Configuració híbrida en prototips de 5G mmWW

La gestió del feix, és una característica definidora de les comunicacions mmWave la qual, comporta feixos molt selectius o direccionals i gestionables en els escenaris d'un sol usuari i tabé, multi-usuari. 

Aquesta gestió del feix, juguarà un paper crucial en el futur dels dissenys de les xarxes 5G. Així mateix, el llançament del 3GPP-16, examina el rendiment del món real d’antenes basat en matriu en fase en el context de la gestió de feixos.

Els sistemes mmWave amb un gran nombre d'antenes, permeten patrons estrets de feixos  i això fa que el rendiment de l'antena i les característiques del feix siguin considerables importants en l'elecció dels algorismes per a la gestió de feixos.

Figura 1: Els blocs fonamentals fonamentals del sistema de comunicació mmWave que sovint utilitzen múltiples feixos per reforçar la capacitat de ràdio. Font: National Instruments

Començant amb els fonaments bàsics de la formulació dels feixos: El format de guia d'ona tradicional analògic, crea un sol feix aplicant un retard de fase o retard de temps a cada element de l'antena. llavors, per a diversos feixos simultanis, els dissenyadors han d'utilitzar un retard de fase per a cada senyal entrant i després afegir el feix.

D'altra banda, en un format de raig complet digital, cada antena envia un canal de banda  base analògic dedicat, que, al seu torn, necessita d'un transceptor digital per a cada antena. Això implica més cost i més consum d'energia.

Per què un funcionament híbrid?

La formulació híbrida,combina el format de guia d'ona analògic amb la precodificació digital per formar de forma intel·ligent els patrons transmesos des d'una gran matriu d'antenes (figura 2), i s'utilitza la mateixa tècnica a l'extrem de la recepció per crear el patró de receptor desitjat.

Figura 2: Una visió de l'estructura híbrida per a la transmissió de mmWave Font: Porta d’investigació

Els transceptors híbrids utilitzen una combinació de generadors de raigs analògics en els formats de raig digital i RF en els dominis de banda base, respectivament, i això comporta menys cadenes de RF en comparació amb el nombre d’elements de transmissió. Dit d'una altra manera, una arquitectura que es reparteix adequadament entre els dominis analògic i digital.

El fet que la formulació de raigs híbrids utilitzi un nombre menor de cadenes de RF, que  per contra tenen un gran consum d’energia, permet als dissenyadors utilitzar un nombre més gran d’elements de matriu d’antenes alhora que redueix el consum d’energia i la complexitat del disseny del sistema.

Tanmateix, la formulació híbrida ha d’incloure els pesos de precodificació i els canvis de fase de RF per assolir l’objectiu de millorar la connexió virtual entre l’estació base i l’equip d’usuari (UE). A més, el disseny del precoder ordena càlculs massius com la descomposició de valor singular (SVD) del canal.

En aquest cas, un algorisme  de baixa complexitat de precodificació híbrida utilitzat per a operacions de ràdio, utilitza vectors de resposta del canal de matriu . L’algoritme aplica un conjunt de vectors de resposta de matriu que s’utilitzen per formar el canal, de manera que no cal fer operacions complicades utilitzades en els algorismes tradicionals de precodificació.

Els algorismes de feix de barres també són crítics en la selecció òptima dels conjunts dels feixos basats en la capacitat i en la detecció de la presència d’interferències i sorolls desconeguts. A més, faciliten un rendiment més elevat superant problemes com el bloqueig dels feixos aleatoris i la desalineació .

mmWave Beamsteering Algorithms

En les comunicacions mmWave de gran velocitat  amb matrius d’antenes grans, cal estimar freqüentment els canals perquè les condicions del canal varien ràpidament. Una part vital de l'estimació del canal es relaciona amb una cerca de feixos eficient per tal de permetre més temps per a la transmissió de dades.

A continuació, hi ha la selecció de diversos raigs, un element crucial en els sistemes de deformació de feixos híbrids per a canals selectius de freqüència. L’impacte de la interferència en la capacitat de la xarxa a causa dels feixos molt estrets, també suposa seriosos reptes. Per tant, és imprescindible que els dissenyadors examinin acuradament la capacitat de la xarxa tant des de la capacitat dels nodes com de la mida de l'antena.

Aquí, a diferència del plantejament basat en assaig i error,  requereix temps i no s’adapta fàcilment al canvi, els algorismes de suport, ajuden els enginyers a comprendre les restriccions del disseny i a tenir-ne compte en el procés d’optimització, que faciliten una mitjana aritmètica dels rendiments del senyal, la qual, al seu torn, refina amb  menors efectes del soroll i proporcionen informació de retard multitrajecte  més precís.

Aquestes observacions, per exemple, pel que fa a índexs de retard multiples estimats, són crucials en la selecció dels feixos analògics. Els algorismes de feines de feines també juguen un paper fonamental en el control de fases i la posada a punt de feixos. Analitzen la complexitat computacional i comparen resultats numèrics per proporcionar la millor propagació i recepció del senyal per als canals de comunicació mmWave.

Figura 3: Una arquitectura de maquinari típica per a l'execució d'algorismes de ràdio consisteix en mòduls CPU i FPGA programables en plataformes de programari com LabVIEW. Font: National Instruments

Si es pren com a base de prova híbrida la Beamforming de National Instruments (NI), aquesta trasllada els senyals des del domini analògic al digital mitjançant un sistema de transceptor mmWave (figura 3). Aquest sistema, permet als enginyers validar el rendiment de la ràdio implementant de manera eficient els algorismes mmWave.

Testbed Beamforming Hybrid

L'estàndard 5G NR per a freqüències mmWave utilitza una combinació d'algorismes intensivament computacionals per codificar, descodificar, modular, demodular i senyalitzar múltiplex. Aquí, el sistema de transceiver mmWave de NI , una solució de ràdio definida per programari (SDR), pot ajudar a implementar algoritmes de format de raig per a diversos casos d'ús de prototips 5G.

Aquest sistema de prototipat modular inclou un xassís PXI Express, controladors, un mòdul de distribució de rellotge, mòduls FPGA d’altes prestacions, DACs i ADCs de gran velocitat, mòduls LO i IF i caps de ràdio mmWave (figura 4). Els mòduls FPGA del xassís PXI gestionen regles de comunicació, correcció d'errors, descodificació i codificació i assignació de senyal.

A

Figura 4: El sistema de transceptor mmWave es pot utilitzar com a llit de prova de format de feix híbrid per dissenyar i provar algoritmes de suport de feixos. Font: National Instruments

Els mòduls del receptor de banda base – juntament amb els mòduls IF/LO - transmeten i reben senyals cap a i des dels capçals mmWave, que es poden connectar a les matrius en fase mitjançant un únic cable SMK. Aquí, el programari LabVIEW permet als desenvolupadors configurar diferents funcions de connectivitat en el domini digital de la formulació de feixos.

Per tant, els dissenyadors de xarxa poden combinar el sistema de transceptor amb una matriu per fases per crear solucions de prototips de matriu en fase fora de la plataforma. I poden fer un mapa de diferents tasques computacionals en diversos FPGA i així dissenyar i provar algoritmes de feixos per a una àmplia varietat de canals mmWave i configuracions de xarxa.

Font: National Instruments

Control d’inèrcia virtual per millorar l’estabilitat de la freqüència dels sistemes d’energia elèctrics.

L'increment de generadors basats en convertidors de font de tensió (VSC) en els moders sistemes  d’energia elèctrica, provoquen una disminució de la inèrcia i, en conseqüència, la inestabilitat de freqüència. 

Donat que el poc nombre de màquines síncrones i la integració de turbines eòliques mitjançant VSC als sistemes d’energia, desacoblen els components de rotació de la xarxa. Per tant, la reducció de la inèrcia en el sistema posa en risc l'estabilitat de la freqüència. 

Una opció es basa en la inèrcia virtual ja que VSC serà capaç de produir inèrcia virtual mitjançant l'estructura de control adequada que li permeti comportar-se com a generador síncron i millorar el perfil d'estabilitat de freqüència del sistema.

Font: MDPI

Els sistemes convencionals d’energia,  consisteixen en grans centrals elèctriques amb generadors síncrons (SG) que proporcionen una inèrcia considerable en el sistema. No obstant això, en els darrers anys, el nombre d’energies renovables com les plantes de generació fotovoltaica i els parcs eòlics connectats mitjançant VSC a la xarxa elèctrica, significativament han augmentat. Per exemple, els generadors de doble potència (DFIG) són utilitzats àmpliament  en  els parcs eòlics utilitzant dispositius d'interfície VSC, ja que ofereixen l'oportunitat de treballar en diferents freqüències i diferents velocitats del vent. En conseqüència, desacoblar la inèrcia real de les pales dels aerogeneradors comporta el risc d'inestabilitat de freqüència durant una pertorbació del sistema, malgrat el ràpid temps de resposta dels VSC comparat amb els generadors síncrons.

L’estabilitat de freqüència, vol dir quin capacitat d’un sistema d’alimentació elèctrica te per recuperar la seva freqüència en estat estacionari sense superar els marges acceptables un cop aïllat el tram de la falta elèctrica. Típicament, la inestabilitat de freqüència es produeix en sistemes d’energia que no tenen prou generació d’energia activa, estan molt carregats, així com en sistemes d’alimentació amb alta penetració de generadors basats en VSC. En sistemes de potència amb generadors amb alta densitat de connexions VSC, el suport de freqüències primàries, és més difícil a causa de la manca d'aquestes màquines. Per tant, el temps disponible per iniciar les accions de recuperació augmenta considerablement en comparació amb els sistemes d’energia  bassats amb els generadors convencionals. Per superar aquest problema, s’introdueix una inèrcia virtual per assegurar l’estabilitat de freqüència a curt termini de la xarxa. Generalment, el control de freqüència s'ha de fer en tres etapes:

1,. Resposta inercial (resposta al ritme de canvi de freqüència)

2.- Control de freqüències primàries

3.- Control de freqüències secundàries

Per obtenir una resposta inercial adequada, cal determinar la inèrcia virtual necessària per mantenir l'estabilitat de la freqüència. Posteriorment, el sistema de control hauria de ser capaç d’ajustar la inèrcia de sortida dels generadors amb connexió VSC. És vital reaccionar ràpidament davant el descens de freqüència abans que els relés de freqüència comencin a fer disparar els generadors, cosa que agreuja el problema. Per tal d’evitar la inestabilitat de la freqüència, s’ha de preveure el mètode de control pels VSC per augmentar la inèrcia de la xarxa en presència de recursos d’energia renovable. El mètode de control ha de poder emular el comportament de la massa dels generadors síncrons convencionals.

Font: EE Publishers

Un convertidor de font de tensió convencional es pot canviar en un convertidor de sincronització mitjançant una estratègia de control adequada. La combinació dels avantatges d’un generador síncron amb un VSC ofereix una oportunitat per augmentar l’energia cinètica extreta de les renovables. Un convertidor d'ús ha d'utilitzar un enfocament de control basat en un esquema de droop per produir una inèrcia més elevada en comparació amb els VSC convencionals. En aquest mètode, el sincronitzador seria capaç de imitar la sortida de generadors síncrons i millorar el rendiment del sistema i absorbir les oscil·lacions dels sistemes d’alimentació. L’augment de la inèrcia del sistema proporciona un temps addicional per iniciar escenaris de self-healing mentre es manté la robustesa del funcionament del sistema. Malgrat les màquines síncrones que només aporten una quantitat d’inèrcia fixa (a causa de les característiques inherents a les seves parts giratòries), un sincronitzador es pot dissenyar per produir quantitats variables d’inèrcia segons sigui necessari per mantenir l’estabilitat de freqüència del sistema (tenint en compte la qualificació física dels límits deL VSC). A més, encara que a llarg termini, els convertidors de sincronització, permeten als distribuïdors desmantellar les seves centrals convencionals i reemplaçar-les per grans sistemes d’emmagatzematge sense la necessitat de tornar a ajustar els paràmetres de control a les centrals de proximitat i el sistema de protecció.

Font:NREL

Com a conclusió, les xarxes modernes, incloent les  microgrids i una alta penetració de les unitats de generació d’energia interconectada amb els VSC, pateixen una manca d’inèrcia que condueix a la inestabilitat de freqüència. Per superar el dèficit d’inèrcia en el sistema, es pot utilitzar una combinació d’SG i inversors convencionals per produir inèrcia virtual i millorar l’estabilitat del sistema.

Font: IEEE Smart Grid

Intel·ligència artificial i l’optimització avançada pels distribuïdors elèctrics.

Pressió creixent sobre les distribuïdores elèctriques, ja que intenten millorar com fer front a les incidències provocades pels forts fenòmens meteorològics.

Els desastres naturals estan provocant importants desordres a tot el món i la tendència és creixent. En el 2016, la durada mitjana d’interrupció dels clients als Estats Units anva dels 27 minuts a Nebraska,  les 6 hores a Virgínia Occidental, fins a les 20 hores a Carolina del Sud a causa de l’huracà Matthew.

Font: Argonne National Laboratories

Més recentment el 2017, gairebé 280.000 clients de Texas, es van quedar sense electricitat, després de l’huracà Harvey. El 2018, aproximadament 1,9 milions de clients van patir interrupcions elèctriques durant l’huracà Florència, mentre que 1,7 milions de clients van perdre el poder després de l’huracà Michaelal sud-est dels Estats Units. En el 2019, les fortes tempestes van provocar diverses aturades a Michigan i Wisconsin , on més de 500.000 clients es van quedar sense electricitat. Aquestes interrupcions d’energia poden provocar impactes socioeconòmics importants i poden possar en rics les vides. 

Les distribuïdores,  utilitzen sistemes de gestió d’interruccions (OMS de l'anglès Outage Management System) per gestionar la xarxa durant interrupcions i restablir el sevei als clients. Un OMS identifica i prediu possibles interrupcions de la xarxa i també, gestiona les accions per restablir el servei. D'altra banda, l'OMS pot ajudar a prioritzar els esforços de restabliment i gestionar els recursos de brigada per fer possible les reparacions després de les avaries. Un OMS pot reduir la durada d'interrupció fins a un 25%. El recent desenvolupament en intel·ligència artificial (IA) i l’optimització avançada proporcionen l’oportunitat de millorar molt els actuals  OMS. 

La gestió de les avaries i la seva reparació, no poden ser eficients sense una planificació adequada, que inclou la preparació de la brigada. La preparació prèvia  a la avaria, consisteix en garantir que hi hagi una quantitat adequada de recursos a les ubicacions adequades. La manca de recursos va ser una de les principals raons per la lenta resposta després de l’huracà Maria a Puerto Rico. L’AI i l’aprenentatge automàtic poden aprofitar les dades recollides d’interrupcions anteriors i esdeveniments meteorològics extrems per prendre decisions amb més informació. Per exemple, l'AI pot millorar la previsió del temps i predir possibles interrupcions mitjançant models de vulnaribitat dels components de la xarxa i les dades històriques d'interrupció. Es poden utilitzar tècniques avançades d’optimització per preparar i coordinar eficientment els recursos disponibles abans de la incidència. En un recent estudi es van mostra com utilitzar la programació estocàstica per a una assignació òptima de recursos abans de desastres naturals. La clau és, considerar diferents tipus de recursos de mà d’obra / equipament, restriccions de xarxa i les incerteses dels danys. Una línia d'investigació interesant, és  la coordinació dels recursos entre les diverses empreses de serveis i les diferents agències.

Font: MIT news

Durant les avaries extremes i posteriors, una de les principals preocupacions per als distribuïdores, és la manca d’observabilitat i del coneixement de la situació. Actualment, molts serveis utilitzen les trucades de telèfon i els desplaçaments a la zona per localitzar i avaluar els danys. En els últims esdeveniments extrems, es van utilitzar drons per escanejar xarxes per identificar danys. No obstant això, l'AI té la capacitat de consolidar la informació de diferents fonts, com ara la dels  comptadors intel·ligents,  les xarxes socials, les trucades de telèfon i els dispositius de protecció elèctrica dels client, per obtenir una avaluació més ràpida i precisa dels danys. Una solució viable és l’ús de l’avaluació basada en l'IA per prioritzar i seleccionar quines zones cal anar prioritariament. A més,  és important per als distribuïdors que tenen recursos limitats després de desastres naturals. A més de l'avaluació de danys, un altre exemple és utilitzar l'IA per estimar el temps de reparació i de restauració. Aquesta informació és fonamental per assegurar l'enviament eficient de la brigada. A més, pot proporcionar valuaosa informació als clients que necessiten electricitat de manera que,  els pot ajudar a organitzar-se millor per fer front a aqeusta mancança de servei. Recentment, s'ha proposat un mètode de deep-learning per estimar el temps de les reparacions i restauracions, utilitzant dades històriques d’interrupcions i les previsions meteorològiques.

Font: Aithotities.com

Després de l'analisi i la valoració dels danys, el següent pas és reparar i restablir el servei. Aixó inclou la gestió de les brigades per reparar els components danyats i realitzar les maniobres per restablir el servei mitjançant tecnologies de xarxa intel·ligent, com serien, els recursos energètics distribuïts, les microgrids i els interruptors automàtics. La dificultat és construir models de co-optimització que coordinin els dos processos que són interdependents, però que presenten terminis diferents. Recentement, s'ha demostrat que un model de co-optimització millorarà significativament el restabliment en comparació amb la resolució dels dos processos de manera independent. Tanmateix, el model de co-optimització amb diversos formats mixtes a gran escala, és extremadament difícil de resoldre. Per iaxò, s'han aprofitat les tècniques d’optimització avançada com ara és la cobertura progressiva i la metaheurística recolçat amb sistemes potents computacionals.

La gestió de l’avaria, inclou múltiples fases interdependents. L’AI i l’optimització avançada poden millorar totes aquestes fases, des de la predicció de l'avaria, la preparació d’esdeveniments, l’avaluació de danys, fins a la reparació i la restauració del servei. Tot i això, implementar aquests mètodes és encara un repte. Per això, s'ha defer més fàcil entendre el procés de presa de decisions de l'AI i de l'optimització, per demostrar clarament la seva efectivitat i comunicar els beneficis financers i socials als responsables polítics i enginyers.

Font: IEEE Smart Grid

Transhumanisme: On el món físic i digital, es fonen.

The Institute Transhumanists, assegura que algun dia la tecnologia millorarà  l’intel·lecte humà i la fisiologia. Aquest dia podria arribar més aviat del que es pensa.

Les persones ja aprofiten les màquines per millorar el seu benestar i el rendiment atlètic i també, per ampliar els seus coneixements. Penseu en els scaners de fitness, exosquelets i la intel·ligència artificial.

Font: iStockPhoto

Al llibre blanc Augmented Machines and Augmented Humans Converging on Transhumanism, Roberto Saracco, membre de l'IEEE, descriu com es produeix la transició mitjançant una intel·ligència augmentada de  les màquines, els mètodes de comunicació millorats i les tecnologies que s'utilitzen pels humans.

Saracco és co-president de la IEEE Digital Reality Initiative, que busca avançar en la intel·ligència artificial, la realitat augmentada, l'aprenentatge automàtic, els sensors intel·ligents, la realitat virtual i les tecnologies relacionades.

El transhumanisme, el ciberespai i la realitat física seran la realitat percebuda, L'augment humà i l'augment de màquines convergeixen, creant una nova criatura simbiòtica.

A continuació, es detallen les notícies del llibre blanc, que es va publicar el juny.

TWIN DIGITALS

Un fenomen que està impulsant una transformació de la intersecció entre els humans i la tecnologia, és la creació dels bessons digitals: models virtuals d'objectes, processos i grans sistemes. Els bessons digitals es poden crear a partir de qualsevol cosa física.

A mesura que la cobertura i els analítics del sensor van millorant, els bessons digitals seran capaços de combinar millor les característiques i el comportament del seu homòleg del món real, en molts casos responent als canvis com es faria en el real.

Font: The Guardian

Cada vegada que la versió original s’actualitza, també ho fa el bessó. Un bessó d’alta fidelitat pot romandre en sincronia amb l’entitat física a mesura que els sensors detectin canvis. Un bon bessó digital té la capacitat d’ombrejar l’evolució del seu bessó físic.

Es  preveu que els bessons físics i els digitals estiguin encara més vinculats. El límit entre humans i màquines es convertirà en més difusió i es produirà una fusió entre un bessó digital i el seu bessó físic. La realitat resultant, la que es perceb, existirà parcialment en el món físic i en part en el ciberespai.

MÀQUINES MÉS PETITES

Hi ha quatre tipus d’intel·ligència que poden fer les màquines més intel·ligents aprofitant els bessons digitals: 

1.- Embeded,

2.- Compartides, 

3.- Col·lectives i,

4.- Emergents. 

Per explicar aquest punt, s'han utlitzat cotxes autònoms.

Les capacitats de processament embeded, poden millorar tant el bessó físic com la seva contrapart digital. Per a vehicles autònoms, es podria incloure la presa de consciència i la comprensió del vehicle sobre el seu entorn.

La intel·ligència també es pot combinar. Gràcies als sensors que permeten la comunicació de vehicle a vehicle entre cotxes autònoms, els vehicles podran navegar amb més seguretat perquè compartiran informació entre ells.

Igual que amb les colònies d’abelles, els vincles i les interaccions entre individus poden donar lloc a una intel·ligència emergent.  Cadascú dels  cotxes autònoms, podria seguir unes regles bàsiques de la carretera, però, com a conseqüència del seu mutu comportament, podrien millorar el flux de trànsit com a conjunt.

Font: India future society

Les màquines es faran conscient mitjançant l’aprenentatge de com afrontar les situacions, i  també, podran predir com evolucionaran les situacions. Per exemple, algunes màquines podrien intuir els estats emocionals de les persones en una multitud observant la seva cara i el seu comportament.

En aquest sentit, es podria dir que que una màquina pot llegir la ment humana.

Segons els robots i les altres màquines gràcies al  programari, es podran adaptar a les situacions i canviar el seu comportament en conseqüència. Quan els robots arribin a un nivell més alt d’intel·ligència i comencin a comprendre com reaccionen els humans davant situacions específiques, les màquines començaran a influir en el seu entorn d’una manera que sigui més beneficiosa per als robots, segons va predir.

AUGMENTANT HUMANS

Les persones actuals milloraran el seu rendiment físic amb exoesquelets i ulleres intel·ligents, de manera que es preveu més extensions de les nostres capacitats físiques i mentals. Es poden predir avenços futurs  en pròtesis, que milloraran trets específics, com ara augmentar els  sentits.

Les pròtesis intel·ligents són cada cop més transparents que ja no es consideren parts artificials ja que el cervell els inclou al mapa del cos.

Els implants mèdics que vigilen la  salut es faran més habituals a mesura que la medicina s’adapti al pacient, i al final, serà difícil que la gent visqui sense els implants.

Font: IEEE Spectrum

Estabilitat en sistemes d’energia amb penetració de generació no síncrona.

La generació asíncrona, principalment provinent de l’energia eòlica i solar,  desplaça a la generació convencional síncrona, ja que les tecnologies d’energies renovables  van penetrant a les xarxes arreu del món.

Aquestes unitats de generació, es connecten a la xarxa mitjançant un convertidor de electrònica de potència, que pràcticament desacopla el generador de la xarxa elèctrica a mesura que el control fixa els paràmetres elèctrics. També significa que qualsevol massa rotativa de la generació també es desacoblarà; per tant, no s'aplicaran les teories convencionals basades en els principis de l’angle i l’estabilitat de la freqüència  electromecànica. Aquest procés té un gran efecte en la dinàmica del sistema d’energia, a causa de la disminució de la massa de rotació sincrònica, que sovint es coneguda per la inèrcia.

Font: mdpi.com

La inèrcia, explica les propietats d’un cos rígid giratori, com el rotor d’un alternador, de manera que manté el seu estat del moviment de rotació uniforme i moment angular a menys que s’apliqui un parell extern. Les falles elèctriques poden provocar problemes d'estabilitat transitòria a causa de la taxa de canvi de freqüència més elevada, posant en perill la desconnexió de generadors en cascada o fins i tot provocar  importants black-outs. Per tant, els operadors dels sistemes de transport han de fer front als  reptes dels propers anys, alhora que s'adapten a aquesta nova estructura i mantenen a un nivell elevat la seguretat de subministrament. Tanmateix, hi ha diverses possibilitats de mitigació per assegurar l'estabilitat del sistema, que solen associar-se també amb els principis de la xarxa intel·ligent.

Resum dels diferents aspectes sobre l’estabilitat del sistema d’energia en sistemes amb alta quota de generadors no síncrons  Font: IEEE Spectrum

Experiència internacional

Durant l’última dècada s’han publicat nombrosos estudis sobre els efectes de la disminució de la inèrcia. Els operadors del sistema també participen àmpliament en aquests estudis, alguns fins i tot van introduir nous mètodes de càlcul, mesures i restriccions d’operació. Els diferents resultats mostren que l’anàlisi hauria de tenir en compte les característiques generals del sistema. 

Per això, es poden formar tres tipus de sistemes principals:

Grans sistemes d’energia interconnectats

Sistemes elèctrics com els d'Europa continental demostren que fins i tot una pèrdua de 3 GW  només comporta una desviació de  freqüència de 0,8 Hz. Per tant, el més important és el sincronisme dels generadors síncrons, que puguin ser capaços d’absorbir els transitoris mitjançant les oscil·lacions electromecàniques. 

Grans sistemes elèctrics en illa

Un exemples per als grans sistemes elèctrics en illa, seria Irlanda. Els operadors del sistema, van identificar la reducció de la inèrcia com a problema potencial ja fa una dècada i van realitzar anàlisis detallats, a més de la introducció de restriccions d'operació per a la taxa de canvi de freqüència. S'han demostrat resultats similars també al sud-est d'Austràlia, on s'han proposat nous serveis basats en el mercat per millorar la estabilitat.

Petits sistemes elèctrics en  illa

Les illes petites solen tenir restriccions d'operació diferents: s'han observat gradients de freqüència considerables; per tant, aquests sistemes han de contrarestar la pèrdua de massa rotativa amb solucions intel·ligents. Nova Zelanda, Hawaii i Xipre són  exemples per a aquestes característiques del sistema.

Possibilitats de mitigació

S'han demostrat una àmplia gamma de possibles contramesures en estudis de recerca. La solució més intrigant és la integració de generadors no síncrons a la previsió de reserva mitjançant disposicions d’inèrcia virtual, o el funcionament virtual de màquina síncrona, o la resposta ràpida de freqüència o mecanismes de control similars. Això significa que els generadors (o sistemes d’emmagatzematge d’energia) es controlen per emular el comportament electromecànic estabilitzador dels generadors síncrons. Els avenços en la teoria del control en aquest camp permeten que les solucions de xarxes intel·ligents s'apliquin e la  pràctica, cal Quebec i Canadà.

Les solucions més convencionals, inclouen l’addició de massa de rotació real amb condensadors síncrons al sistema o la introducció de restriccions de l’estabilitat (per exemple, l'energia mínima cinètica) als mercats d’electricitat. Les opcions de desacrregar de forma més adaptativa,  inclouen càlculs probabilístiques, localització d'interruptors o altres mètodes  també,i la inclusió de possibilitats del control al costat de demanda, també poden servir com a opcions  tècnica i econòmicament viables.

Resum i perspectiva

A mesura que la inèrcia síncrona ha disminuït, els operadors i investigadors del sistema han suggerit solucions diferents per assegurar l'estabilitat del sistema. Els atributs i l'estructura d'un possible servei de millora de l'estabilitat es poden derivar tant de l'experiència pràctica com de mètodes innovadors. 

Aquest camp és força complex i té clarament efectes interdisciplinaris. La figura 1 mostra els possibles aspectes que s’han de tenir en compte. També és important tenir en compte que els canvis estructurals en la combinació de generacions creen preguntes de recerca sobre l’avaluació d’estabilitat, nous mètodes i models que s’han d’introduir. Cal definir clarament diferents solucions tècniques per a la preservació de l'estabilitat des del punt de vista de la regulació i del mercat, per tal de garantir la seguretat del subministrament.

Font: István Táczi, Bálint Hartmann, István Vokony (IEEE Smart Grid)

Robots estocàstics que fan servir l’atzar per assolir objectius més complexos.

La idea que hi ha darrere dels robots swarm, és la de substituir els components discrets, cars i que poden fallar, d’un únic tasking  amb un conjunt de robots molt més senzills, barats i reemplaçables que puguin treballar junts per fer el mateix tipus de tasques. Tots els robots swarm acaben necessitant la seva pròpia informàtica i comunicacions. 

Font: Georgia Tech

Un plantejament diferent de la robòtica swarm, és utilitzar un conjunt o eixam de robots molt més econòmics i molt menys intel·ligents. De fet, potser no han de ser intel·ligents, si es pot confiar en les seves característiques físiques per conduir-les. Aquests eixams són “estocàstics”, cosa que significa que els seus moviments es determinen aleatòriament, però si són intel·ligents, encara  es pot aconseguir que facin coses concretes.   

Geòrgia Tech ha desenvolupat alguns robots swarm petits  anomenats "smarticles" que realment no poden fer res per si mateixos, però, un cop ajuntats, la seva aleatorietat pot aconseguir alguna cosa més.

Vídeo.

Sincerament, anomenar a aquests robots de partícules "intel·ligents"  podría donar un excés de confiança, perquè realment  no són capaços de fer res per ells mateixos. Un únic smarticle pesa 35 grams i està format per alguns  flappy bits impresos en unitats 3D, més un Arduino Pro Mini, una bateria i un sensor de llum o de so. Quan s'activen els seus petits fragments, cada smarticle es pot moure lleugerament, però només un únicament es mou en un quadrat i, a poc a poc, passarà a la deriva en una direcció majoritàriament aleatòria amb el pas del temps.

És més interessant quan s'agrupen un munt de smarticles a una zona restringida. Una petita col·lecció de cinc o deu smarticles restringits entre si formen una "supersmarticle", però a més d'estar molt a prop l'un de l'altre, els smarticles de la part superior no es comuniquen ni res per l'estil. Pel que fa a cada dispositiu intel·ligent, són independents, però estranyament, es pot apreciar que  puguin treballar junts.

Font: KiaSuparents

Es a dir, es tracta de robots molt rudimentaris amb un comportament dominat per la mecànica i les lleis de la física. Els investigadors van observar que si un petit robot  deixava de moure’s, potser perquè la bateris'havia acabat, el grup  començaria a moure’s cap a la direcció d’aquest robot aturat. PÑEr això, es va sabar que es podia controlar el moviment mitjançant l’addició de sensors fotogràfics als robots per atuar el braç que palpeja quan un fort feix de llum els ilumina.

Si es fa un angle de la llanterna just a la dreta, es pot identificar el robot que es  vol que estigui inactiu.

Resulta que és possible modelar aquest comportament i controlar una supersmarticle amb prou fidelitat per dirigir-la a través d'un laberint. I, tot i que aquests smarticles en particular no són tan petits. 

Els investigadors també treballen en altres conceptes, com ara:

Font: Science robotics

Els investigadors de Georgia Tech estan estudiant grups o eixams de robots estocàstics que no tinguin una forma ni una delimitació perfectament definides, però que siguin capaços d’autopropulsar-se, basant-se en comportaments a nivell d’ensamblatge que condueixen a una locomoció col·lectiva. Els investigadors diuen que un robot com aquest, grups d’agents majoritàriament genèrics poden aconseguir objectius complexos, tal com s’observa en col·lectius biològics.

Font: Georgia Tech.

Centres de dades de zero emissions de CO2.

Els centres de dades (CPD) consumeixen entre el 2 i el 3 % del consum total d’electricitat del planeta. 

Font: POMA

Almenys, hi han dues raons per les quals  els centres de dades  jugaran un paper fonamental en qualsevol intent de frenar les emissions mundials. En primer lloc, a mesura que la informàtica en el núvol es faci més eficient energèticament per això, necessita cada vegada més en fonts renovables. Per exemple, un fabricant de vehicles pot subcontractar tota la seva informàtica a un centre de dades d'emissions zero.

Tot i així, sense col·laboracions d’aquest tipus, els centres de dades probablement tindran un paper important en el futur del clima. L’augment de l’IA, el deep-learnign, el big data i l’Internet de les coses, tots ells signifiquen que el consum global d’electricitat dels centres de dades continuarà augmentant. Segons  una estimació, el consum podria arribar a arribar fins al 13 % de la demanda mundial d'electricitat per a l'any 2030.

Per aquests motius,  els centres de dades hauran de tenir-se en compe per les inversions de mitigació del canvi climàtic. I com més progressi la societat en un termini pròxim, més aviat es començaran a multiplicar els beneficis.

En poques paraules, el full de ruta, ha de presentar un pla per reduir a la meitat les emissions mundials durant els anys 2020, reduir-les a la meitat de nou a la dècada de 2030 i reduir-les a la meitat un cop més a la dècada de 2040. Tres vegades reduïr a la meitat, permetran aconseguir que el planeta arribi a  emissions zero  abans de la data límit proposada pel 205 de l’IPCC.

Font: ConnecTrónica

El full de ruta considera el canvi cap als centres de dades amb energia renovable com un pas necessari per reduir a la meitat les emissions de la indústria digital i informàtica. De fet, es creu que passant només a les renovables (per alimentar centres de dades, xarxes, dispositius i fabricació d’equips informàtics), la indústria arribaria a la meitat de les seves primeres emissions.

Google, Microsoft, Facebook i Apple han liderat el funcionament de centres de dades bassats amb l'energia renovable. En els darrers dos anys, tant  Google  com  Apple  han realitzat operacions  100% renovables. Facebook  ha dit que arribarà al 100 %  l'any 2020 i  Microsoft  preveu que el 60 % dels seus centres de dades disposin de fonts renovable l'any 2020.

Amazon, per contra, ha quedat enrere. Greenpeace va  criticar a Amazon a  principis d’aquest any per haver utilitzat només el 12 % d’energies renovables als seus centres de dades de Virgínia, després que la companyia presentés un full de ruta ambiciós per arribar al 100 %.

Mentrestant, una coalició a Suècia s’ha apropat als centres de dades verds com un problema estàndard. Fossil Free Data  és una nova etiqueta que esperen que els seus creadors els permeti representar un segell d’aprovació climàtica (com la   certificació Energy Star ) per a consumidors, governs i empreses.

La idea que hi ha darrere de dades lliures d'energies fòssils, és realment aconseguir que les empreses que ho fan de manera sostenible, també puguin demostrar que estan orgullosos del que fan i  puguin presumir.

Font: Montgabay Latam

Les dades lliures d'eenergia fòssil, es van llançar a principis d’aquest any i actualment estan desenvolupant el seu estàndard per als països nòrdics en el nord d’Europa. El grup preveu ampliar-se a la UE i finalment certificar-se també, en els centres de dades dels Estats Units. 

El grup va dissenyar el seu estàndard  poc ambigu i fàcil de determinar, per evitar confusions. Els  criteris  exigeixen, en primer lloc, que un centre de dades tingui una qualificació d’eficàcia d’ús d’energia (PUE) de 1,2 o menys. (Una puntuació de PUE 1,0 suposaria que el 100 per cent del consum d’energia de la instal·lació es destinaria a l’alimentació dels equips informàtics. Qualsevol cosa superior a 1.0 representa l’energia addicional gastada en refrigeració, operacions i altres consums d’energia que no siguin de TI.)

En segon lloc, el centre ha de ser alimentat al 100% per fonts renovables. I tercer, ha de garantir que qualsevol energia elèctrica que faci servir produeixi una quantitat minsa d’emissions de diòxid de carboni (0,19 quilograms per cada quilowatt-hora de consum d’energia de TI).

Font: IEEE Spectrum.

Les bombes de calor dels edificis, podrien reduir la petjada de carboni.

Els edificis utilitzen més d’un terç de l’energia mundial, la majoria per escalfar espais i aigua. La major part d’aquesta calor es genera mitjançant la crema de gas natural, petroli o propà. I on es consumeixen aquests combustibles fòssils, es donen les emissions de gasos d’efecte hivernacle.

Les bombes elèctriques, utilitzades per primera vegada a Europa als anys 70, podrien ser la millor solució per reduir el consum de combustible fòssil. Podrien reduir la meitat de les emissions de carboni dels edificis. I si es produeix energia  amb renovables, les emissions poden reduir-se a zero.

Font:iStocks

Reduir les emissions de carboni per la calefacció i la refrigeració serà fonamental per evitar que les temperatures mitjanes mundials puguin augmentar més d’1,5 graus centígrads per sobre dels nivells preindustrials. Ja el canvi climàtic antropogènic ha provocat que les temperatures globals mitjanes augmentessin aproximadament 1 ºC, segons el Grup Intergovernamental de Canvi Climàtic .

Les grans bombes de calor estan començant a trobar el seu ús en la industria, principalment d'aliments, química, paper, fusta i fàbriques on es pot recuperar la calor residual. Però menys del 3% de les necessitats de calefacció als edificis es fan amb bombes de calor, segons l' Agència Internacional de l'Energia. Això és perquè encara és més barat cremar combustibles fòssils. Però les bombes de calor comencen a guanyar interès a mesura que la tecnologia madura i els països es concentren a abordar  el canvi climàtic assolint els objectius de reducció d’emissions.

Les vendes globals de bombes de calor van augmentar un 10 % entre el 2017 i el 2018. Les polítiques energètiques a la Xina, el Japó i Europa han creat grans mercats de ràpid creixement. Als Estats Units, l’empenta de Califòrnia per l’ electrificació d’ edificis hauria d’incrementar les vendes de bombes de calor. Això al seu torn fa que els fabricants i els instal·ladors estiguin atents.

Font: Wikipedia

Una bomba de calor utilitza un compressor i un refrigerant per moure la calor d'un lloc a un altre. Pot extreure calor de l’aire exterior, fins i tot a l’hivern, i alliberar-lo dins d’una casa, bàsicament com un aire condicionat que funciona a la inversa.

Aquest disseny fa que també puguin refrescar les llars, però són les més adequades per a la calefacció. En comparació amb els calefactors elèctrics de resistència elèctrica convencionals i els forns de gas, són els equips de calefacció més eficients per a la calefacció domèstica. Proporcionen dentre tres a quatre vegades més calor per la mateixa aportació d'energia. 

Les grans bombes de calor que es fan servir a les fàbriques, poden  contribuïr en la reducció de les emissions. Aquesta primavera, dues empreses austríaces van instal·lar bombes de calor per assecar midó i maons, reduint l’ús d’energia fins a un 80 per cent i les emissions de diòxid de carboni fins a un 90 per cent en comparació amb els escalfadors de gas natural. Una gran fàbrica especialitzada en fer patates fregides franceses va  instal·lar una bomba de calor per assecar les patates fregides abans de coure de manera que, va reduïr la quantitat d’energia consumida en el procés d’assecat en un 70 %.

Font: AFEC

Però penetrar en el mercat residencial serà clau perquè les bombes de calor tinguin un gran impacte sobre el canvi climàtic. La seva quota de mercat per a la calefacció de l'edifici ha de triplicar-se fins al 2030 per assolir els objectius de l'Escenari de Desenvolupament Sostenible de l'AIE.

Mentrestant, el mercat mundial de les bombes de calor ja està impulsat per accions governamentals. La Xina ven entre 40 i 50 milions d'unitats cada any, el que el converteix en el mercat més gran del món. Aquesta activitat comercial ha estat impulsada per subvencions governamentals destinades a reduir la contaminació atmosfèrica. També, les polítiques i els incentius similars per  l'energia neta a Europa han creat un fort mercat. En el 2017, per exemple, les bombes de calor elèctriques van superar a la calefacció de gas per a edificis residencials.

Font: IEEE Spectrum

L'estabailitat de la freqüència en les xarxes intel·ligents.

Un dels problemes més importants en el disseny i funcionaments de les xarxes elèctriques, és la seva interconnexió.

Els equips d'electrònica de potencia, existeixien diverses opcions de control que són necessaries per mantenir la freqüència del sistema en el seu punt  òptim de treball. Cadascun té la seva particular especificació i es basa en una quantitat de la reserva de potència que es manté disponible per fer front a aquestes  desviacions  tot i que, la major part del balanç entre la generació i el consum encara s’aconsegueix controlant la velocitat dels generodors síncrons i asíncrons.

Font: SlideShare

El control de freqüència d'una xarxa elèctrica, és un repte en que actualment treballen diferents investigadors per fer possible un augment de la penetració d’energies renovables, conjuntament amb els canvis en l’estructura tradicional amb els nous sistemes de generació renovable distribuïda (DG), els sistemes d’emmagatzematge d’energia elèctrica, les càrregues controlables i les tecnologies basaden en l’electrònica de potència.

Els últims avenços en tecnologies de control, comunicació i informàtica acceleren aquest procés. El control de freqüència en una xarxa elèctrica moderna, ha de resoldre problemes complexos d’optimització de la regulació caracteritzats per un alt grau de diversificació de les polítiques de gestió i una àmplia dispersió de la demanda  i també, de les fonts de generació.

L’estabilitat de la freqüència, és la capacitat d’un sistema elècric per  mantenir la freqüència del propi sistema dins dels límits de funcionament especificats. Generalment, la inestabilitat de la freqüència és el resultat d’un desequilibri significatiu entre les càrregues i la generació de manera que, s’associa a una mala coordinació dels equips de control i protecció motivat per les reserves de generació insuficients.

Font: Sinterf.no

Una desviació duradera en el temps de freqüència, pot afectar el funcionament, la seguretat, la fiabilitat i l'eficiència del sistema elèctric danyant actius, degradant el rendiment dels consums, sobrecàrregant les línies de distribuicó i desencadenant una actuació  dels dispositius de protecció elèctrica de les xarxes. Segons l'amplitud i la durada de la desviació de freqüència, és possible que calguin diferents bucles en el control de freqüència per mantenir l'estabilitat de la freqüència del sistema elèctric.

El control primari (PC) dels generadors síncrons (SG) pot mimvar automàticament petites desviacions de freqüència durant el funcionament normal. Tan aviat com es restableixi l'equilibri, la freqüència del sistema es manté en un valor constant, però pot diferir de la freqüència nominal. Per a una desviació de freqüència més gran (funcionament fora de límits) i, segons la quantitat disponible de potència reserva, el control secundari (SC), que també es coneix com a Load Frquency Control (LFC) és el responsable de restaurar la freqüència del sistema. El LFC, com a component principal del control automàtic de generació (AGC), també controla les desviacions de la corrent de la xarxa en sistemes elèctrics de diverses àrees. Per a una generació d'una càrrega molt desequilibrada  associada a canvis ràpids de freqüència després d'una fallada important, el sistema LFC pot ser incapaç de recuperar la freqüència. En aquesta situació, cal emprendre una altra actuació mitjançant  un control terciari (TC), els  sistemes d'alimetnació de back-up  amb configuracions de protecció com una opció per disminuir el risc de fallides en cascada.

Uns nivells alts de la penetració de fonts d’energia renovables intermitents (RES) a les xarxes d’energia i donada la seva variabilitat, incertesa i connexió no sincrònica a la xarxa, planteja diversos reptes tècnics. Aquest tipus de fonts fan necessàri augmentar la necessitat de la flexibilitat operativa i els requisits de reserva. Per garantir la seguretat del sistema d’energia amb una alta penetració de RES,  és imprescindible la participació de les RES i també, de les Micro Xarxes (MG) per la regulació. La capacitat tècnica de les MG, seran necessàris en les futures xarxes intel·ligents per participar en la regulació de freqüències a gran escala. Alguns DSO,  ja han actualitzat els seus codis de xarxa per garantir la seguretat i la fiabilitat del sistema elèctric de manera que, està previst que les RES / DG / MG proporcionin serveis  i suports de regulació i control.

Font: Utility magazine

A més, la substitució dels SG convencionals per DG / RES basats en electrònica de potencia, redueix la inèrcia del sistema. A les zones on la penetració dels RES és relativament significativa, als operadors del sistema els sorgeixen greus problemes de control de la potència i la freqüència. 

Una solució per millorar l'estabilitat i el rendiment de freqüències en una xarxa  amb molta DG / MG de baixa inèrcia és enfortir el sistema amb inèrcia virtual. Això vol dir, que es pot establir un sistema d’inèrcia virtual (VI) mitjançant l’ús d’un sistema de gestió juntament amb un convertidor d’electrònica de potència i un algorisme de control adequat per emular la inèrcia necessària. 

En definitiva, l’estabilitat i el control de les freqüències a les xarxes intel·ligents s’enfronten a nous reptes tècnics derivats de la creixent penetració de càrregues basades en l'electrònica de potència i la DG. Entre aquests, són necessaris els reptes de la inèrcia, ja que les fonts renovables basades en inversors,  cada cop més substitueixen els generadors síncrons. La reducció de la inèrcia rotacional a la xarxa pot afectar negativament a la resposta de freqüència de la xarxa i l'estabilitat i també, el control del sistema. 

Ramon Gallart