Reti energetiche: le tecnologie Local Area Network più utilizzate nelle Smart Grid

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Il presente articolo sintetizza alcune attività di survey tecnologico e di mercato condotte dagli autori (e tutt’ora in corso) a completamento della panoramica generale sulle tecnologie di telecomunicazione impiegate ai vari livelli delle Smart Grid e Micro Grid oggetto di precedenti pubblicazioni su Canale Energia:
Smart grid, il ruolo delle tecnologie di telecomunicazione [pubblicato il 6 maggio 2013]
Smart Grid, il nuovo approccio progettuale della telecomunicazione[pubblicato il  3 maggio 2013]
Smart Grid: vantaggi e svantaggi delle tecnologie impiegate nelle reti di comunicazione HAN e Access Technology [pubblicato il 3 giugno 2013]
L’esame prende in considerazione in particolare le tecnologie riferibili al livello LAN (Local Area Network) applicate alle reti energetiche.

Local area network
La tecnologia Ethernet è ampiamente usata nelle reti LAN  sia in ambito domestico che industriale. Questo vale anche per le applicazioni nelle reti elettriche/energetiche nelle varie versioni come il protocollo IEEE 802.3u (Fast Ethernet), le super veloci Gigabit Ethernet e 10 Gigabit Eternet, comprese anche le soluzioni senza fili Ethernet.

Ethernet 
Benché risalga ai primi anni 70, Ethernet (con le varie evoluzioni) è la  tecnologia d’elezione per la comunicazione nei sistemi di automazione delle sottostazioni elettriche, in forza della sua versatilità e per le elevate performance associate ad una elevata compatibilità.

La tendenza diffusa è  l’aumento dell’impiego delle LAN a livello delle sottostazioni. Questo è da mettere in relazione con la crescente disponibilità e adozione di dispositivi elettronici intelligenti in grado di fornire funzionalità di misurazione, monitoraggio, diagnostica.

Questi dispositivi detti IED (Intelligent Electronic Device) sono sempre più diffusi sul mercato e sono generalmente compatibili con lo standard Ethernet; ciò conduce al contenimento dei costi e ad una maggiore flessibilità rispetto alle tradizionali soluzioni chiuse e proprietarie.

Benché dal punto di vista delle prestazioni assolute i dispositivi di mercato possano avere talvolta performance inferiori rispetto alle soluzioni proprietarie, il gap è tuttavia ampiamente accettabile ed è comunque compensato dai minori costi e dagli evidenti vantaggi legati all’apertura del sistema verso nuovi prodotti e applicazioni, specie in termini di apertura alle continue evoluzioni del mercato IED.

Emblematico il caso dello standard IEC 61850 (utilizzato nella progettazione dei sistemi di automazione delle sottostazioni elettriche) che ha adottato Ethernet come standard di comunicazione.
L’ente governativo nord americano NIST (National Institute of Standards and Technology) ha avvallato IEC 61850 come standard di riferimento per l’automazione e il controllo delle sottostazione per le applicazioni Smart Grid.

Le Gigabit Ethernet
Le tecnologie ethernet nelle varianti GbE (Gigabit Ethernet) consentono velocità elevatissime e sono normalmente utilizzate per le dorsali e la comunicazione tra i server. L’adozione delle GbE non richiede interventi sui sistemi di controllo e gestione in quanto impatta esclusivamente sulle performance di comunicazione. Di conseguenza la loro adozione non implica la necessità di (ri-)formare il personale all’utilizzo di nuovi sistemi trattandosi di tecnologie di trasporto “trasparenti” rispetto all’esistente.
Quanto alle prestazioni per la GbE parliamo di aumentare la velocità a 1.000 Mbit/s rispetto alla modalità Fast Ethernet che consente 100 Mbit/s; con la 10-Gigabit Ethernet si arriva a 10 Gb/s. Lo standard è un’estensione della specifica IEEE 802.3 e si basa su tecnologia a fibra ottica.  A seconda del tipo di cavo usato e dello standard adottato possono cambiare significativamente le prestazioni in funzione della lunghezza dei cavi (da pochi metri ad alcune decine di chilometri).

Tecnologie senza fili 
L’impiego di soluzioni senza fili (wireless) è estremamente vantaggioso in termini di minori costi e rapidità di costruzione rispetto alla reti fisiche basate su cavi, le quali a differenza delle comunicazioni radio necessitano onerose opere di scavi e/o cablaggi strutturati, oltre agli inevitabili impatti territoriali conseguenti e le correlate possibili frizioni con i residenti dei territori interessati dalle operazioni.

La tecnologie radio nello spettro dei 2,4 Ghz e 5 Ghz, le cosiddette wi-fi (wireless fidelity), operano su frequenze libere ovvero non sono gravate da costi ricorrenti di licenza per il loro utilizzo (diversamente da altre tipologie di ponti radio soggette a costi di licenza territoriale). Dal punto di vista funzionale la rete radio può essere configurata in varie modalità: gerarchica ad albero, ad hoc, punto-multipunto, punto-punto, multipunto-multipunto, il che testimonia la sua grande versatilità. A questo si aggiungono opzioni di bilanciamento automatico (ovvero il percorso da A a B può svolgersi in modi alternativi secondo necessità, es. interruzione di una tratta, saturazione, etc.), multi hopping e mesh. Dal punto di vista delle prestazioni le modulazioni di spettro sia TDM (Time Division Multiplexing) sia OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) consentono sugli standard IEE 802.11 nelle varianti a, b, g, di raggiungere prestazioni significative anche di alcune centinaia di Mbps (in parte aumentabili con l’accoppiamento di dispositivi radio) su distanze variabili anche di alcune decine di chilometri.  Si tratta dunque una tecnologia molto interessante e promettente per tutte le esigenze di trasporto dati per dorsali e anche per lunghe distanze. Le tecnologie Mimo (Multiple-input and multiple-output) consentono un incremento delle prestazioni mediante l’uso combinato di molteplici antenne sia in trasmissione che in ricezione.

Anche dal punto di vista dalla sicurezza le reti wireless possono offrire  performance adeguate basti pensare ad esempio ai sistemi di criptazione WEP (Wired Equivalent Privacy) e soprattutto WPA e WPA2 (Wi-Fi Protected Access) con cifratura AES (Advanced Encryption Standard).

Il celebre WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) è una tecnologia radio che ha avuto in tempi relativamente recenti una certa notorietà per le promesse che portava con sé, tuttavia è stato raggiunto rapidamente in termini di prestazioni dalle concorrenti tecnologie wi-fi e Hiperlan (HIgh PErformance Radio LAN). WiMAX è adatto alle tratte di media/lunga distanza anche in configurazione punto-multipunto ed ha la peculiarità di consentire ai client la mobilità (caratteristica non rilevante per quanto riguarda le applicazioni alle reti elettriche se non per gli aspetti di manutenzione). Inoltre WiMAX implica ingenti costi di licenza e un maggior costo a livello di hardware. Per contro proprio per effetto delle licenze non si  possono verificare fenomeni di interferenza diretta sulle frequenze nel territorio di competenza.

Per le loro caratteristiche le reti radio sono ampiamente applicate e applicabili alle reti elettriche intelligenti (Smart Grid) in special modo a livello delle sottostazioni e dei sistemi di protezione.

A cura di Ferruccio Giornelli e Pasquale Motta (DeMEPA), Sergio Levrino (ItAsiaLtd – Hong Kong), Gianluca Colombo (oneoff) e Diego Bernini (Università Bicocca). Le attività sintetizzano ricerche condotte in collaborazione anche con Riccardo Avigni e Fabio Leopaldi

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