Bilatzailea
Comunicacions de línia elèctrica: columna vertebral de control de xarxes elèctriques de baixa tensió
Què passa si la xarxa elèctrica no s'utilitza només per a distribuir energia, sinó també per a enviar informació? Aquesta és la base de les comunicacions de línia elèctrica (PLC): l'ús dels mateixos cables de xarxa elèctrica per a la transmissió de dades. Aquesta tecnologia no és una proposta de futur, sinó una tecnologia estratègica que s'utilitza actualment per a realitzar el control de la xarxa elèctrica de baixa tensió.
Dispositius que es poden trobar en les xarxes elèctriques modernes.
un dels principals objectius de l'Acord Climàtic de París de 2015, promogut sota els auspicis de l'Organització de les Nacions Unides, és aconseguir una economia global orientada a la neutralitat de carboni. Aquest acord estableix objectius clars a llarg termini per a tots els països, entre ells la reducció de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle, amb l'objectiu de limitar l'augment de la temperatura a 2 ° C en aquest segle. La Unió Europea ha incorporat aquests compromisos al seu marc normatiu a través del Pacte Verd Europeu 2019 i la Llei Climàtica Europea 2021. Aquestes normatives determinen que per a 2030 s'han de reduir les emissions en un 55% respecte als nivells de 1990. En aquest context, l'electromovilidad (e-mobilitat) i la generació distribuïda d'energies renovables són elements clau per a reduir la dependència dels combustibles fòssils de la societat i caminar cap a una transició energètica sostenible.
En els últims anys, les xarxes elèctriques estan experimentant profunds canvis a conseqüència de les noves tecnologies i de la integració de les fonts d'energia renovables. Abans, dominava un sistema centralitzat basat en grans centrals, on el paper de tots els participants en la xarxa elèctrica estava perfectament definit: la generació, la responsabilitat de les centrals elèctriques; el transport i la distribució, la responsabilitat de les empreses elèctriques; i el consum, la realitzaven els usuaris i les empreses. No obstant això, avui dia són cada vegada més els usuaris que produeixen energia, com les llars amb panells solars o les comunitats energètiques. Molts consumidors de fonts distribuïdes d'energia renovable s'han convertit en “prosumer” (de l'anglès “producer”/productor i “consumer”/consumidor): no sols consumeixen energia, sinó que la produeixen i integren en la xarxa. Això ha canviat completament l'estructura i el funcionament de la xarxa. A més, la proliferació de bateries i punts de càrrega de vehicles elèctrics que acumulen els excedents d'energia generats pels panells solars ha modificat els models de sol·licitud d'energia de xarxa, la qual cosa requereix una major flexibilitat i coordinació.
En aquest context, la generació distribuïda d'energies renovables i el control intel·ligent del consum s'han tornat imprescindibles. Per a garantir l'estabilitat de la xarxa elèctrica, és necessari equilibrar la producció i el consum en tot moment, per al que el monitoratge i l'automatització a través de les noves tecnologies són fonamentals.
Aquest canvi ha suposat el passo a les xarxes elèctriques intel·ligents, sistemes capaços de gestionar la variabilitat de l'energia renovable en temps real, optimitzar el consum i millorar l'eficiència. La digitalització ha tingut un rol clau en aquest procés, amb la integració de sensors, sistemes de monitoratge, comptadors intel·ligents i plataformes de gestió energètica per a controlar l'estat de la xarxa tot el temps i prendre decisions en funció de la demanda.
L'automatització moderna de la xarxa elèctrica no hauria estat possible sense el sistema de comunicacions. Dins d'ella, la tecnologia de comunicació en línia elèctrica (PLC per la seva “Power Line Communication” en anglès) s'ha convertit en un element fonamental. Els sistemes PLC utilitzen la pròpia xarxa elèctrica com a suport per a enviar i rebre dades sense cables addicionals. Això es deu al fet que les transmissions PLC se superposen sobre el senyal de potència de 50/60 Hz, de manera que el flux d'electricitat i les comunicacions de dades de tensió eficaç de 230 V es propaguen simultàniament a través de la xarxa elèctrica. Això ha permès, aprofitant la infraestructura de la xarxa de distribució d'energia, la comunicació entre dispositius intel·ligents i la reducció de costos d'instal·lació.
Superposició de senyal de potència de 50 Hz i transmissions PLC.
Mitjançant la tecnologia PLC, els comptadors intel·ligents, transformadors i altres components poden connectar-se a la xarxa per a intercanviar informació en temps real. Això permet monitorar el consum, detectar avaries i optimitzar el funcionament de la xarxa. Aquesta tecnologia utilitza diferents protocols en el rang de freqüències de 2 kHz i 500 kHz, com PRIME, Meters&Habiti i G3-PLC, cadascun adaptat a diferents aplicacions i requeriments tècnics.
Cada habitatge i empresa té almenys un comptador intel·ligent que emmagatzema les dades de consum d'energia o generació. Aquestes dades es transmeten de manera automatitzada i no és necessària la presència d'un tècnic per a registrar manualment les lectures. Aquesta informació s'envia a través dels cables de la xarxa elèctrica als concentradors de dades situades en els transformadors. Els concentradors reben dades de diversos comptadors i després envien aquesta informació a les empreses energètiques. Per a això s'utilitzen diferents tecnologies, com a 3G, 4G, fibra òptica o xarxes locals, en funció de la distància de la comunicació i de l'entorn tecnològic.
A més, els sistemes PLC incorporen mecanismes per a augmentar la fiabilitat de la xarxa. Els comptadors intel·ligents poden actuar com a repetidors. És a dir, quan un altre comptador no es pot connectar directament amb el concentrador, la informació pot ser redirigida a través d'algun dels comptadors pròxims. D'aquesta manera, la xarxa crea canals de comunicació alternatius i manté la capacitat de transmetre dades de manera fiable fins i tot en entorns d'alta interferència o baixa cobertura. Aquest mecanisme millora significativament la resiliència de la xarxa i la solidesa del sistema de comunicacions, i és essencial per a una distribució d'energia intel·ligent i estable.
Les comunicacions PLC s'utilitzen a tot el món i han estat especialment difoses en diversos països europeus com Espanya, França, Itàlia i Alemanya. A Espanya, per exemple, el desplegament de comptadors intel·ligents s'ha realitzat principalment per PLC, i empreses com Iberdrola i Endesa han utilitzat aquesta tecnologia per a impulsar la digitalització de la xarxa.
Les tecnologies PLC presenten una sèrie de desafiaments tècnics. En primer lloc, la xarxa elèctrica no està dissenyada per a transmetre dades, i en alguns casos les comunicacions no es duen a terme de manera adequada. Els fenòmens més importants que impedeixen les comunicacions PLC són les interferències d'emissions guiades no desitjades, la impedància variable de la xarxa i la gran feblesa dels senyals.
Per a començar, les emissions guiades no desitjades són els sorolls electromagnètics que produeixen tots els electrodomèstics i dispositius elèctrics connectats a la xarxa elèctrica. Aquests poden interferir amb els senyals de les comunicacions PLC, ja que tots dos fenòmens poden ocórrer en la mateixa banda de freqüència. A més, aquestes emissions guiades es fan més evidents en els dispositius que implementen l'electrònica de potència, com els inversors de plaques fotovoltaiques i els carregadors de vehicles elèctrics, que generen o consumeixen grans quantitats d'energia. D'altra banda, l'afebliment del senyal ocorre a grans distàncies, la qual cosa redueix la qualitat de la transmissió. A més, els sistemes PLC tenen una amplada de banda limitada, la qual cosa limita la capacitat de transmetre grans quantitats de dades que poden afectar aplicacions complexes. Quant a la seguretat, atès que les dades s'envien a través de la xarxa elèctrica, els sistemes d'encriptació i autenticació són necessaris per a garantir la confidencialitat de les dades. Finalment, en xarxes elèctriques velles o complexes la cobertura pot ser irregular, la qual cosa pot ocasionar llacunes de comunicació. No obstant això, malgrat aquests desafiaments, la tecnologia PLC encara exerceix un paper clau en el desenvolupament de xarxes elèctriques intel·ligents i la digitalització del sistema energètic.
De cara al futur, les comunicacions PLC evolucionaran de manera important per a adaptar-se a les creixents exigències de les xarxes elèctriques intel·ligents. En aquesta evolució destaca la tecnologia PLC d'amplada de banda (BPL), de l'anglès “Broadband over Power Lines”, versió avançada de PLC que funciona en un rang de freqüències d'1 MHz a 30 MHz. Els sistemes BPL ofereixen una banda més ampla, la qual cosa permet un augment significatiu de la velocitat i capacitat de transmissió de dades, permetent aplicacions més complexes i serveis en temps real. Aquesta tecnologia permet, per exemple, integrar mitjançant PLC la gestió energètica avançada i el monitoratge precís de l'estat de la xarxa. A més, els sistemes BPL ofereixen una major resistència a les interferències i ofereixen una millor cobertura tant en entorns urbans com industrials. Per això, la BPL s'està convertint en un dels pilars bàsics de les xarxes energètiques intel·ligents del futur, i les empreses energètiques estan provant i implantant aquesta tecnologia de manera creixent, obrint un camí cap a una digitalització més profunda de la xarxa.
Comunicacions entre el PLC concentrador i els comptadors intel·ligents amb un comptador en mode repetidor.
El grup de recerca TSR (Tractament del Senyal i Radiocomunicacions) de l'Escola d'Enginyeria de Bilbao de la Universitat del País Basc, porta deu anys treballant en sistemes de comunicacions per a xarxes elèctriques intel·ligents, especialment en l'aplicació de tecnologia PLC. Una de les principals recerques del grup és l'estudi de les característiques del canal de comunicació PLC, amb l'objectiu de millorar el rendiment i la fiabilitat de la transmissió de dades a través de la xarxa elèctrica.
Per a això, el grup TSR ha desenvolupat els seus propis mesuradors per a caracteritzar el comportament de la xarxa entre 9 kHz i 10 MHz, així com eines per a analitzar l'afebliment dels senyals PLC, la impedància de la xarxa i els mecanismes d'interferència. Aquests mesuraments han estat imprescindibles per a identificar els mecanismes d'interferència que es produeixen en les comunicacions per PLC, bé mitjançant experiments de laboratori, bé mitjançant proves en xarxes reals. Les dades obtingudes s'han utilitzat, a més, en treballs de recerca metrològica per a analitzar la incertesa de les tècniques emprades pels instruments de mesura de la qualitat de potència.
El treball del grup TSR també ha tingut un gran impacte en l'estandardització internacional, participant en els projectes europeus EMPIR-SupraEMI, EPM-Met4EVCS i EPM-SBS Uncert, finançats per EURAMET i la Unió Europea, i aportant als grups de treball d'organitzacions com a iEC, CENELEC i CIGRE en la definició de nous estàndards i en els processos d'elaboració d'informes tècnics.
En resum, els sistemes PLC s'han convertit en una de les principals bases tecnològiques de les xarxes elèctriques intel·ligents d'avui dia. La seva capacitat permet la transmissió de dades a través de la mateixa infraestructura de la xarxa elèctrica, la qual cosa permet controlar el consum i la generació distribuïda en temps real. Els sistemes PLC permeten el monitoratge de l'estat de la xarxa, la detecció automàtica d'avaries i l'optimització dels fluxos d'energia, contribuint així a garantir l'eficiència i l'estabilitat de la xarxa. De cara al futur, tecnologies avançades com BPL augmentaran la capacitat de transmissió de dades, però ja és clar que els sistemes PLC són imprescindibles en el procés de digitalització i automatització de la xarxa elèctrica.
Agraïments
Aquest treball ha estat finançat pel Govern Basc a través de les ajudes IT1910-26. Aquest treball també ha estat finançat per la subvenció PID2025-170561OB-I00 (projecte SEFONIS) del Govern d'Espanya, per MCIN/AEI/10.13039/501100011033 i el Fons Europeu de Desenvolupament Regional (ERDF/UE).
Bibliografia
[1] Https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement
[2] Https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en
[3] Jon González-Ramos, Alexander Gallarreta, Itziar Angulo, Igor Fernández, Amaia Arrinda, David de la Vega. 2023. “A review on the empirical characterization of the low voltage distribution grid as a communication channel for power line communications”, Sustainable Energy, Grids and Networks. 36. DOI: 10.1016/j.segan.2023.101217.
[4] Alexander Gallarreta, Jon González-Ramos, Stefano Lodetti, Peter Davis, Igor Fernández, David de la Vega, Itziar Angulo, Amaia Arrinda. 2025. “Measurement framework for the consistent and fast measurement of conducted grid emissions in the 9 500 kHz range”. Computers and Electrical Engineering, 124, DOI: 10.1016/j.compeleceng.2025.110314.
[5] Ángela Espín-Delgado, Sarah Rönnberg, Shimi Sudha Letha, Math Bollen. 2021. “Diagnòstic of supraharmonics-related problems based on the effects on electrical equipment”. Electric Power Systems Research. 195. DOI: 10.1016/j.epsr.2021.107179.
[6] R. H. Anders Larsson; Math H. J. Bollen; Mats G Wahlberg. Martin Lundmark; Sarah K. Rönnberg. 2010. “Measurements of High-Frequency (2–150 kHz) Distortion in Low-Voltage Networks”. IEEE Transactions on Power Delivery, 25. DOI: 10.1109/TPWRD.2010.2041371.
[7] Igor Fernández, Alexander Gallarreta, Jon González-Ramos, Paul Wright, David de la Vega, Itziar Angulo, Amaia Arrinda. 2023. “Measurement System of the Pixen and Sub-cycle LV Grid Access Impedance from 20 kHz to 10 MHz”. IEEE Transactions on Power Delivery. 38. DOI: 10.1109/TPWRD.2023.3238647
[8] Jon González-Ramos, Alexander Gallarreta, Igor Fernández, Itziar Angulo, David de la Vega, Amaia Arrinda. 2024. “Comparison of conducted emissions due to electric vehicle charging processes under isolated and en línia conditions in the 9–500 kHz frequency range”. Sustainable Energy, Grids and Networks. 36. DOI: 10.1016/j.segan.2024.101333.
[9] Jon González–Ramos, Itziar Angulo, Igor Fernández, Alexander Gallarreta, David de la Vega, Amaia Arrinda. 2024. “Characterization of the potential effects of sub-cycle impedance variations on PREVALGUI v1. 4”. Engineering Science and Technology, an International Journal. 56. DOI: 10.1016/j.jestch.2024.101775
[10] Tim Slangen, Vladimir ć CUK, en Sjef Cobb. 2023. “Summation of supraharmonic currents (2–150 kHz) from EV fast charging stations”, Electric Power Systems Research, 220. DOI: 10.1016/j.epsr.2023.109371.
[11] Vineetha Ravindran, Selcuk Sakar, Sarah Rönnberg, Math H.J. Bollen. 2020. “Characterization of the impact of PV and EV induced voltage variations on led lamps in a low voltage installation”. Electric Power Systems Research. 185. DOI: 10.1016/j.epsr.2020.106352.
Buletina
Bidali zure helbide elektronikoa eta jaso asteroko buletina zure sarrera-ontzian
