidad del País Vasco (UPV/EHU)
- Noelia Uribe Pérez, Estudiante de Doctorado, Centro de Desarrollo de Energías Renovables – Centro Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CEDER-CIEMAT)
- Luis Hernández Callejo, Universidad de Valladolid (Campus Universitario Duques de Soria)
Resumen
Con la introducción progresiva de fuentes de generación distribuida, las comunicaciones PLC PRIME que operan por debajo de los 100 kHz se están viendo afectadas por diferentes señales interferentes. Es por ello que desde las operadoras existe un creciente interés en explorar la banda superior hasta 500 kHz para las comunicaciones del siguiente estándar, aún sin implementar. En este proyecto se llevará a cabo una comparativa de los niveles de estas interferencias en ambas bandas utilizando medidas reales de la microred de las instalaciones del CEDER-CIEMAT. Se implementará también una cadena de transmisión y recepción del nuevo estándar para analizar mediante simulaciones la influencia de estas interferencias sobre las comunicaciones.
Palabras clave
PLC, PRIME, Generación Distribuida, Ruido, CENELEC A, FCC
Introducción
La reciente integración de las fuentes energéticas distribuidas en las smart grids conlleva numerosos beneficios, principalmente medioambientales. Sin embargo, existen estudios (Uribe-Pérez et. al, 2016; Ali Sonmez et. Al, 2013) que demuestran que los elementos que componen este tipo de redes como aerogeneradores, inversores fotovoltaicos, turbinas hidráulicas o cargadores de baterías generan emisiones no deseadas en las bandas en las que tradicionalmente se han venido implementando las comunicaciones PLC entre los smart meters y concentradores de datos.
En Europa los sistemas narrowband PLC operan en la banda CENELEC (3-148.5 kHz) y en el caso concreto del estándar PLC PRIME v1.3.6 (PRIME Alliance Technical Group, 2013), que opera en la banda CENELEC A (3-95 kHz), se ha observado que los niveles de ruido e interferencias hallados ponen en ocasiones en riesgo las comunicaciones y es por ello que existe un creciente interés en explorar las bandas de frecuencia superiores. El nuevo estándar PLC PRIME v1.4 (PRIME Alliance Technical Group, 2014) permite la extensión en las bandas FCC (10-490 kHz) o ARIB (10-450 kHz). En concreto, hace uso de la banda de frecuencias entre 42 y 472 kHz dividida en 8 canales que pueden usarse como canales independientes o varios de ellos conjuntamente como una única banda de transmisión/recepción. Dado que el estudio del comportamiento de este nuevo estándar frente a los ruidos en esas bandas superiores está todavía sin realizar, el análisis que se llevará a cabo en este proyecto adquiere un interés relevante.
Inicialmente se pretende realizar un análisis comparativo de los niveles de ruido en las bandas CENELEC A y FCC/ARIB. Se utilizarán para ello medidas reales tomadas en la microred de las instalaciones del CEDER-CIEMAT en Soria.
Posteriormente, se llevará a cabo un estudio del efecto que este tipo señales interferentes tienen sobre los estándares de comunicaciones PRIME v1.3.6 y v1.4. Para ello se ha implementado mediante software una cadena de transmisión y recepción de ambos estándares, además de un simulador de canal que nos permitirá caracterizar el efecto de diferentes tipos de ruidos sobre ambos estándares y poder así realizar una comparativa detallada de su eficiencia y robustez frente a los mismos.
Análisis de los niveles de ruido en las Bandas Cenelec A y FCC
Campaña de medidas
Como se ha comentado con anterioridad, se han realizado mediciones en la microred de las instalaciones del CEDER-CIEMAT, representada esquemáticamente en la Figura 1 (Uribe-Pérez et. al, 2015).
En concreto se dispone de medidas en la banda desde 10 kHz hasta 500 kHz en diferentes puntos de la red donde se sitúan los siguientes elementos interferentes a estudiar:
- 5 aerogeneradores de entre 1.5 y 50 kW.
- Inversores fotovoltaicos de 3 bancadas de paneles de 5 kW y 2 tejados fotovoltaicos de 8.28 y 12 kW.
- Turbina hidráulica de 40 kW.
- Cargadores de baterías.
El equipamiento para estas medidas consistió en un acoplo capacitivo que permite medidas de alta frecuencia en redes de baja tensión y filtra las frecuencias por debajo de 10 kHz, y un analizador vectorial de señal Anritsu MS2781A.
Si bien hay ciertos estudios en los que se analizan este tipo de medidas con osciloscopios que realizan la FFT o analizadores de espectros que permiten realizar un análisis frecuencial de las señales interferentes, en este caso se ha optado por utilizar un analizador vectorial de señal. Este equipo en concreto permite realizar capturas de las muestras IQ de las señales con una alta resolución de 32 bits, para poder realizar posteriormente un procesado de las mismas con el objetivo de analizar tanto frecuencial como temporalmente las interferencias medidas mediante los denominados espectrogramas, como se ha venido realizando en otros estudios (Larson, 2006) (Wolkerstorfer et. al, 2016).
En este caso se optó por tomar mediciones de aproximadamente 5 segundos para poder captar con precisión los estados transitorios de los elementos interferentes sin que el tamaño de los archivos generados fuese demasiado elevado para su posterior procesado. Con el objetivo de agilizar y facilitar este procesado se implementó un SW que nos permitiese representar el espectrograma del archivo o medida seleccionada en el intervalo frecuencial y temporal deseado, además de realizar cálculos de potencia en los instantes y frecuencias seleccionadas.
Resultados
Se presentan a continuación los espectrogramas obtenidos del análisis llevado a cabo de las medidas realizadas en los puntos de conexión a red de un inversor fotovoltaico y un cargador de baterías, si bien al finalizar el proyecto se dispondrá de una caracterización detallada de todos los posibles elementos interferentes de la microrred.
En la Figura 2 se ha representado el espectrograma de uno de los archivos de medida correspondiente a uno de los inversores fotovoltaicos en estado de acoplamiento a la red, siendo el eje horizontal el relativo a las frecuencias y el vertical el relativo al tiempo.
Como se puede observar por los colores más vivos del espectrograma, cuando el inversor está funcionando y acoplado a la red, el inversor introduce interferencias de banda estrecha en toda la banda estudiada, pero de más amplitud en frecuencias por debajo de 100 kHz. También se observan numerosas ráfagas de comunicaciones PRIME v1.3.6 en la banda entre 42 y 89 kHz.
Empleando el SW de medidas implementado y seleccionando un intervalo temporal en el que no haya señal PRIME (concretamente entre 3 y 3.5 segundos), se puede calcular la potencia que esas señales interferentes introducen en la red en las bandas seleccionadas. En concreto, en la Tabla I se ha calculado la potencia total de las señales interferentes en toda la banda en la que se realizan las comunicaciones PRIME v1.3.6 y en las 7 restantes que se añaden en la versión PRIME v1.4.
Como se puede apreciar, los niveles de ruido en los canales del estándar PRIME v1.4 se encuentran entre 12 y 20 dB por debajo del nivel presente en el canal relativo al estándar PRIME v1.3.6.
En la siguiente Figura 3 se ha representado el espectrograma relativo a la medida realizada en uno de los cargadores de baterías disponibles en la microred en estado de carga.
Se observa en este caso también que se introducen en la red interferencias de banda estrecha en toda la banda analizada, de mayor nivel que en el caso del inversor fotovoltaico, pero nuevamente se aprecia que los niveles de potencia son menores en las frecuencias altas. En efecto, como se deduce de los valores de la Tabla II, los niveles de ruido en el canal 1 son entre 6 y 20 dB superiores a los niveles de los canales 2-8, y a su vez todos los niveles se sitúan entre 36 y 50 dB por encima de los niveles de ruido introducidos por el inversor fotovoltaico en los canales analizados. Se deduce, por tanto, que en este caso el cargador de baterías es un elemento más perjudicial para las comunicaciones que el inversor fotovoltaico. Por último, no se aprecia una variabilidad temporal remarcable en ninguno de los dos casos.
Análisis de la influencia sobre las comunicaciones prime
Una vez caracterizados los diferentes tipos de ruido, se pretende analizar su influencia sobre las comunicaciones PRIME. Para ello, se ha implementado una cadena completa de simulación SW de la capa física de los estándares PRIME v1.3.6 y PRIME v1.4, que consta de un bloque transmisor, un bloque para simulación de efectos de canal y ruido y un bloque receptor (ver Figura 4).
La Figura 5 muestra el diseño de la parte transmisora. Primero, se genera la cabecera de la capa física, incluyendo un código CRC. Después, se aplica un código convolucional de tasa ½ si el código FEC opcional está habilitado. El siguiente paso es el aleatorizador. En el caso de la versión PRIME v1.4, si se ha aplicado el código convolucional, se puede activar el bloque de repetición de manera que la salida del scrambler se repite por un factor de 4 (modo robusto). Si el código convolucional se ha aplicado, la salida del scrambler o del bloque de repetición según corresponda, pasa por un bloque de entrelazado.
Los bits resultantes se modulan con una de las siguientes modulaciones diferenciales: DBPSK, DQPSK o D8PSK. El siguiente paso es OFDM, que incluye el bloque IFFT y la generación del prefijo cíclico.
El bloque de simulación de canal permite seleccionar entre una serie de canales y ruidos predefinidos, o bien trabajar con funciones de transferencia de canal o ruidos obtenidos empíricamente. De esta forma, podremos analizar el efecto de los ruidos medidos en la microred sobre ambas versiones de las comunicaciones PRIME. Se mezclarán las señales de ambas versiones con estas señales interferentes y mediante el bloque de recepción, que deshace los pasos realizados en la parte transmisora de acuerdo con la Figura 6, se podrán medir diferentes parámetros de la calidad de la señal recibida (como la tasa de tramas erróneas con respecto a la relación señal a ruido) y poder realizar así una comparativa de la eficiencia y robustez de ambas versiones frente a los ruidos caracterizados con anterioridad.
Conclusiones
Las redes distribuidas están constituidas por elementos que introducen en la red ruidos o interferencias que dificultan las comunicaciones PRIME. En el estudio llevado a cabo en este proyecto se han caracterizado diferentes tipos de ruido mediante un análisis temporal y frecuencial de mediciones reales tomadas en la microrred de las instalaciones del CEDER-CIEMAT en Soria. Se ha podido observar que generalmente los niveles de ruido en la banda donde trabaja PRIME v1.3.6 son más elevados que en las bandas más altas incluidas para PRIME v1.4 y que hay elementos de la red distribuida especialmente perjudiciales como los cargadores de baterías.
Por otro lado, se ha implementado una cadena completa de simulación SW de ambos estándares que permitirá el análisis de la influencia de los ruidos presentes en las redes distribuidas sobre los estándares de comunicaciones PRIME y poder determinar así cuál es el más idóneo para cada caso concreto.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido parcialmente financiado por la Universidad del País Vasco UPV/EHU (UFI 11/30) y por el Gobierno Vasco (IT-683-13).
Referencias
- Ali Sonmez et. al, 2013, “Impulsive Noise Survey on Power Line Communication Networks upt o 125 kHz for Smart Metering Infrastructure in Systems with Solar Inverters in Turkey”. International Conference on Reneweable Energy Research and Applications (ICRERA) Madrid (Spain).
- Larsson A., 2006, “High Frequency Distortion in Power Grids due to Electronic Equipment”. Licenciate Thesis, Luleå University of Thechnology.
- Uribe-Pérez et. al, 2015, “Smart Management of a Distributed Microgrid through PLC PRIME Technology“. International Symposium on Smart Electric Distribution Systems and Technologies (EDST 2015) Vienna (Austria).
- Uribe-Pérez et. al, 2016, “Influence of Noise Generated by Distributed Energy Resources on Microgrids over Narrow Band Power Line Communications“. IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications (ISPLC 2016), Bottrop (Germany).
- Wolkerstorfer et. al, 2016, “Measurement and Simulation Framework for Throughput Evaluation of Narrowband Power Line Communication Links in Low-voltage Grids”. Journal of Network and Computer Applications.
- PRIME Alliance Technical Working Group, Draft Specification for PoweRline Intelligent Metering Evolution, (Junio 2016).
- PRIME Alliance Technical Working Group, Specification for PoweRline Intelligent Metering Evolution, (Junio 2016).