Ensayo Smart Grid [PDF]

Zitiervorschau

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Redes Electricas Inteligentes (Smart Grid) Antonio Bustos [email protected] Christian Cañafe ccañ[email protected] Christian Farfan [email protected] Edwin LLivicura [email protected] Darwin Vicuña dvicuñ[email protected] Carlos Vizhñay [email protected] UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

Abstract—En este artículo se va a tratar acerca de las redes eléctricas inteligentes (Smart Grid) que hoy en día han ido tomando gran auge en lo que refiere a las tendencias actuales de sostenibilidad en las redes eléctricas, brindando mayor flexibilidad en la interacción entre el cliente final y la empresa que suministra dicho recurso, además de brindar servicios adicionales a los usuarios, para así converger en una manera ordenada y eficaz de gestionar este servicio y evitar pérdidas energéticas, que son muy comunes en los sistemas tradicionales, para ello se ve la necesidad de la implementación de dispositivos de última generación en las diferentes etapas del servicio así como en la generación transmisión y suministro eléctrico. Dentro de las redes inteligentes existen diferentes puntos de vista en la viabilidad del mismo ya sea desde un punto de vista económico, ecológico y desde una perspectiva de privacidad o seguridad que este sistema pueda ofrecer. Index Terms—Eficiencia, Flexibilidad, Seguridad, Smart Grid, Protocolos.

I. INTRODUCCION “Smart grids” conocidas como redes inteligentes, son segmentos inteligentes que integran de manera automatiza y controlada las acciones de los usuarios que se encuentran conectados ya sea los componen de un sistema de generación de energía, transmisión, distribución o consumos del suministro energético. Esta red inteligente “Smart Grids” proporciona efectuar un suministro eléctrico eficiente, seguro y sostenible, para lo cual es necesario administrar los recursos disponibles de suministro eléctrico mediante el uso inteligente ya sea en tiempo real tanto para los consumidores como a proveedores. Para la aplicación de los Smart Grids, se debe disponer de una infraestructura adecuada y moderna, de una monitorización remota de un control de producción y consumo energético utilizando tecnologia digital y programable, ya que todos estos enlaces o conexiones deben ser relacionados entre proveedores, distribuidores y consumidores. Los Smart grids además integran de manera inteligente las acciones de los usuarios que se encuentren vinculados: tanto como generadores, consumidores de esta manera se consigue lo más eficiente del sistema.

Las SmartGrids utilizarán equipos y servicios innovadores, junto con nuevas tecnologías de comunicación, control, monitorización y auto-diagnóstico, que ayudarán a conseguir los siguientes objetivos: • Robustecer y automatizar la red, mejorando la operación de la red, los índices de calidad y las pérdidas en la misma. • Optimizar la conexión de las zonas con fuentes de energía renovable, optimizando las capacidades de conexión y minimizando el coste de conexión de las mismas. • Desarrollar arquitecturas de generación descentralizadas, permitiendo el funcionamiento de instalaciones de menor tamaño (Generación distribuida) en armonía con el sistema. • Mejorar la integración de la generación intermitente y de nuevas tecnologías de almacenamiento. • Avanzar en el desarrollo del mercado de la electricidad, posibilitando nuevas funcionalidades y servicios a los comercializadores y a millones de consumidores en el mercado. • Gestión activa de la demanda, permitiendo que los consumidores gestionen de manera más eficiente sus consumos y mejorando la eficiencia energética • Posibilitar la penetración del vehículo eléctrico, acomodando estas nuevas cargas móviles y dispersas a la red, minimizando el desarrollo de nueva infraestructura y habilitando las funcionalidades de almacenamiento de energía que poseen II. DESARROLLO A. Generación eléctrica descentralizada. El concepto de una red inteligente ha evolucionado en respuesta a la necesidad de generar electricidad de manera descentralizada. Esto significa que no solo introducirán energía en la red las grandes generadoras de energía eléctrica, sino que también lo hagan otros pequeños productores, las cuales podrían ser: instalaciones eólicas privadas, instalaciones

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privadas de biogás, paneles fotovoltaicos (placas solares) en el tejado de una gran casa, etc. Para la incorporación de estos pequeños productores en la red eléctrica, el flujo de energía debe fluir también desde el productor de energía (por ejemplo, desde el generador de una instalación eólica hacia la compañía eléctrica). Esto plantea un gran reto para la red eléctrica, ya que debe diseñarse para un flujo bidireccional de la energía. Por lo tanto, deben tomarse las medidas apropiadas para los transformadores y en particular, sus dispositivos de protección.[1] B. Características que predominan en el desempeño de una red inteligente. 1) GIS (Sistema de información geográfica): La calidad de los datos que existe en el GIS debe ser excepcional dado que no es aceptable tener datos incorrectos en un sistema que controla automáticamente el sistema de distribución eléctrica. Los errores pueden ocasionar cortes de mayor tiempo o pero aún accidentes. Las necesidades de datos para las operaciones de Smart Grid sugieren que se debe medir el tiempo que toma a un cambio en reflejarse en el GIS puesto que a medida que el tiempo aumenta también lo hace el riego que algo salga mal. Es necesario entonces que el GIS tenga actualizada la base de datos con el objeto de tener una correlación exacta entre las instalaciones del cliente y el sistema eléctrico por lo cual el GIS debería ser casi perfecto de todo el sistema eléctrico.[3] 2) AMI (Infraestructura de medición avanzada): En el diseño de una red inteligente se prevé el uso de medidores digitales avanzados con dos vías de comunicación que tengan la capacidad de conectar y desconectar servicios a distancia, registrar formas de onda, vigilar la tensión y la corriente. Estos deberán sustituir a los medidores actuales en el mismo lugar para no modificar el diseño de una red eléctrica ya estructurada. Este tipo de medidores pueden tener datos a disposición de los centros de operación y planificación con la finalidad de lograr una mayor fiabilidad y utilización de 2 recursos (Líneas, transformadores). De igual manera ofrecen lecturas de tiempo real, dando la posibilidad de equiparar los patrones de distribución de carga en el sistema.[3] 3) SCADA (Sistema de adquisición, supervisión y control de datos): SCADA representa un software diseñado e instalado sobre un servidor para el control de producción, el cual da la facilidad de comunicación con dispositivos de campo, controlando el proceso de forma automática desde la pantalla de monitorización. Este sistema provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, esto se pueda dotar de información a diferentes niveles del sistema como supervisión, control de calidad, almacenamiento de datos. El sistema SCADA contiene diversas soluciones para captura de información de un proceso el cual no necesariamente es industrial lo que permite realizar análisis en tiempo real o estudios posteriores y así obtener indicadores que permitan retroalimentar sobre un proceso.[3] 4) Automatización de distribución.: Esta etapa se encarga de la supervisión, el control y las funciones de comunicación situados en el alimentador. Los dispositivos de ésta etapa pueden monitorear las corrientes y voltajes, comunicarse con

otros dispositivos similares y ser auto configurables, el sistema tiene la finalidad de restaurar el servicio a los clientes, tiene la capacidad y rapidez para reconfigurar la red de alimentadores. Es decir que una red eléctrica inteligente a más de conectar a los clientes de una subestación con bajo costo permite una alimentación rápida y flexible reconfigurada. Entonces en el futuro se puede diseñar sistemas de distribución en una red con conexión a múltiples etapas de distribución, la misma que estaría conectada a múltiples subestaciones. Puede ser un inconveniente si en el sistema de distribución actual se coordina los dispositivos de protección ya que en un smart grid la topología permitida es flexible, es decir se tendrá que planificar adecuadamente para lograr una coordinación correcta para una variedad de configuraciones posibles.[3] C. Redes de comunicación utilizadas en smart grid. •

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WiMax.- Utilizado para la conectividad de la última milla. Censado de la red eléctrica, además puede ser utilizado para interconexión de medidores inteligentes.[2] 3G.- Usado para censado remoto es decir utilizado para control y monitoreo.[2] MPLS.- Desarrollado para interconexión de redes de diferentes tecnologías.[1] ZigBee.- Ha estado desarrollando tecnología para comunicación remota entre medidores incluye gas y agua. Está basada en el IEEE estándar 802.15.4, tiene una velocidad de 250 kbps, su rango de transmisión es limitado y debe ser combinado con tecnologías de comunicación de mayor rango como las del estándar IEEE 802.11.[2] Home Plug.- Esta tecnología incluye interconexión con bombas de agua, audio, televisión, nevera, iluminación, vehículos eléctricos.[2] WiFi y 4G LTE.- También son tecnologías aplicadas para comunicaciones inalámbricas pero pueden ser usadas para mejorar cobertura, ancho de banda o velocidad y conseguir así los datos desde cualquier dispositivo electrónico, es decir es usado para medición inteligente. También 4G LTE puede ser usado para control y monitoreo en alto y medio voltaje, conectividad con hogares de sectores urbanos y para sectores rurales se puede implementar WiMax ya que debido al empleo de altas frecuencias en 4G no es recomendable. En lo referente a BAN (Building Area Network) es posible asociar diferentes tecnologías como son 802.16 WiMAX, 802.11 WiFi, Fibra óptica, 802.15.4/zigbee todo con el interés de dotar aplicaciones satisfactorias.[2]

D. Análisis de Smart Grid en las redes eléctricas. Unos de los aspectos más importantes, en la cual los Smart Gids han evolucionado es en el sector eléctrico, el objetivo de esta tecnología es satisfacer la demanda eléctrica con una mejor calidad del servicio de suministros. A su vez poder convertir en una red eléctrica inteligente tanto desde la generación, trasmisión y distribución.[5] Un análisis desde el punto de vista tecnológico y de mercado las siguientes tecnologías identificadas como prioritarias en las

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smart grids y con una mayor perspectiva de crecimiento para el año 2020.[5] • La movilidad eléctrica y su integración en la red eléctrica. • La implantación de almacenamiento de energía a gran escala en la red eléctrica con el fin de mejorar la integración de las fuentes de energía renovable y la movilidad eléctrica. • Los contadores inteligentes y su infraestructura. • Los sensores para la red inteligente. • La generación distribuida y los recursos energéticos renovables. • Las tecnologías avanzadas para el transporte de energía eléctrica. 1) Tecnologías que deberán experimentar un crecimiento con Smart Grids:: • Transmisión y Distribución eléctrica.[5] • Sistemas de almacenamiento.[5] • Controladores de las Protecciones.[5] • Sensores y transductores.[5] • Integración de generación distribuida y recursos energéticos renovables.[5] • Tecnologías avanzadas de transporte (HVDC y FACTS). [5] 2) Beneficios de las redes eléctricas inteligentes.: El objetivo de la aplicación de estas tecnologías es que el consumidor pueda ver y conocer en tiempo real como varia el precio en función de la demanda , para que esto pueda ser posible se agregaran a cada usuario un sistema Smart meter que son nuevas tecnologías que remplazaran a los medidores comunes que se tiene en la actualidad. • La red inteligente utiliza productos y servicios innovadores, así como tecnologías avanzadas de monitorización, control, y comunicación, que aportan beneficios tanto al medio ambiente como a los clientes.[6] • Aumentan el nivel de fiabilidad y calidad en el suministro de energía eléctrica. Cuando hay una avería, las tecnologías de la red inteligente pueden detectar y aislar el problema y contribuir a que la recuperación de la electricidad sea rápida y se desarrolle estratégicamente, devolviendo la electricidad a los servicios de emergencia en primer lugar, por ejemplo. Además, la red inteligente saca mayor provecho de los generadores de energía propiedad del cliente cuando no se dispone de electricidad procedente de la compañía eléctrica. [6] • Facilitan a los clientes instrumentos que les permiten optimizar su propio consumo eléctrico y mejorar el funcionamiento del sistema global (gestión activa de la demanda).[6] • Las redes inteligentes dan al usuario la información y las herramientas necesarias para tomar decisiones sobre su uso de la energía: el cliente podrá ver cuánta electricidad consume, cuándo la utiliza y cuánto le cuesta, y ahorrar dinero generando su propia energía y eligiendo el mejor momento para consumir electricidad. [6] • Contribuyen a mantener la sostenibilidad ambiental, integrando la generación distribuida de fuentes renovables. y desplegando la infraestructura de recarga para la movilidad eléctrica. contribuyendo a la reducción de

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las emisiones de CO2. Facilitan el almacenamiento de la electricidad. [6] Mejoran la eficacia en la distribución de los flujos de energía y la flexibilidad en la gestión de los picos de demanda, con la consiguiente disminución de las necesidades de nuevas instalaciones de generación.[6] III. C ONCLUSIONES

Una de las principales ventajas de la implementación de redes inteligentes es la posibilidad de generar energía de manera descentralizada. Esto permite que las pequeñas estaciones de generación de electricidad introduzcan energía a la red eléctrica lo cual implica a su vez un diseño adecuado para que la energía fluya de manera bidireccional. El desarrollo de las redes inteligentes permitirá también un creciemiento en varias tecnologías de las redes de transporte y distribución. Los elementos más destacados y con un gran potencial de creciemiento son la integración de las fuentes de eneergía renovables y la generación no convencional. la tecnología HVDC y FACTS, y la automatización de la distribución. Otro de los grandes beneficios es el hecho de contar son un sistema para el control de la producción facilitando la comunicación con dispositivos de campo y permitiendo controlar el proceso de forma automática a través de la pantalla de monitorización. Por medio de este tipo de tecnología el consumidor será capaz de ver y conocer en tiempo real cómo varía el precio en función de la demanda para lo cual se reemplazarán los medidores comunes con medidores inteligentes. Existen varias redes de comunicaciones utilizadas en smart grid tales como WiMax, MPLS, WiFi y 4G LTE, cada una con prestaciones diferentes de acuerdo a las necesidades. R EFERENCES [1] Redes inteligentes, telecontrol y los nuevos estándares, Comunicación fiable y segura con zenon Process Gateway, 2010 Ing. Punzenberger COPA-DATA GmbH [2] Schwerdfeger, R.; Westermann, D. "Diseño de un sistema de simulación para el análisis de las arquitecturas de redes inteligentes", PowerTech (PowerTech), IEEE 2013 Grenoble. [3] Berrio, L.; Zuluaga, C. "Los conceptos, estándares y tecnologías de la comunicación en red inteligente", Circuitos y Sistemas (CWCAS), 2012 IEEE cuarto Taller de Colombia. [4] Slootweg, H. ; Enexis BV.”Smart Grids - el futuro o fantasía”. Smart Metering - Making It Happen, 2009 IET Londres. [5] Universidad Politecnica de Cataluña “informe estratégico de la fundación para la sostenibilidad energética y ambiental”, Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona (UPC). [6] Las redes inteligentes, disponible en: http://www.endesasmartgrids.com/