Comunicación presentada al V Congreso Smart Grids
Autores
- Daniel Morales Wagner, Director Técnico, Ingelectus Innovative Electrical Solutions
- Isidro Díaz Caballero, Project Manager, Ingelectus Innovative Electrical Solutions
- Adolfo Gastalver Rubio, CS Engineer, Ingelectus Innovative Electrical Solutions
- Luna Moreno Díaz, Electrical Engineer, Ingelectus Innovative Electrical Solutions
- David Señas Sanvicente, CS Engineer, Ingelectus Innovative Electrical Solutions
- Antonio Gómez Expósito, Catedrático de Universidad, E.S.I., Universidad de Sevilla
- Antonio de la Villa Jaén, Profesor Titular de Universidad, E.S.I., Universidad de Sevilla
- Esther Romero Ramos, Profesor Titular de Universidad E.S.I., Universidad de Sevilla
- Susana Carillo Aparicio, Head of Living Labs, Endesa Distribución Eléctrica
- Francisco Javier Leiva Rojo, Living Labs Project Manager, Endesa Distribución Eléctrica
Resumen
La siguiente comunicación muestra el análisis de parte de los resultados obtenidos en el proyecto MONICA. El Estimador de Estado implementado en el entorno Smartcity Málaga está proporcionando información de gran potencial para la operación, mantenimiento y planificación de las redes MT/BT. Del análisis de dicha información se realizan diagnósticos enfocados principalmente a identificar y estudiar aquellos puntos conflictivos de la red en cuanto a tensiones, desequilibrios, saturaciones y pérdidas técnicas. El objetivo es contribuir a la mejora de la calidad de suministro en las redes MT/BT, aspecto de gran importancia para las empresas distribuidoras debido a la creciente inclusión de elementos activos en la red (generación distribuida, vehículo eléctrico, almacenamiento, etc.).
Palabras clave
Estimador de Estado en Redes de Distribución, Smart Grids, Monitorización, Operación, Desequilibrios, Calidad de Suministro
Introducción
La creciente inclusión de energías renovables, la presencia cada vez más sustancial del vehículo eléctrico, así como la introducción del autoconsumo en niveles bajos de tensión, hace que las compañías distribuidoras de energía eléctrica tengan que plantearse como están operando, planificando y supervisando las redes MT/BT (Media Tensión/Baja Tensión). Estas redes ya no son elementos pasivos consumidores de energía, sino elementos que van a participar de una forma activa en la gestión de la energía, pareciéndose cada vez más a las redes de transporte. En este sentido, la digitalización y monitorización de las redes se plantea como algo fundamental y que poco a poco las distribuidoras tendrán que ir adoptando e incorporando a sus sistemas.
Para la monitorización de las redes, el primer paso es tener un estado de la red que permita conocer cómo se encuentran los nudos de la red en cuanto a tensiones, saturación y desequilibrios. En el proyecto MONICA, que ha aportado como primicia internacional un Estimador de Estado (EE) en redes MT/BT, se desarrolló una herramienta de estimación de estado que utilizaba la topología y los datos de medidas de sensores y contadores para obtener un estado coherente de la red eléctrica. El conocimiento del estado de la red permite a las compañías distribuidoras convertirse en operadores de redes y no en simples gestores de los activos de la red.
Hay que tener en cuenta que las redes de distribución están sufriendo una profunda transformación gracias a la instalación de contadores digitales y de sistemas de monitorización y telemando en centros de transformación. Esta transformación favorece la aparición de un ADMS (Advance Distribution Management System) para redes de distribución, el cual permite que puedan ser operadas con más garantías y flexibilidad.
El estimador de estados del Proyecto Monica
En el alcance de MONICA se encuentran 2 anillos de MT y 47 centros de distribución (CD) de BT. MONICA ha aprovechado una infraestructura básica de sensores y comunicaciones, que por primera vez ha puesto a disposición de los operadores un flujo constante y masivo de datos en tiempo real extendido (a intervalos de entre 5 minutos para el estimador de MT y 15 minutos para el de BT), incrementándose el volumen de información disponible. El EE ha mostrado un comportamiento muy robusto, obteniendo resultados para la mayoría de escenarios, siendo su porcentaje de éxito cercano al 90 %.
La Figura 1 muestra una representación en el tiempo de las ejecuciones del EE durante algunos meses de 2018 para cada CD de BT. Se representan en verde los escenarios en los que el estimador se ha ejecutado (ha convergido) y ha devuelto un fichero de salida/resultados. En rojo se representan aquellos escenarios con cualquier otra casuística que impida la obtención de un fichero de resultados por parte del estimador (datos de entrada incompletos, petición incorrecta, etc.). Se observa que la mayoría de CDs se han ejecutado correctamente durante el período analizado (línea temporal predominante verde). Sin embargo, hay algunos CDs que no convergen en la mayoría de escenarios. Estos casos probablemente se deban a errores topológicos o a que no llegan las medidas críticas para poder ejecutar el estimador. En definitiva, se puede afirmar que el EE tiene un ratio de convergencia de más de un 90% porque, la mayoría de casos en los que no se devuelve un fichero de resultados es debido a que los datos de entrada no son válidos y no al estimador en sí.
Para analizar correctamente este porcentaje de éxito también hay que tener en cuenta el nivel de redundancia, que se corresponde con el número de medidas de que se dispone por variable de estado. Los estimadores convencionales de alta tensión se encuentran en un porcentaje de éxito cercano al 95 %, pero con un nivel de redundancia que puede llegar a superar 3.0. Sin embargo, este estimador de MT/BT presenta niveles de redundancia de 1.3 aproximadamente. Por tanto, el hecho de que el estimador de estado de MT/BT alcance resultados parecidos a los estimadores convencionales de AT es un gran éxito.
Análisis de resultados del estimador de estados del Proyecto Monica
Se han generado análisis estadísticos periódicos para dar información sobre la situación de la red MT y BT a nivel de saturaciones, caídas de tensión, pérdidas técnicas y no técnicas, desequilibrios o estado de carga de los transformadores. Los resultados que se presentarán en esta comunicación se han extraído de las ejecuciones del EE durante los meses de abril a agosto de 2018. Toda esta información se puede utilizar para la prevención de fallos, generación de alarmas y mapas zonales que ayuden a la explotación y planificación del mantenimiento de la red de distribución.
La Figura 2 es un diagrama de caja que muestra la potencia activa consumida por cada uno de los CDs. Este diagrama muestra perfectamente el consumo medio de cada centro, además de la dispersión de los consumos. Se pueden identificar con claridad los centros que tienen un consumo medio más elevado y los consumos máximos. A modo de ejemplo, podría citarse el CD 390, uno de los CDs con más consumo de la red de MONICA. El consumo medio de este CD está en torno a 200 kW, y su consumo máximo registrado es de 475 kW. Dado que su potencia nominal es de 630 kVA, su porcentaje de carga medio es del 30 %. En general, puede afirmarse que los CDs del ámbito MONICA están descargados.
Hasta ahora, toda la información que tenían las distribuidoras acerca de los desequilibrios era la potencia instalada en cada fase. Al ser el estimador de estado de BT una herramienta que trabaja de forma trifásica, también puede analizar los desequilibrios que se producen en cada uno de los centros con la información proporcionada de los consumos de los clientes y medidas en el propio CD.
En la Figura 3 se muestra la potencia activa consumida por fase en los CD 7297 y 797. En el primero, se puede observar claramente cómo la fase S está menos carga con respecto a las fases R o T. En el segundo, se aprecia que la fase R está más cargada que las fases S y T. Esta información es útil para conocer las fases más cargadas y predecir saturaciones, o, para dar información al operario de la distribuidora de dónde deben conectarse los nuevos clientes para equilibrar los consumos. Un mayor grado de desequilibrio produce un aumento de pérdidas técnicas, la circulación de intensidad por el neutro, tensiones desequilibradas y, en consecuencia, es un factor a tener en cuenta cuando se operan este tipo de redes.
Este mismo tipo de diagrama estadístico, diagrama de cajas, se ha realizado con las tensiones en los nudos de BT de los transformadores de cada CD. El resultado de este análisis se muestra en la Figura 4 y es muy interesante ya que, da una idea de la tensión promedio de operación que tiene cada centro. Se observa que, en torno a un 40% de los centros tiene una tensión media de 231 V, la tensión nominal de la red. La mayoría de centros restantes tienen tensiones medias superiores, sin pasar de los 245 V. Esta gráfica también proporciona información sobre la variabilidad de la tensión, que es un indicador de cómo de estable es la red de MT en tensiones. Una red débil presenta mucha variabilidad en tensiones, mientras que, una red fuerte, presenta poca variabilidad. La tendencia general que se observa es una banda de variabilidad de la tensión de entre 8 a 10 V.
En la Figura 5 se presenta el perfil de tensión de los centros 797 y 391 durante tres días. Cada punto representa un escenario, ejecutado cada 15 minutos por el EE. En primer lugar, se observa que cada centro opera con una tensión promedio distinta en el lado de BT. El CD 391 tienen una tensión promedio de operación de 240 V, como se observaba en la Figura 4, mientras que el CD 797 opera en torno a 229 V. Por otra parte, también se observan los tramos horarios con niveles de tensión mínimos y máximos. En el caso del CD 797, las horas con mínimas tensiones se tienen en torno a las 12 y las 24 horas. Si se tuviesen problemas de subtensiones, en este estudio se identificarían con claridad las horas a las que se producirían.
También se puede obtener información por cada una de las LBT (líneas de Baja Tensión) o feeders de cada CD. La Figura 6 muestra las pérdidas técnicas en cables que se producen en cada una de las LBT del CD 797. Se observa de forma evidente que la línea 3 tiene unas pérdidas muy por encima del resto de líneas de BT. Analizando las saturaciones de cada fase de la línea 3, se encuentra que hay períodos de tiempo con saturaciones por encima del cien por cien. Se trataba de un cable que estaba mal identificado en la base de datos y que al tener una sección muy pequeña estaba dando unas pérdidas por encima de los valores que se esperan para estos cables. En este caso, el análisis de estos datos no sólo sirve para la operación, sino también para identificar errores que se puedan estar cometiendo en las bases de datos en cuanto a secciones de cables.
Este tipo de información, que se obtiene de forma automática y proactiva analizando los datos del estimador de estados, es fundamental para dar la mejor calidad de suministro a los clientes y operar de manera eficiente la infraestructura actual. Es muy importante tener información no sólo cuando ocurren eventos críticos, sino con anterioridad a que éstos sucedan. De esta forma, se hace posible el mantenimiento predictivo y la operación de la red de forma preventiva, evitando la concurrencia de casos críticos y proporcionando información útil al operador de la red.
Conclusiones
Las redes de distribución MT y BT se explotan sin tener en cuenta factores disruptivos del mercado como, la introducción del vehículo eléctrico o sistemas de almacenamiento doméstico, dando por hecho que están suficientemente dimensionadas para soportar cualquier punta de demanda.
El estimador de estado es una herramienta muy potente para las distribuidoras, ya que, genera información que resulta clave para la operación de las redes MT/BT. Esta información histórica es muy valiosa y puede servir de base para llevar a cabo estrategias de mantenimiento predictivo. Para ello, es necesario aplicar técnicas de automatización para el tratamiento masivo de los datos recogidos, su organización estructurada y una presentación que permita al técnico responsable evaluar una situación rápidamente y poder actuar en consecuencia.
Los resultados demuestran el potencial del estimador de estados de cara a optimizar la operación y planificación de las redes de distribución de MT y BT, con las siguientes funcionalidades:
- Cuantificar y analizar las pérdidas técnicas.
- Evaluar las sobretensiones y subtensiones de la red.
- Evaluar las sobrecargas en la red.
- Analizar los desequilibrios: Intensidades a través del neutro.
- Optimizar la planificación de la red.
- Identificar/detectar medidas erróneas (pueden deberse a un fallo en el sensor de medida, problemas en comunicaciones, existencia de un fraude, etc.).