Según el diccionario Merriam Webster: capacidad de algo de volver a su tamaño y forma originales después de haber sido comprimido o deformado. La resiliencia es la capacidad de recuperarse o adaptarse fácilmente a la adversidad o al cambio.
La resistencia de la red presenta varios aspectos, entre ellos la resistencia a..:
Toda la gestión rutinaria de la red y la recuperación ante condiciones extremas requieren conectividad (casi) en tiempo real, capacidad de proceso y cantidades extremas de datos que deben transmitirse con rapidez y fiabilidad. Mantener la resistencia de la red ante factores como estos requiere capacidades que ya están disponibles y han sido validadas en tecnologías rentables, pero que solo están empezando a desplegarse en redes comerciales:
Toda la gestión rutinaria de la red y la recuperación ante condiciones extremas requieren conectividad (casi) en tiempo real, capacidad de proceso y cantidades extremas de datos que deben transmitirse con rapidez y fiabilidad. Mantener la resistencia de la red ante factores como estos requiere capacidades que ya están disponibles y han sido validadas en tecnologías rentables, pero que solo están empezando a desplegarse en redes comerciales:
Debido a los requisitos para recoger y transmitir cantidades masivas de datos, los servicios de telecomunicaciones son fundamentales para la resistencia de la red. La resistencia de las redes de telecomunicaciones se convierte en una característica fundamental de la solución de red, proporcionando la conectividad necesaria en las diferentes condiciones. Las empresas de servicios públicos que dependen, total o parcialmente, de los proveedores de servicios de telecomunicaciones, están aceptando que la resistencia de su red depende de la resistencia de las redes de terceros. La forma tradicional de obtener la independencia necesaria de esos terceros es establecer y explotar redes privadas de telecomunicaciones utilizando tecnologías como la inalámbrica (siempre dependiente del uso y control del espectro radioeléctrico) y tecnologías cableadas como la fibra óptica y las comunicaciones por línea eléctrica, utilizando las propias líneas eléctricas de las empresas de servicios públicos.
Debido a la descarbonización, cabe esperar que continúe el inmenso aumento del número de centrales de generación, dispositivos de almacenamiento y grandes consumidores adicionales en los niveles de tensión más bajos. Estos cambios provocan cada vez más cuellos de botella de capacidad en las redes de distribución. Este problema se ve agravado por la gran volatilidad tanto de la generación como del consumo. Debido a las limitaciones de tiempo, este aumento y las cargas asociadas no pueden resolverse ampliando las redes, por lo que es indispensable una intervención de control en la parte de baja tensión de la red. Sin embargo, el control centralizado, tal como se ha practicado hasta ahora en los niveles de tensión superiores, es difícil de implantar en los niveles de tensión inferiores porque el número de unidades que hay que controlar es miles de veces mayor. Un control centralizado en toda la red de baja tensión supondría una necesidad inaceptable de recursos humanos y un aumento inaceptable de los costes de comunicación. Una solución en este caso es el control descentralizado con unidades de control automatizadas en las estaciones de la red local. Sin embargo, esta solución autónoma requiere una comunicación en tiempo real y de alta velocidad entre las unidades locales de consumo y generación, así como una comunicación rápida y fiable con la unidad de control. Aquí es exactamente donde la tecnología BPL muestra todo su potencial. Además de las ventajas económicas de una solución de control descentralizada, el control autónomo se traduce en mejoras relevantes de la estabilidad y en una menor susceptibilidad a los ciberataques en las redes eléctricas. E.ON lleva tiempo ocupándose de este problema y ya ha desarrollado soluciones basadas en la tecnología BPL, que actualmente se están validando en estudios de campo.
Debido a la descarbonización, cabe esperar que continúe el inmenso aumento del número de centrales de generación, dispositivos de almacenamiento y grandes consumidores adicionales en los niveles de tensión más bajos. Estos cambios provocan cada vez más cuellos de botella de capacidad en las redes de distribución. Este problema se ve agravado por la gran volatilidad tanto de la generación como del consumo. Debido a las limitaciones de tiempo, este aumento y las cargas asociadas no pueden resolverse ampliando las redes, por lo que es indispensable una intervención de control en la parte de baja tensión de la red. Sin embargo, el control centralizado, tal como se ha practicado hasta ahora en los niveles de tensión superiores, es difícil de implantar en los niveles de tensión inferiores porque el número de unidades que hay que controlar es miles de veces mayor. Un control centralizado en toda la red de baja tensión supondría una necesidad inaceptable de recursos humanos y un aumento inaceptable de los costes de comunicación. Una solución en este caso es el control descentralizado con unidades de control automatizadas en las estaciones de la red local. Sin embargo, esta solución autónoma requiere una comunicación en tiempo real y de alta velocidad entre las unidades locales de consumo y generación, así como una comunicación rápida y fiable con la unidad de control. Aquí es exactamente donde la tecnología BPL muestra todo su potencial. Además de las ventajas económicas de una solución de control descentralizada, el control autónomo se traduce en mejoras relevantes de la estabilidad y en una menor susceptibilidad a los ciberataques en las redes eléctricas. E.ON lleva tiempo ocupándose de este problema y ya ha desarrollado soluciones basadas en la tecnología BPL, que actualmente se están validando en estudios de campo.
Algunas empresas europeas de servicios públicos han estandarizado e iniciado el despliegue comercial de tecnologías de banda ancha sobre líneas eléctricas que pueden satisfacer estas demandas, sobre todo teniendo en cuenta las necesidades futuras de las capacidades de telecomunicaciones. Los chips BPL combinan capacidades de comunicación y computación que permiten la ciberseguridad y otras funcionalidades que no pueden igualar soluciones comunes como las comunicaciones inalámbricas y las comunicaciones de banda estrecha por línea eléctrica.
Las siguientes secciones explicarán con más detalle los requisitos tecnológicos de la nueva red energética utilizando una analogía con el sistema financiero. Dada la centralidad de la red eléctrica en la economía y la sociedad, y teniendo en cuenta los cambios transformadores que está experimentando la red -integración de las energías renovables y los vehículos eléctricos, así como la aplicación de los más altos requisitos de seguridad-, los sistemas de red deben ser al menos tan resistentes como los sistemas financieros.
En primer lugar, hay que darse cuenta de que los requisitos para el funcionamiento de las redes eléctricas deben abordar desde el principio la petición fundamental en cualquier sistema de energía eléctrica: debe controlarse en tiempo real porque la estabilidad del sistema depende de la adecuación de la oferta y la demanda, que debe producirse en tiempo real. Este hecho es siempre un requisito inherente a los datos y las comunicaciones en tiempo real. Esto no ocurre en el sistema financiero, que permite una reacción retardada, distinta del tiempo real. (No todas las funciones del sistema eléctrico deben realizarse en tiempo real, como en el caso de la medición: hace no más de dos décadas, la lectura de los contadores se hacía manualmente). Sin embargo, como ya se ha explicado, los futuros servicios y necesidades plantean la necesidad urgente de acercarse al tiempo real ("casi tiempo real").
Para los datos de clientes residenciales, los sistemas de distribución de electricidad, al igual que los sistemas financieros, deben ser resistentes. Comparando el número de bytes necesarios para una transacción con tarjeta de crédito y una lectura de perfil de contador eléctrico obtenemos lo siguiente:
Los datos de comunicación de la tarjeta de crédito entre el terminal de pago y un servidor son, por término medio, inferiores a 1 kilobyte, pero hay muchas diferencias entre países, por lo que la norma no es exacta. Los datos típicos incluyen la información del titular de la tarjeta (número de tarjeta de crédito, fecha de caducidad, número cvv), el terminal (el número de terminal, el comerciante), información específica sobre la transacción (el importe de la transacción, el tipo de transacción (compra, retirada, depósito, reembolso, anulación, consulta de saldo, pagos y transferencias entre cuentas, elementos de la transacción), cabecera CP/IP e información de seguridad TLS.
El perfil de medición se recoge normalmente cada 15 minutos por contador. Un perfil de carga típico con 20 registros (que podrían ser hasta 80) ocupa unos 300 - 500 bytes. Incluye información sobre el contador, identificador del contador (16 bytes), identificador de la compañía eléctrica (32 bytes), marca de tiempo (22 bytes), identificador del módulo de comunicación (17 bytes), identificador del perfil (4 bytes), información sobre los registros y la lista de registros de cada registro (código OBIS: 6 bytes, valor: 4 bytes).
En la actualidad, la recogida de datos de los contadores de energía se realiza cada 15 minutos, lo que representa 96 perfiles cada 24 horas, muchos más datos de los que se suelen recoger en las transacciones con tarjetas de crédito. La digitalización provocará un nuevo aumento de las necesidades de datos de la red energética debido a:
Todos los datos de los usuarios finales deben cifrarse, en el sistema financiero mediante el protocolo TLS y mediante los protocolos correspondientes en las redes de energía. Además, el acceso a los sistemas está protegido por la infraestructura PKI. Los requisitos de seguridad de los sistemas energéticos evolucionan rápidamente y en los sistemas resistentes superan a los de los sistemas financieros. Por ejemplo, durante una transacción con tarjeta de crédito, es el código PIN o el número CVS, el que se autentifica utilizando la infraestructura PKI; sin embargo, sólo unidireccionalmente, de la tarjeta de crédito al servidor. En el sector energético, por ejemplo, la autenticación de E.ON es bidireccional. En otras palabras, las redes energéticas complejas, como la red BPL de E.ON, utilizan la autenticación TLS bidireccional (mutua) para asegurar la comunicación de extremo a extremo, de modo que no sólo el servidor puede autenticar el dispositivo BPL final, sino que también las aplicaciones en los dispositivos BPL finales pueden autenticar el servidor para asegurarse de que el servidor es aquel con el que las aplicaciones realmente quieren comunicarse.
Por lo tanto, una solución PKI integrada en los dispositivos BPL proporciona seguridad adicional para permitir que las aplicaciones que se ejecutan en BPL renueven de forma segura la información secreta utilizada para el cifrado, la autenticación y la autorización.
De acuerdo con los requisitos anteriores, en la situación actual la cantidad de datos de medición no representa un reto significativo para la comunicación de la red. Sin embargo, la creciente cantidad de datos con la creciente integración de DERM y los requisitos de seguridad en el funcionamiento normal, incluso sin eventos críticos repentinos, ya representan un desafío para las opciones de comunicación existentes para la medición inteligente y la prestación de servicios relacionados con el cliente: PLC de banda estrecha y LTE.
Las situaciones críticas no previsibles en el sistema financiero provocadas por los clientes finales son muy poco frecuentes. Además, los clientes están asegurados por la Federal Deposit Insurance Corporation (FDIC), que hoy asegura a los depositantes hasta 250.000 dólares por entidad bancaria. A pesar de ello, la crisis financiera de 2008-09 se saldó de nuevo con algunas corridas bancarias notables. El 25 de septiembre de 2008, Washington Mutual (WaMu), la sexta mayor entidad financiera estadounidense en aquel momento, fue cerrada por la Oficina de Supervisión de Entidades de Ahorro de Estados Unidos. En los días anteriores, los depositantes habían retirado más de 16.700 millones de dólares en depósitos, lo que provocó que el banco se quedara sin reservas de efectivo a corto plazo.
A pesar de las diferentes normativas a nivel nacional, donde normalmente se penaliza la mala calidad de los niveles de servicio, los clientes de los sistemas energéticos no disponen de un seguro gubernamental para el suministro eléctrico. Las ráfagas repentinas y no predecibles de datos y la necesidad de proporcionar un entorno fiable de alta seguridad representan un reto clave para el diseño de la red y sus servicios de telecomunicaciones. Para la medición inteligente y los servicios al cliente relacionados, las redes de comunicación que se utilizan habitualmente en la actualidad, PLC de banda estrecha e inalámbricas de banda ancha, no los satisfacen. Se enfrentan a un cambio transformacional que se traduce en velocidades de transmisión de datos muy superiores a las de los sistemas financieros. En el proceso de digitalización, la cantidad de datos aumentará drásticamente. Además, hay que implantar la seguridad, incluidos los túneles TLS, la autenticación y la autorización, con una seguridad al menos tan buena como la de los sistemas financieros. Para aumentar la fiabilidad y el tiempo de respuesta es necesario crear y actualizar masivamente las redes de distribución.
Tanto la tecnología de banda ancha a través de líneas eléctricas como la tecnología de banda estrecha a través de líneas eléctricas son tecnologías de medios compartidos, lo que significa que todos los contadores comparten el ancho de banda dentro del mismo dominio de red (a menudo, un dominio es un centro de transformación secundario).
La tecnología de banda ancha sobre líneas eléctricas ofrece la fiabilidad y el tiempo de respuesta necesarios para satisfacer las necesidades de seguridad de una red moderna de contadores inteligentes. Para proteger los datos de facturación y garantizar la privacidad de los datos de medición y, lo que es más importante, proteger el funcionamiento seguro de la red de distribución de energía, las modernas redes de contadores inteligentes se protegen con una serie de marcos de seguridad, como el túnel de datos cifrados, la autenticación mutua basada en infraestructuras de clave pública (PKI), las firmas digitales y muchos otros servicios de protección de la seguridad. Estos marcos de seguridad requieren tiempos de respuesta cortos y un ancho de banda fiable para soportar sus interacciones de mensajes de seguridad. La tecnología tradicional de redes de banda estrecha es lenta en el tiempo de respuesta. El resultado es un nerviosismo extremo en la conexión que impide la aplicación de estos modernos protocolos de seguridad. Para permitir la seguridad de extremo a extremo, a menudo se utiliza un túnel TLS persistente entre los contadores inteligentes y los concentradores de datos centrales. Esto significa que, para que funcionen los protocolos de seguridad modernos, el servicio central establecerá una conexión con todos los contadores en paralelo y mantendrá dicho enlace 24 horas al día, 7 días a la semana. Las conexiones múltiples son persistentes.
Sin embargo, una red de banda estrecha está diseñada para mantener una sola conexión a la vez. Cuando un gran número de contadores se conectan al mismo tiempo (paso periódico de contadores a intervalos de 15 minutos, una hora o un día), la red se ve obligada a interrumpir y restablecer continuamente las sesiones de red. La red de banda estrecha tradicional sólo admite la supervisión posterior de la calidad de la energía, en la que recoge todos los eventos de calidad de la energía horas o días después, y luego realiza su análisis y da respuestas. No admite el envío de comandos multidifusión a un gran número de contadores durante un breve periodo de tiempo para ejecutar comandos como la reducción de picos de demanda de energía, la sincronización de lecturas de contadores, etc.
Otra razón para utilizar la tecnología de banda ancha en una red de medición inteligente son las ráfagas de mensajes. Para apoyar la respuesta en tiempo real en la supervisión de la calidad de la energía y el control operativo, esto se traduce en ráfagas de mensajes cuando una red de distribución de energía genera alertas y eventos o comandos masivos de control operativo al intentar desprenderse de energía para reducir los picos de demanda. Una red de banda ancha sobre líneas eléctricas tiene capacidad extra para transferir grandes cantidades impredecibles de datos.
Por último, la carga de las operaciones de mantenimiento en los contadores, al igual que las mejoras de software, puede requerir un tiempo considerable que podría reducirse para realizar operaciones más eficientes, lo que refuerza la ventaja de la banda ancha.
Las tecnologías de datos celulares como LTE adolecen de una cobertura de red insuficiente en las zonas rurales y de redes congestionadas en los centros urbanos. Incluso en zonas urbanas y suburbanas, sobre todo en Europa, con muchas instalaciones de redes subterráneas, la cobertura es bastante insuficiente.
La tecnología celular está diseñada como una cantidad de ancho de banda compartida para todos los usuarios bajo una estación base (torre celular). En un entorno urbano, un elevado número de usuarios entra y sale activamente de la cobertura de cada estación base a diario. Normalmente, los usuarios de telefonía móvil sólo necesitan intercambiar datos varias veces por hora. Para optimizar el coste, los operadores de telefonía móvil proporcionan una capacidad de red de retorno a una fracción de los volúmenes necesarios si todos los usuarios de telefonía móvil hicieran demandas simultáneas a la red. Esto suele provocar que los usuarios de telefonía móvil experimenten redes congestionadas cuando se desplazan de una torre celular a otra.
Por otro lado, los contadores inteligentes modernos requieren túneles de cifrado persistentes desde cada punto del contador hasta el centro de datos para garantizar la seguridad de extremo a extremo. Esto es similar a añadir cientos o miles de usuarios a cada torre de telefonía móvil y que cada usuario esté utilizando Internet 24 horas al día, 7 días a la semana de forma simultánea. Este aumento de la comunicación, sin duda, obligará a la red celular a sufrir frecuentes interrupciones del servicio. Cuando la tecnología celular se utiliza en zonas rurales, proporcionar cobertura en servicio de red de alta velocidad a todas las regiones geográficas rurales no es rentable. Algunos proveedores de telefonía móvil han empezado a desplegar servicios 5G con un mayor ancho de banda de retorno a las torres de telefonía móvil urbanas para aliviar la creciente preocupación por las congestiones de red que ya experimentan los usuarios de telefonía móvil sin desplegar el contador inteligente. Sin embargo, la 5G utiliza frecuencias varias veces superiores a las de la 4G (LTE), lo que reducirá aún más la cobertura de cada torre de telefonía móvil y empeorará la ya insuficiente cobertura de la 4G.
La tecnología celular pública, diseñada para permitir el funcionamiento a un número limitado de usuarios con cierta probabilidad, desatiende por completo las necesidades de los operadores de red, que necesitan un uso prioritario en caso de fuerza mayor. Cuando una inundación o un tornado causan daños en una región, los servicios públicos de telefonía móvil se interrumpen o son muy solicitados por el público para las labores de rescate o simplemente para poner al día a las familias, y estos repentinos aumentos drásticos del uso de la telefonía móvil suelen provocar la congestión de la red. Esto ocurre en el momento en que las empresas de servicios públicos tienen una necesidad crítica de comunicar grandes cantidades de datos. En caso de fuerza mayor, la primera prioridad de la empresa es restablecer el suministro, para lo cual se basa en la información que le proporciona la red inteligente sobre todos los sucesos relacionados con la energía y en la información que le envían los sensores. Por tanto, la demanda de datos también aumentará drásticamente. Estos dos tipos de demanda competirán entre sí y acabarán por hacer que todo el servicio deje de estar disponible.
La empresa de servicios públicos posee cables dedicados que pueden proporcionar comunicaciones durante la operación de recuperación. El activo de la empresa de servicios públicos que debe protegerse es también el activo que proporciona la comunicación por línea eléctrica de banda ancha. La tecnología PLC de línea eléctrica de banda ancha, con un rendimiento de 100 Mbps, alta fiabilidad y baja fluctuación, utiliza las líneas de distribución eléctrica para la comunicación exclusiva de datos de la empresa eléctrica. Recoge todas las características de la red durante dicha comunicación para su evaluación y control.
