Bien que l'on ait accordé beaucoup d'attention au secteur des smartphones plus rapides et à la large bande mobile, l'impact le plus transformateur de la 5G est probablement celui des secteurs industriels et des infrastructures. Parmi ceux-ci, la modernisation des réseaux électriques – souvent appelés réseaux intelligents – se présente comme une application critique. Les réseaux électriques traditionnels ont été conçus pour un flux d'électricité unidirectionnel et une communication limitée. En revanche, les réseaux intelligents intègrent des capteurs numériques, des commandes automatisées et des communications bidirectionnelles pour optimiser la distribution d'énergie, intégrer des sources renouvelables et améliorer la fiabilité.

Comprendre les réseaux intelligents et leurs besoins en communication

Au cœur de ce réseau, on trouve un réseau électrique intelligent qui utilise la technologie numérique pour surveiller et gérer le transport d'électricité de toutes les sources de production afin de répondre aux diverses demandes d'électricité des utilisateurs finaux. Contrairement au réseau existant, qui repose sur des commutateurs électromécaniques et une surveillance manuelle, un réseau intelligent intègre une infrastructure de mesure avancée (AMI), des unités de mesure de phasor (UMP), des ressources énergétiques distribuées (DER) et des dispositifs électroniques intelligents (IED).

Les exigences de communication d'un réseau intelligent sont diverses et exigeantes. Par exemple, les systèmes de sensibilisation à la situation à grande échelle exigent des latences inférieures à 20 millisecondes et des taux de données de dizaines de mégabits par seconde. Les applications de protection et de contrôle, comme la protection différentielle des lignes de transmission, les latences de la demande inférieures à 5 millisecondes. Entre-temps, l'automatisation de la distribution et la réponse à la demande impliquent des millions de paramètres qui doivent être adaptés de façon fiable.

Indicateurs de rendement clés pour les communications par réseau intelligent

  • Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC):[ Latence aussi peu que 1 milliseconde avec 99,999% de fiabilité pour les signaux de protection et de commande.
  • Broadband mobile amélioré (eMBB):[ Vitesses de liaison descendante supérieures à 1 Gbps pour la surveillance de grille à haute résolution, l'inspection vidéo de l'équipement et les gros téléchargements de données à partir de PMU.
  • Massive Machine Type Communications (mMTC):[ Support pour un million d'appareils par kilomètre carré, permettant des réseaux de capteurs denses aux sous-stations, aux pôles de distribution et aux locaux de la clientèle.
  • Stallation réseau:[ La capacité de créer des réseaux virtuels isolés adaptés à des applications spécifiques de réseau intelligent, comme une tranche dédiée pour la signalisation de protection et une autre pour le mesurage des données.
  • Edge Computing Intégration:[ Les réseaux 5G prennent naturellement en charge le calcul multi-accès (MEC), permettant aux applications sensibles à la latence comme la détection de défauts de fonctionner au bord du réseau plutôt qu'un centre de données éloigné.

Comment 5G améliore les capacités de la grille intelligente

5G n'est pas seulement une mise à niveau progressive de 4G; elle représente un changement fondamental dans l'architecture et la capacité du réseau. Pour les réseaux intelligents, cela se traduit en plusieurs améliorations concrètes qui traitent directement des points de douleur opérationnelle de longue date.

Transmission de données à haute vitesse pour la surveillance en temps réel

Les capteurs de réseau intelligents modernes génèrent de grandes quantités de données. Par exemple, un seul PMU produisant 60 échantillons par seconde crée environ 1,5 Mo de données par minute. Avec des milliers de PMU dans une grande zone de service, le débit de données agrégé peut dépasser plusieurs gigabits par seconde. Les capacités eMBB de 5G fournissent la bande passante nécessaire pour transporter ces données sans compression ni perte, permettant aux centres de contrôle de maintenir une vue dynamique en temps réel des conditions du réseau.

Latence ultra-faible pour la protection et le contrôle du réseau

Dans les systèmes traditionnels, les retards de communication peuvent causer une faille à propager, entraînant des pannes généralisées. L'URLLC de 5G réduit la latence en allers retours à la gamme mono-miliseconde, ce qui permet de remplacer les signaux de protection dédiés au cuivre ou aux fibres par des liaisons sans fil. Ceci est particulièrement utile dans les zones éloignées où la fibre de fonctionnement est prohibitive des coûts. Des systèmes de protection différentielles pour les lignes de transmission, qui comparent les phaseurs courants aux deux extrémités d'une ligne, peuvent maintenant être exécutés sur une connexion 5G avec confiance.

Connexion massive de périphériques pour l'Internet des objets

Une grille intelligente peut comprendre des millions de paramètres : compteurs intelligents, capteurs de distribution, contrôleurs bancaires de condensateurs, refermeurs et régulateurs de tension. Ces appareils transmettent souvent de petites quantités de données, mais leur nombre même crée un défi d'évolutivité. Le mode mMTC de 5G, optimisé pour une faible puissance et une transmission sporadique, peut supporter jusqu'à 1 million de dispositifs par kilomètre carré. Cela permet aux services publics de déployer des capteurs dans chaque transformateur, pôle, et même à l'intérieur des locaux de la clientèle sans épuiser les ressources du réseau.

Sécurité et fiabilité du réseau

Au-delà de la sécurité de base, le slicement du réseau 5G permet à un utilitaire d'exploiter un réseau logique complètement isolé pour ses fonctions les plus sensibles, empêchant la contamination croisée avec le trafic public. De plus, 5G supporte des chemins redondants et une multiconnectivité, où un appareil peut maintenir simultanément des connexions à plusieurs stations de base, fournissant une résilience contre un seul point de défaillance.

Cases d'utilisation de la grille intelligente clé activées par 5G

Bien que les caractéristiques techniques de la 5G soient convaincantes, leur valeur est mieux comprise par des cas d'utilisation spécifiques qui sont déjà testés ou déployés par des utilitaires dans le monde entier. Les sections suivantes détaillent les applications les plus pertinentes.

Automatisation de la distribution avancée

L'automatisation de la distribution implique la surveillance et le contrôle à distance des équipements sur le réseau à moyenne tension et basse tension.Par exemple, les refermeurs automatiques qui restaurent le service après une panne temporaire, les commutations de la banque de condensateurs pour la régulation de la tension, et les algorithmes de localisation, d'isolement et de restauration du service (FLISR).Ces fonctions nécessitent une communication à faible latence et très fiable pour exécuter dans les cycles de la forme d'onde AC.

Réponse de la demande et prix dynamiques

Les capacités mMTC de 5G permettent à des millions de thermostats, de chargeurs électriques de véhicules et de chauffe-eau de recevoir des signaux de prix et de réagir de façon autonome. De plus, la faible latence de 5G permet une « réponse rapide à la demande » qui peut arrêter les baisses de fréquence en temps quasi réel, fournissant un niveau de service précédemment réservé aux réserves de rotation coûteuses. Avec 5G, un service peut contrôler directement des milliers de ressources distribuées en millisecondes pour équilibrer l'offre et la demande.

Intégration des ressources énergétiques distribuées

Les sources d'énergie renouvelables comme les panneaux solaires et les éoliennes, ainsi que les systèmes de stockage de batteries, sont de plus en plus raccordés au réseau de distribution.Ces ressources énergétiques distribuées (DER) posent des défis parce que leur production est variable et que leurs onduleurs peuvent interagir avec le réseau de manière complexe. 5G permet un contrôle précis et à faible latence des onduleurs DER, leur permettant de fournir des services de soutien du réseau, comme le contrôle volt/VAR et la régulation des fréquences.

Sensibilisation à la situation dans une large zone

Les systèmes de sensibilisation de situation collectent et affichent des données en temps réel à travers la grille de transmission. Les unités de mesure de Phasor (PMUs) sont l'épine dorsale de ces systèmes, fournissant des mesures de tension et de courant synchronisées dans le temps. Pour fonctionner correctement, les données PMU doivent être transmises avec une latence faible et déterministe. L'URLLC de 5G garantit que les flux de données PMU arrivent au centre de contrôle de la grille avec des jitters en dessous de 1 milliseconde, permettant une estimation de l'état de haute fidélité et un avertissement précoce des oscillations.

Maintenance prédictive et gestion des biens

En déployant des capteurs connectés au 5G sur des transformateurs, des disjoncteurs et des lignes de transmission, les opérateurs peuvent surveiller en permanence les vibrations, la température, le gaz dissous et d'autres paramètres. Les algorithmes d'apprentissage automatique fonctionnant sur des serveurs bord peuvent détecter des anomalies qui indiquent une défaillance imminente, comme une décharge partielle dans un isolant, et générer des alertes de maintenance. La bande passante élevée de 5G permet d'amonter les données de la forme d'onde brute, tandis que la faible latence supporte une rétroaction rapide des modèles d'analyse.

Défis et solutions pour déployer 5G pour Smart Grids

Malgré les avantages techniques évidents, la voie vers l'adoption généralisée de la 5G dans le secteur des services publics n'est pas sans obstacles. Les services publics doivent naviguer dans un paysage complexe de coûts, de réglementation, d'intégration technique et de cybersécurité.

Coût et couverture de l'infrastructure

Le déploiement d'un réseau 5G dédié à la couverture géographique complète, en particulier dans les corridors de transmission à distance, nécessite des investissements importants.Les services publics ne sont pas des entreprises de télécommunications et la construction de réseaux privés 5G peut être prohibitif pour tous les opérateurs, sauf les plus grands.Une solution pratique est le modèle hybride : les services publics s'associent aux exploitants de réseaux publics pour tirer parti de leur couverture macro, tout en déployant des petites cellules privées 5G dans des sous-stations et d'autres installations de grande valeur.

Considérations en matière de réglementation et de spectre

Dans de nombreux pays, les services publics de l'énergie sont soumis à des réglementations strictes en matière de confidentialité des données, de fiabilité et de protection des infrastructures critiques. L'attribution du spectre radioélectrique aux communications par réseau intelligent varie selon les juridictions et les retards dans les enchères de spectre peuvent ralentir le déploiement. Les services publics doivent également veiller à ce que les appareils 5G respectent les normes de compatibilité électromagnétique pour éviter toute interférence avec les équipements sensibles du réseau.

Cybersécurité et résilience

Si 5G offre des fonctionnalités de sécurité améliorées, la connectivité accrue des appareils de réseau intelligent élargit également la surface d'attaque. Un capteur 5G compromis pourrait être utilisé comme point d'entrée dans le réseau d'utilité publique. Pour atténuer cela, les utilitaires devraient mettre en œuvre des architectures de confiance zéro, où chaque appareil est authentifié et autorisé individuellement. Le sliceage réseau fournit une isolement logique, mais l'isolement physique à travers des réseaux de base distincts peut être nécessaire pour les fonctions les plus critiques.

Intégration avec les systèmes hérités

L'intégration des paramètres 5G nécessite souvent des passerelles et des adaptateurs de protocole, ce qui ajoute complexité et latence. L'adoption de normes comme IEC 61850 (qui définit la communication pour les sous-stations) et l'utilisation de MQTT pour le transport des données peuvent simplifier l'intégration. Certains modules 5G viennent maintenant avec un support intégré pour les protocoles industriels, réduisant ainsi le besoin de passerelles externes. Les services publics devraient adopter une stratégie de migration progressive, en commençant par des applications non critiques pour prouver la technologie avant de s'étendre aux systèmes de protection et de contrôle.

Perspectives d'avenir : la grille intelligente 5G

La convergence de la 5G avec d'autres technologies émergentes – comme l'intelligence artificielle, l'informatique de pointe et les jumelles numériques – permet de débloquer des capacités de réseau intelligent encore plus sophistiquées.

Réseau sensible au temps sur 5G

Le réseau sensible au temps (TSN) est un ensemble de normes qui fournissent une communication déterministe et à faible jitter sur Ethernet. Lorsqu'il est combiné à l'URLLC 5G, TSN peut étendre la communication déterministe sans fil aux appareils à distance. Ceci est particulièrement important pour les applications nécessitant une coordination précise, comme l'injection de courant synchronisé pour les tests de défaillance ou le fonctionnement parallèle de plusieurs onduleurs dans un microréseau.

5G privé pour les réseaux de campus utilitaires

Le spectre devient plus accessible et les coûts matériels 5G diminuent, de nombreux services publics déploieront leurs propres réseaux 5G privés pour les utiliser dans les sous-stations, les centres de contrôle et les campus d'entreprise. Le Private 5G offre un contrôle complet sur la qualité du service, la sécurité et la localisation des données. Il peut coexister avec les réseaux publics mais fonctionne de manière indépendante pour des fonctions critiques.

Informatique de bord et analyse en temps réel

Pour les réseaux intelligents, cela signifie qu'un algorithme de détection de faille peut fonctionner dans quelques centaines de microsecondes des données générées, sans acheminer le trafic vers un cloud central. Les applications basées sur les bords peuvent également fonctionner de manière autonome même si la connexion backhaul au centre de contrôle est perdue, améliorant ainsi la résilience. Par exemple, un nœud de bord dans une sous-station peut exécuter des commandes de rodage préprogrammées lorsqu'il détecte que les communications avec le centre SCADA ont échoué.

Jumelles numériques et simulation

Un jumeau numérique est une réplique virtuelle d'un actif physique ou d'un système qui peut être mis à jour en temps réel à l'aide de données de capteur. Avec 5G fournissant un flux de haute puissance, de faible latence, les utilitaires peuvent créer des jumelles numériques de flux ou de sous-stations de distribution entiers. Les opérateurs peuvent ensuite exécuter des scénarios « what-if » (comme l'effet de changer de banque de condensateur ou de céder une charge) sur le jumeau numérique avant de les mettre en place dans le réseau réel.

Conclusion

La connectivité 5G est bien plus qu'un réseau mobile plus rapide; c'est une technologie fondamentale pour la prochaine génération de réseaux électriques. En fournissant une communication ultra-fiable à faible latence, une évolutivité massive et une sécurité accrue que les applications de réseaux intelligents exigent, 5G permet aux services publics d'atteindre une plus grande efficacité, d'intégrer plus d'énergie renouvelable et de répondre aux défaillances et aux perturbations à une vitesse sans précédent. Bien que les défis liés aux coûts, à la réglementation et à l'intégration demeurent clairs, la trajectoire est la suivante.

Pour plus de détails, consultez les spécifications 3GPP sur URLLC et mMTC, les Normes de réseau intelligent de la CEI et le NIST Smart Grid Framework[.Les opérateurs de réseau et les services publics du monde entier font déjà preuve de succès dans les projets pilotes de réseau intelligent de 5G, et l'élan de déploiement ne s'accélérera que dans les années à venir.