La rapida evoluzione della tecnologia della rete cellulare ha inserito una nuova era con la commercializzazione dei sistemi wireless di quinta generazione (5G) e, sebbene molte sfide pubbliche si siano concentrate su smartphone più veloci e su una banda mobile più avanzata, l'impatto più trasformativo di 5G è probabile che si verifichino in settori industriali e infrastrutturali.

Comprendere le griglie intelligenti e le loro esigenze di comunicazione

Al suo centro, una rete intelligente è una rete elettrica che utilizza la tecnologia digitale per monitorare e gestire il trasporto di energia da tutte le fonti di generazione per soddisfare le diverse esigenze di energia elettrica degli utenti finali.A differenza della rete legacy, che si basa su interruttori elettromeccanici e supervisione manuale, una rete intelligente incorpora l'infrastruttura di misura avanzata (AMI), unità di misura del phasor (PMU), risorse energetiche distribuite (DER), e dispositivi elettronici intelligenti (IEDly).

I requisiti di comunicazione di una rete intelligente sono diversi e impegnativi. Ad esempio, i sistemi di consapevolezza della situazione di ampia area richiedono latenza sotto i 20 millisecondi e i tassi di dati di decine di megabit al secondo. Le applicazioni di protezione e controllo, come la protezione differenziale per le linee di trasmissione, richiedono latenza al di sotto dei 5 millisecondi.

Indicatori di performance chiave per le comunicazioni intelligenti

  • Comunicazione a bassa risoluzione (URLLC):[ Latenza a bassa intensità di 1 millisecondo con affidabilità 99,999% per i segnali di protezione e controllo.
  • A banda larga mobile avanzata (eMBB):[] Velocità di collegamento superiore a 1 Gbps per il monitoraggio della griglia ad alta risoluzione, l'ispezione video delle apparecchiature e grandi caricamenti di dati da PMU.
  • Massive Machine Type Communications (mMTC): Supporto per un massimo di 1 milione di dispositivi per chilometro quadrato, consentendo reti di sensori densi a sottostazioni, pali di distribuzione e locali del cliente.
  • Rete di rete:[] La capacità di creare reti virtuali isolate su misura per specifiche applicazioni di rete intelligente, come una fetta dedicata per la segnalazione di protezione e un altro per la misurazione dei dati.
  • Integrazione di calcolo di valutazione:[[] Le reti 5G supportano naturalmente il calcolo multi-accesso (MEC), permettendo applicazioni sensibili alla latenza come il rilevamento di guasti per funzionare al bordo della rete piuttosto che un centro dati lontano.

Come 5G migliora le capacità di presa intelligente

5G non è solo un aggiornamento incrementale da 4G; rappresenta un cambiamento fondamentale nell'architettura e nella capacità della rete.Per le griglie intelligenti, questo si traduce in diversi miglioramenti concreti che affrontano direttamente i punti di dolore operativi di lunga data.

Trasmissione dati ad alta velocità per il monitoraggio in tempo reale

I moderni sensori di rete intelligenti generano una vasta quantità di dati. Ad esempio, un singolo PMU che produce 60 campioni al secondo crea circa 1,5 MB di dati al minuto. Con migliaia di PMU attraverso una grande area di servizio, il throughput dei dati aggregati può superare più gigabit al secondo. Le capacità di eMBB di 5G forniscono la larghezza di banda necessaria per trasportare questi dati senza compressione o perdita, consentendo ai centri di controllo di mantenere una visione dinamica di stabilità in tempo reale delle condizioni di griglia avanzate.

Ultra-Low Latency per la protezione e il controllo della griglia

La stabilità del Grid dipende dalla velocità con cui i relè protettivi possono isolare i guasti. Nei sistemi tradizionali, i ritardi di comunicazione possono causare un difetto di propagazione, portando a blackout molto diffusi. L'URL di 5G riduce la latenza di andata e ritorno alla gamma di millisecondi, rendendo possibile sostituire il segnale di protezione dedicato a rame o fibra con collegamenti wireless.

Connettività di dispositivi di massa per Internet delle cose

Una rete intelligente può includere milioni di endpoint: contatori intelligenti, sensori di distribuzione, controllori bancari capacitori, richiustri e regolatori di tensione. Questi dispositivi spesso trasmettono piccole quantità di dati infrequenza, ma il numero di essi crea una sfida di scalabilità.

Maggiore affidabilità della sicurezza e della rete

La sicurezza informatica è una preoccupazione fondamentale per l'infrastruttura critica. Le reti 5G incorporano una crittografia più forte (AES-256), l'autenticazione reciproca e la protezione dell'identità dell'abbonato. Oltre alla sicurezza di base, la slicing di rete 5G consente un'utilità per gestire una rete logica completamente isolata per le sue funzioni più sensibili, impedendo la contaminazione incrociata con il traffico pubblico.

Key Smart Grid Use Cases abilitato da 5G

Mentre le caratteristiche tecniche del 5G sono convincenti, il loro valore è meglio compreso attraverso casi di utilizzo specifici che sono già in fase di test o di distribuzione da parte di utility in tutto il mondo.

Automazione di distribuzione avanzata

L'automazione della distribuzione comporta il monitoraggio e il controllo remoto delle apparecchiature sulla rete a media tensione e bassa tensione. Esempi includono richiudi automatici che ripristinano il servizio dopo un guasto temporaneo, commutazione della banca del condensatore per la regolazione della tensione, e la posizione dei guasti, l'isolamento e il ripristino dei servizi (FLISR) algoritmi. Queste funzioni richiedono una comunicazione a bassa latenza, altamente affidabile per eseguire entro i cicli della forma d'onda AC.

Risposta della domanda e prezzi dinamici

I programmi di risposta alla domanda incentivano i consumatori a ridurre o spostare il loro utilizzo di energia elettrica durante i periodi di picco. La risposta efficace della domanda si basa sulla comunicazione veloce e bidirezionale tra l'utilità, gli aggregatori e i dispositivi intelligenti nelle case e nelle imprese. Le capacità di mMTC di 5G consentono a milioni di termostati, caricatori di veicoli elettrici e riscaldatori di acqua di ricevere segnali di prezzo e rispondere autonomamente.

Integrazione delle risorse energetiche

Le fonti energetiche rinnovabili come pannelli solari e turbine eoliche, insieme ai sistemi di memorizzazione della batteria, sono sempre più connesse alla rete di distribuzione. Queste risorse energetiche distribuite (DER) pongono sfide perché la loro uscita è variabile e i loro inverter possono interagire con la rete in modi complessi. 5Gsecond permette un controllo preciso e a bassa latenza degli inverter DER, permettendo loro di fornire servizi di supporto della rete come il controllo volt/VAR e la regolazione della stabilità di frequenza.

Consapevolezza situzionale di Wide-Area

I sistemi di sensibilizzazione si trovano a raccogliere e visualizzare i dati in tempo reale dall'altra parte della rete di trasmissione. Le unità di misura del Phasor (PMU) sono la spina dorsale di questi sistemi, fornendo misurazioni sincronizzate della tensione e dei phasors attuali. Per funzionare correttamente, i dati PMU devono essere trasmessi con latenza a bassa e deterministica multipla.

Manutenzione e gestione delle risorse

Con l'implementazione di sensori collegati a 5G su trasformatori, interruttori e linee di trasmissione, gli operatori possono monitorare le vibrazioni, la temperatura, il gas disciolto e altri parametri continuamente. Gli algoritmi di apprendimento automatico in esecuzione su server di bordo possono rilevare anomalie indicative di un guasto di strategia di riduzione dei costi basati su un approccio parziale in un isolante e generare avvisi di manutenzione.

Sfide e soluzioni nella distribuzione 5G per Smart Grids

Nonostante i chiari vantaggi tecnici, la strada per un'adozione 5G diffusa nel settore dell'utilità non è senza ostacoli. I servizi di utilità devono navigare in un complesso paesaggio di costi, regolamentazione, integrazione tecnica e sicurezza informatica.

Costo e copertura delle infrastrutture

La distribuzione di una rete 5G dedicata con copertura geografica completa, soprattutto nei corridoi di trasmissione remota, richiede un investimento significativo di capitale. Le utility non sono aziende di telecomunicazioni, e la costruzione di reti private 5G può essere proibitivamente costosa per tutti, ma per i più grandi operatori. Una soluzione pratica è il modello ibrido: le utility partner con gli operatori di rete pubblici per sfruttare la loro copertura macro, mentre la distribuzione di piccole celle private 5G in stazioni di substazioni e altre strutture ad alto valore garantito.

Considerazioni normative e di spettro

In molti paesi, le utilità energetiche sono soggette a severe normative in materia di privacy dei dati, affidabilità e protezione delle infrastrutture critiche. L'assegnazione di uno spettro radio per le comunicazioni intelligenti a griglia varia da giurisdizione e i ritardi nelle aste a spettro possono rallentare l'implementazione.

Sicurezza informatica e resilienza

Anche se 5G offre funzionalità di sicurezza migliorate, la maggiore connettività dei dispositivi intelligenti di rete espande anche la superficie di attacco. Un sensore collegato a 5G compromesso potrebbe essere utilizzato come punto di ingresso nella rete di utilità. Per mitigare questo, le utilità dovrebbero implementare architetture a zero-trust, dove ogni dispositivo è autenticato e autorizzato singolarmente.

Integrazione con i Sistemi Legacy

La maggior parte delle utility utilizza un mix eterogeneo di protocolli di comunicazione legacy (ad esempio, DNP3, Modbus, IEC 61850) e apparecchiature che non sono state progettate per la rete IP-based.

Outlook futuro: la griglia intelligente abilitata 5G

La convergenza del 5G con altre tecnologie emergenti, come l'intelligenza artificiale, il edge computing e i gemelli digitali, promette di sbloccare ancora più sofisticate capacità di rete intelligente.

Reti di tempo-sensitive su 5G

Time-Sensitive Networking (TSN) è un insieme di standard che forniscono una comunicazione deterministica e a basso contenuto di giga su Ethernet. Quando combinato con 5G URLLC, TSN può estendere la comunicazione deterministica in modalità wireless a dispositivi remoti. Ciò è particolarmente importante per applicazioni che richiedono un coordinamento preciso, come ad esempio l'iniezione corrente disinnesto di test di errore o il funzionamento parallelo di più inverter in una microgriglia.

Private 5G per reti di Campus Utility

Poiché lo spettro diventa più accessibile e il calo dei costi hardware 5G, molte utility distribuiranno le proprie reti private 5G per l'utilizzo all'interno di sottostazioni, centri di controllo e campus aziendali. Private 5G offre il pieno controllo sulla qualità del servizio, la sicurezza e la località dei dati.

Analisi di calcolo e real-time degli bordi

Per le griglie intelligenti, questo significa che un algoritmo di rilevamento dei guasti può funzionare entro poche centinaia di microsecondi dei dati generati, senza instradare il traffico verso una nuvola centrale. Le applicazioni basate su bordi possono funzionare anche autonomamente anche se la connessione di backhaul al centro di controllo è persa, migliorando la resienza dei bordi.

Gemelli digitali e simulazione

Con 5G che fornisce lo streaming ad alta velocità, a bassa latenza, le utility possono creare gemelli digitali di interi alimentatori di distribuzione o sostazioni. Gli operatori possono quindi eseguire scenari "che-se" (come l'effetto di cambiare una banca del condensatore o di versare un carico) sul gemello digitale prima di implementarli nella rete di rischio reale.

Conclusioni

La connettività 5G è molto più veloce della rete mobile; è una tecnologia fondamentale per la prossima generazione di reti elettriche. Fornendo la comunicazione a bassa latenza ultra-rilievibile, la scalabilità massiccia e la sicurezza aumentata che le applicazioni di rete intelligente richiedono, 5G consente alle utility di raggiungere una maggiore efficienza, integrare più energie rinnovabili e rispondere a difetti e disturbi con velocità senza precedenti.

Per ulteriori informazioni, consultare le specifiche 3GPP] su URLLC e mMTC, IEC Smart Grid Standards, e il ]]NIST Smart Grid Framework]].