Comunicación presentada al IV Congreso Smart Grids:
Autores
- Ramón Gallart Fernández, Responsable Redes Inteligentes e I+D+i, Estabanell y Pahisa Energía
- Dr. Santiago Martínez Farrero, Chief Executive Officer, Estabanell y Pahisa Energía
Resumen
Las empresas distribuidoras de electricidad, así como muchos tipos de multi-utilities en todo el mundo, están desplegando lo que se conoce como la Smart Grid (SG), ya sea por un mandato legal o porque la tecnología está lista y lo suficientemente madura para un despliegue de esta magnitud de modo que, actúan sobre la base de la expectativa de la valoración de nuevos modelos de negocio que puedan aportar beneficios futuros a las empresas involucradas en este desafío tecnológico. Una SG, es una red de electricidad que puede integrar de una manera rentable el comportamiento y las acciones de todos los usuarios conectados en ella – generadores, consumidores y aquellos que hacen ambas cosas – para asegurar un sistema de energía económicamente eficiente y sostenible con bajas pérdidas, altos niveles de calidad, y seguridad. Este proyecto, ha pretendido realizar una definición clara de los términos involucrados, también ha pretendido aclarar lo que la sociedad puede esperar y los riesgos relacionados, terminando en una propuesta que permita evitar una nueva Digital Divide entre los ciudadanos que viven en áreas urbanas con más posibilidades de participar en una SG, respecto con los ciudadanos en las fronteras geográficas o completamente fuera de las regiones cubiertas por dicha tecnología, probablemente en las zonas rurales. Este proyecto emerge para afrontar esos retos y también, ayuda a responder a las diferentes cuestiones técnicas y operacionales en el caso particular de las redes rurales, aprovechando la convergencia entre la electricidad y las redes de telecomunicaciones. También examina la mejor forma para hacer la transición de la actual red de distribución rural a una nueva red eléctrica utilizando tecnologías de Smart Grid, sin perder de vista el nuevo negocio correspondiente conceptos asociados con esta transición o no ser respetuosos con el medio ambiente.
Proyecto Smart Rural Grid
Dado que las infraestructuras de las redes rurales de distribución requieren soluciones tecnologías de vanguardia y también, como consecuencia de la creciente penetración de la Generación Distribuida (GD), este proyecto contribuye a superar estas debilidades y así definir un nuevo paradigma eléctrico. Sin embargo, el flujo energético producido de forma local, debe ser controlado para el uso óptimo de los «créditos» de energía disponibles. La condición particular, conjuntamente con los límites de operación de las redes de distribución rurales, necesitan una nueva visión, la cual incluya la capacidad para ayudar a las tecnologías y así mejorar la explotación de la red.
Introducción
El proyecto Smart Rural Grid (SRG) surge para hacer frente a estos desafíos y ayudar a responder a las diferentes explotaciones de la red para el caso particular de las redes rurales. En este sentido, el proyecto SRG explora y muestra cómo explotar la convergencia entre la electricidad y las redes de telecomunicaciones. Este trabajo tiene como objetivo señalar cómo las empresas distribuidoras de electricidad pueden operar más recursos, al mismo tiempo que pone de relieve la forma de interconectar a los prosumers de energía con el fin de permitir un flujo multi-direccional eléctrico. También examina la mejor manera de hacer la transición de la actual distribución de la red eléctrica rural a un nuevo marco eléctrico mediante el uso de tecnologías SG sin perder los conceptos comerciales asociados.
Por tanto, define una nueva arquitectura de un sistema para las redes rurales inteligentes. Se ha ejecutado en una parte de la red de distribución de Estabanell y Pahisa Energía (EyPESA) en Vallfogona del Ripollés, Cataluña, España. EyPESA, combina las funciones de distribuidor y comercializador. El consorcio está liderado por EyPESA y colabora con: (i) CITCEA que se dedica a la investigación, la innovación y la transferencia tecnológica a la industria en los ámbitos de la mecatrónica y enertrónica; ii) ZIV Communications, que es un fabricante español con una completa gama de sistemas de comunicaciones Power Line Communications (PLC), protección digital y equipos de control para redes eléctricas de alta y media tensión iii) Xarxa Oberta de Catalunya (XOC), que presta servicios de fibra óptica en Catalunya; (iv) KISTERS (Alemania), que ofrece soluciones tecnológicas líderes en software avanzado para el mercado de la energía; (v) SWRO, que distribuye electricidad, gas, agua y calefacción urbana en Rosenheim, Alemania; (vi) Crompton Greaves Automation (CGA), que es un proveedor irlandés líder de soluciones de control y automatización, servicios y productos para monitoreo y control de las redes de transporte y distribución en diversos sectores del mercado que lleva a cabo la integración del sistema y, finalmente, (vii) SMARTIO, que es un grupo de empresas e instituciones académicas Noruego, que llevan a cabo la difusión del SRG.
Gracias a la experiencia del consorcio SRG, el proyecto ha desarrollado un conjunto de dispositivos y servicios encargados de gestionar la energía, para ayudar en la explotación del piloto de la red rural inteligente. Estas tecnologías de vanguardia pretenden aumentar la interoperabilidad, la resiliencia, la eficiencia de la red de distribución rural existente, mediante la utilización de nuevas tecnologías SG: i) Intelligent Distribution Power Router (IDPR); (ii) nueva tecnología PLC para una red de distribución rural; (iii) una sólida red de comunicaciones que permita la gestión entre recursos energéticos distribuidos y el IDPR; iv) un sistema de gestión de datos basado en series temporales que gestiona la micro-producción energética local así como el IDPR.
Descripción del proyecto
La red del SRG se centra en una red de distribución (RD) rural real con el potencial para mejorar la eficiencia, en particular en lo que se refiere a la continuidad del subministro. La RD en donde se ha hecho el proyecto, corresponde a la parte final de la red de distribución de 5 kV en una zona rural de la red EyPESA. EyPESA es un Distribuidor que opera en Cataluña (España) y dispone de más de 56.000 puntos de subministro conectados en su red a lo largo de sus 1.500 km de líneas. La principal particularidad de la red EyPESA es que alrededor del 50 % de la red se despliega en un entorno rural donde más de dos tercios de los clientes son del sector doméstico y de servicios.
Esta red corresponde a un área con baja densidad de población, con apenas 25 clientes distribuidos en cuatro centros de transformación (CT) Figura 1. Esta red se caracteriza por tener una infraestructura radial no automatizada, donde es necesario la acción humana para su operación mediante seccionadores manuales y fusibles. Además, la detección de fallos y el acceso, se complica por el hecho de que las líneas de media tensión de la red atraviesan valles y montañas, estando expuestos a condiciones climáticas adversas. En la parte superior derecha de la Figura 1, viene representado el esquema eléctrico de la red. Las redes de baja tensión (BT) suministran la energía eléctrica a los clientes dispersos por el área rural. Cada uno de ellos está equipado con un contador inteligente.
Metodología
El mayor desafío del proyecto SRG ha sido el desarrollo de un IDPR. Este dispositivo está compuesto por un innovador sistema de conversión de energía basado en electrónica de potencia. El IDPR permite la integración de generación distribuida, fuentes renovables, cargas domésticas e industriales y vehículos en los sistemas de distribución. Además, favorece la integración de dispositivos de almacenamiento de energía y, por último, mejora la calidad de la energía y el soporte de red. El IDPR está diseñado para conectarse en paralelo con la red de baja tensión y también con un dispositivo de almacenamiento de energía (véase la Figura 2). En términos de rendimiento, la etapa de potencia implementa una topología extremadamente compacta sin transformador, con nuevos dispositivos semiconductores de carburo de silicio altamente eficientes y de gran potencia. Además, el sistema de control del IDPR se gestiona fácilmente mediante los puntos de ajuste del operador del sistema. Después de implementar la innovadora arquitectura de red y abordar la adopción de nuevas herramientas y tecnologías, la red del piloto se ha transformado, dando como resultado el esquema de Figura 3.
La presencia de generación renovable en redes eléctricas está ganando cada vez más importancia. El crecimiento de las GD mejorará la seguridad del suministro a los clientes y aumentará la eficiencia energética de la red. Por tanto, es necesario introducir nuevos dispositivos de protección para que sean capaces de aislar sólo una parte de la red eléctrica en caso de una eventualidad, dado que las redes rurales modernas requieren un cierto grado de flexibilidad para ofrecer nuevas configuraciones eléctricas y nuevos modos de explotación. Por ejemplo, deben permitir la operación aislada y la reconexión de algunas o de cualquier parte de la red cuando ocurren incidencias o se identifican segmentos de la red con congestión. Para ello, las líneas de baja tensión, deben ser administradas de manera independiente con el fin de energizar estas islas a través de los recursos de reserva de energía.
El proyecto SRG también explora la convergencia entre la electricidad y las redes de telecomunicaciones (RT) (Figura 4), con el objetivo de garantizar la integración y gestión de GD, los recursos de baterías y nuevos dispositivos de protección y control a través de las Remotas de Telecontrol (RTU). Esta infraestructura se compone de dos ambientes diferenciados: una RT local basada en la tecnología WiMAX y también con la tecnología PLC y otra RT de acceso basadas también en la tecnología WiMAX y con la tecnología de fibra óptica (FO), por lo que permite establecer la comunicación entre los CT y el centro de control (COX) d’EyPESA así como ofrecer banda ancha en las zonas rurales que no cubren los operadores de telecomunicaciones.
Con el fin de gestionar eficazmente la red, se definen diversos agentes, los cuales interactúan entre sí mediante el intercambio de datos y comandos. Desde un enfoque ascendente, la jerarquía de gestión está configurada por los denominados Transformer Controler (TC), el Local Controler (LC), el Sistema de Gestión de Energía Local (LEMS), el SCADA y, finalmente, en la parte superior de la estructura, está el Sistema de Gestión Global de la Energía (GEMS). La jerarquía y las relaciones se representan en la Figura 5.
Resultados y datos obtenidos
En este apartado, se describe el comportamiento del IDPR en la red de baja tensión. Desde el centro de control de EyPESA, se gestiona el IDPR, así como el conjunto de elementos que conforman el piloto.
Sin embargo, para comprobar los valores instantáneos de voltaje y corriente se ha utilizado un osciloscopio que registra datos con mejor calidad de modo que los datos obtenidos se han analizado con un software matemático (Matlab). Seguidamente, se muestran las situaciones en que, de forma real, el IDPR interactúa con la red del distribuidor en los casos: (i) IDPR equilibra las corrientes de las fases activas y compensa la potencia; (ii) el IDPR cancela corrientes armónicas; iii) combina los casos (i) y (ii) y entrega a la red 12 kVAR. Las formas de onda de baja tensión se representan en el lado izquierdo de la Figura 6 y en el lado derecho se visualizan las corrientes. En cuanto al caso de voltaje, se puede observar que todas las formas de onda son sinusoidales y alrededor de 230 V fase-a-fase. Sin embargo, observando en detalle las tensiones de la Figura 6 (a) y Figura 6 (c) se observa una variación en la tensión de 2,5 V (considerando todas las fases). Este valor se puede utilizar para calcular el módulo de la impedancia de la red. En otro caso, sobre las formas de onda de la figura-6 (b), puede deducirse que cuando la función equilibrio está desactivada, la red rural presenta importantes desequilibrios. Por tanto, el IDPR contribuye a reducir las pérdidas asimétricas. Por otra parte, debe observarse que aunque en la Figura 6 (a) el IDPR está equilibrando las corrientes de la red, también es posible observar picos irregulares. Este es el efecto típico en las cargas de usuarios finales rurales.
Por último, con el fin de validar con los criterios comúnmente utilizados las capacidades y contribuciones del IDPR sobre la tensión y la Distorsión Armónica Total (THD), el Factor de Potencia (PF) y el grado de desequilibrio (DU) de las corrientes se calculan contrastando los casos (i) y (ii). Después de la compensación de la corriente armónica los valores obtenidos son mejores alrededor del 1,5%. Sin embargo, el THD de corriente es y la compensación armónica actual tiene un significativo impacto en el valor del THD del voltaje.
La Tabla I recoge los valores de THD de tensión y corriente, la Tabla II muestra los valores del factor de potencia (PF) y finalmente la Tabla III recoge el DU inicial y final. Es notable como el IDPR permite equilibrar adecuadamente las corrientes de red.
Uno de los resultados sobre el correcto funcionamiento de la red en modo isla, se puede visualizar en la Figura 7, donde es posible observa la estabilidad de la micro-red conectando cargas al IDPR.
Conclusiones
Este desarrollo tecnológico permite migrar hacia redes inteligentes desde las redes eléctricas existentes, por lo que tiene un importante impacto en la sociedad. En áreas rurales existe el riesgo de estar desconectado de la Red Inteligente y no tener la posibilidad de aprovechar los nuevos modelos de negocio que aporta la digitalización. Este fenómeno se le conoce como la División Digital. El proyecto Smart Rural Grid ha desarrollado herramientas especiales y la tecnología para superar estos desafíos tecnológicos y sociales. El IDPR, es un dispositivo versátil basado en electrónica de potencia, que permite a las redes rurales funcionar en modos operativos distintos sobre una red radial tradicional. Esto introduce nuevos grados de libertad en el funcionamiento de estas redes, como son el concepto quasi-grid, entendido como una infraestructura virtual que se genera con dicha tecnología ofreciendo la posibilidad de suministrar energía a los usuarios en caso de una incidencia en las cabeceras de la red, sin la necesidad de construir nuevas infraestructuras como podrían ser las líneas eléctricas de media tensión con el impacto medioambiental que implica. Además, gracias a la arquitectura basada en la inteligencia distribuida dispersa por la zona y mediante la propia red del distribuidor, es posible realizar diversas configuraciones de red. Dada su variabilidad y flexibilidad, ha permitido denominarse como una red dinámica de micro-redes, permitiendo a las distribuidoras eléctricas encontrar soluciones para evitar las consecuencias de apagones, desastres naturales, sobrecargas y, al mismo tiempo, mejorar la calidad de la energía, entre otros. Además, facilita nuevos modelos de negocio basados en un enfoque local. La solución basada en el IDPR debe integrarse en una red de telecomunicaciones, teniendo en cuenta las características especiales de estas zonas rurales, de modo que los desafíos del ancho de banda y las grandes distancias han sido superadas, así como su completa integración en un sistema de control SCADA para su explotación descentralizada.
Agradecimientos
El proyecto 619610 Smart Rural Grid, ha sido financiado con fondos de la Unión Europea dentro del séptimo programa marco FP-7 de ICT-2014.6.1 Smart Energy Grids.
Referencias
Estabanell Energia, Els orígens d’Estabanell Energia. 2016.
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