Redes Inteligentes para un Futuro Sostenible (II)
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Redes Inteligentes para un Futuro Sostenible (II)
Renato Céspedes
rhcespedesg@unal.edu.co
Marzo 2 -2012
Seminario Universidad Nacional I-2012
Definición de las SGs de IEA
A smart grid is an electricity network that:
– uses digital and other advanced technologies to monitor and
manage the transport of electricity from
– all generation sources to meet the varying electricity
demands of end-users.
– Smart grids co-ordinate the needs and capabilities of all
generators, grid operators, end-users and electricity market
stakeholders to operate all parts of the system
as efficiently as possible,
minimizing costs and
environmental impacts
while maximizing system reliability, resilience and
stability.
2
Por qué es necesario volvernos “inteligentes”?
Pirámide de Maslow complementada
“The Advanced Smart Grid:
Edge Power Driving
Sustainability” - Andres
Carvallo & John Cooper –
Junio 2011
Los autores parten de conceptos de “La
teoría de la Motivación Humana” de Maslow
para mostrar que sin electricidad no se
concibe la vida moderna
3
Servicio eléctrico limitado en Latinoamérica y otras partes del mundo
4
Las comunicaciones tienen un cubrimiento global y costo bajo (número de celulares llega a
ser igual a población!!)
Para Latinoamérica la SG debe tener acceso universal tanto en cubrimiento como en costo,
puede implicar que para zonas aisladas la SG no necesariamente es interconectada!!
El sector TICs ya tiene SG
ELECTRICA (ACTUAL) TICs
Poco volumen de información Alto volumen de información
Poca orientación a la eficiencia Alta eficiencia debido a la digitalización
(electrónica….nanotecnología)
No diferencia productos que se
incorporan a la red
Diferencia el producto (voz, datos) y lo
entrega en redes altamente complejas
Producto analógico vulnerable a
factores tanto internos como
externos
Producto Digital, poco vulnerable a
medio ambiente (todo o nada)
Elementos pasivos, requiere
coordinación humana
Elementos activos, altamente
automatizado
Orientación a consumo fijo,
poco variante en el tiempo
Consumidor móvil, alta variabilidad
Componentes con larga vida útil Convive naturalmente con la
obsolescencia
Crecimiento vegetativo Multiplica constantemente numero de
usuarios
Ley de Metcalfe
“El valor de una red es proporcional al cuadrado del
número de nodos de la red”.
Las redes de celulares, tendencia a computación
móvil, por ejemplo confirman la ley
Red Electrica Nodos en Latinoamerica
observabilidad en tiempo real:
– Transmisión: 500 – 2000
– Distribución Convencional: 1000 - 20000
– Smart Grid sin consumidor final: x 100,000
– Smart Grid con consumidor final: x 1,000,000
7
Temario
Problemas y Soluciones del sistema eléctrico
– Blackouts
– Distribución
– Envejecimiento
– Eficiencia
Tendencias Arquitecturas
9
42
39 38
34
31
25 23 23
20 19
18 17 17
16 14
13 12
11 11 11 11 10
9 9 9 8 8 8 8 8
7 7 6 6 6
5 5 4 4
3 3 2 2
1 1 1 1 1 1 1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
NÚ
ME
RO
TABULACIÓN ENCUESTA INICIAL
No TEMA %
1 Pérdida no técnica para empresas eléctricas 7.1
2 Pérdidas técnicas 6.6
3 Calidad de servicio, producto 6.5
4 Confiabilidad 5.8
5 Gestión de la operación 5.3
6 Atención al cliente 4.2
7 Eficiencia energética 3.9
8 Manejo de la demanda 3.9
9 Cuidado del medio ambiente (emisiones de co2) 3.4
10 Uso de energía renovable (Matriz energética) 3.2
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Población Afectada (%)
Brasil
Irán
Dinamarca y
Suecia
Norteamérica
Londres
El Problema Operativo a Gran Escala: Blackouts
Italia
Colombia
¿De Dónde Provienen los Problemas?
CAUSAS DE LOS APAGONES Elementos de protección
Capacitación, Medidas remediales
Vegetación
Tensión y reactivos
Diseño
Comunicación
Problemas regulatorios e institucionales
Mantenimiento
Dimensionamiento
Problemas computacionales
Visibilidad global del sistema
Reservas
Soporte organizaciones de confiabilidad
El blackout del 2003
17
-170
-160
-150
-140
-130
-120
-110
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-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
15:05:00 15:32:00 15:44:00 15:51:00 16:05:00 16:06:01 16:09:05 16:10:38
Time (EDT)
Rela
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Cleveland West Michigan
Normal Phase Angle is approx. -25º
Angulos de Fase Divergieron
Antes del
Apagón
August 14, 2003 Blackout
Situational Awareness: NERC - Integración
18
Procesador
de Topología
de la Red
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Análisis de
Contingencia
Otras
Aplicaciones
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Herramientas de Apoyo y Mantenimiento
Datos en
Tiempo Real
- Telemetría
- Enlaces de
datos
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Unidades de
Medición
Fasorial(PMU)
Ejemplo uso de PMUs Monitoring of - Online view or - Historic view (selectable)
Power System Status Curve
Geographical View (Google Earth based)
Time charts
Phasor diagrams
Phasor Data Concentrator: Collecting Phasor Measurement Data via IEEE C37.118 Protocol
Ref- D.Novosel, 2008
23
Causas de Fallas
Fallas
“Iceberg de
Calidad del
Servicio”
Fallas Momentaneas
Sags, Swells, Spikes,
Armónicos
24
Confiabilidad y Calidad del Servicio Ejemplo Fallas por Frecuencia
Lightning
9%
Birds
4%
Improvements in the
Primary Network
3%
Protection System Failure
3%
Feeding Fault
3%
Vehicles
2%
OTHER CAUSES
9%
Opening Requested by the
Client
7%
Storms
4%
Equipment Failure in the
Primary Network
9%
Corrective Maintenance
10%
Vegetation
15%
Unknown Cause
22%
25
Fallas por duración FRECUENCIA DE FALLAS - CAUSAS EVITABLES
Falla Desconocida
49%
Vegetación
34%
Maniobra por Transferencia de Carga
1%
Falla de Mantenimiento - EMCALI
1%Error de Personal - EMCALI
2%
Falla de Equipo en Subestación
1%Mantenimiento Prev. Y Corr. Otros
Operadores
0%
Falla de Alimentación
6%
Falla del Sistema de Protecciones
6%
26
Las redes eléctricas en USA no han seguido los avances
tecnológicos
• Una mejora de la confiabilidad es una preocupación importante, en vista del impacto de “blackouts” recientes
• Los sistemas de control son antiguos, con capacidad limitada de automatización y de visualizar “toda la red”
• Poca información sobre las condiciones de los equipos de potencia limitando la inteligencia aplicable a la
gestión de activos
Source: KEMA research, Roger N. Anderson – Columbia University
Source: Roger N. Anderson Colombia Univ.
Sample SAIDI Values
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Leading
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Leading
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Source: Roger N. Anderson Colombia Univ.
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US Best Practices
EU Averages
Leading
Practices
27
Aumento Disponibilidad: MICRO-REDES
El sistema tendrá miles de microislas
Las microredes tendrán su propia
generación (AC-DC)
Las microredes se pueden
desconectar basadas en condición de
red o tarifa. Reconexión por decisión
del consumidor
Transición de generación a carga en
forma dinámica
Se requiere automatismos para
gestionar este tipo de red
Necesidad de coordinación central
ISLAS
1…..n
MICROREDES
INTERCONEXIONES
G L
29
Impacto del Modelo Flujos Bi-direccionales
– Sistemas de distribución en USA y en la mayor parte de
Latinoamérica se diseñan radiales
– Una buena parte de los sistemas de distribución no son
trifásicos
– El flujo bi-direccional combinado con redes malladas va a
impactar la planificación, protección y operación de la
distribución
– En Europa las redes de media tensión (20 – 25 kV) es
subterránea y también mallada
– Una mas alta confiabilidad se espera de estas mejoras pero
quien pagará este desarrollo?
30
Almacenamiento de Energía: Dependencia de la variable tiempo El análisis de los sistemas de potencia es
fundamentalmente dedicado al estado estacionario:
“fotografía instantánea” basada en potencia.
El almacenamiento de energía tiene implícita la
dependencia del tiempo: un nodo puede inyectar o
extraer energía dependiendo del tiempo y las
condiciones operativas
Decisiones en un momento en particular dependen
del tiempo: similar a un problema de despacho
El almacenamiento de energía puede tener
respuesta variable (pocos segundos a varias horas
tales como bombeo, baterías de PHEV, etc.)
Datos: Medición inteligente
USA
Muchos proyectos
La mayoría estará instalado
antes del 2017
UK Instalar la totalidad para el
2020
Francia
Etapa inicial de 300.000
contadores y en el 2012
instalar 35.000 diarios
Italia
Se proyectaba 1’600.000 para
el 2010. Se planea poner
tarifas “inteligentes”
España 13’.000.000 al 2015
Japón Se han instalado cerca de
1’000.000
33
La infraestructura eléctrica en USA envejece rápidamente y
requiere de remplazos y más mantenimiento
Promedio edad transformadores 30+ años
Promedio edad disyuntores 35+ años
La mayor construcción viene de los años
70
Source: KEMA research and analysis; “Implementing New Technology in an Aged Infrastructure: Case Study of Incremental
Automation”, Willard, S., Transmission & Distribution Construction, Operation and Live-Line Maintenance, 2006. ESMO 2006. IEEE
11th International Conference
Varios estudios indican que la tasa
de falla asociadas con nuevos
transformadores incremento de 1 a
3%; esta tasa es mayor para
equipo antiguo.
Energía Eólica: Una realidad!
40
Fuente GWEC.net
Además del valor total 160,000Mw en
2009 es importante su tasa de
crecimiento de +40 GW en ultimo año
Ejemplo: Desierto de Mojave
43
En operación 9 Plantas con capacidad 354 MW
Proyecto adicional
– 553 MW
– 1.2 Millones de espejos
– Fecha terminación 2011
Problemas asociados
Alta Variabilidad viento
tanto en proporción como
en tasa de cambio!
Mismo problema por la
alta variabilidad de la
energía solar.
Soluciones:
Almacenamiento de
energía + control de carga
del consumo
44
MW en Texas
46
Concepción de EPRI *
IECSA - Integrated energy and comunication system
architecture
IECSA promueve la integración de dos sistemas
– El sistema de potencia/energy
– El sistema de INFORMACION (comunicación, redes, e
inteligencia)
* Nota: Conceptos tomados de Integrated energy and comunication system architecture Vol I a III de EPRI
Distancia en la integración
Parte A Parte B
No hay estándares;
la integración es propia
Hay interfaces
para transformar
Existe un modelo
común
Existe un modelo definido “plug &play”
50
Arquitectura: Beneficios y Objetivos
La arquitectura IECSA architecture es un conjunto
de concepts de alto nivel usados para:
– Diseñar una arquitectura independiente de la tecnología
– Identificar y recomendar teconologías estandar y las
mejores prácticas
Tarea 2
Investigar la arquitectura IECSA de EPRI
(www.EPRI.COM)
– Cual es el propósito de la arquitectura?
– Cuales son sus elementos principales?
– Tome 3 ambientes de la arquitectura y analice ejemplos de
modelos, investigue casos de uso que se hayan
desarrollado al respecto
55
AGENDA S. Fecha Tema
1 Feb 24 Introducción Smart Grids (Parte I)
2 Mar 2 Introducción Smart Grids ( Parte II)
3 Mar 9 Integración de la información
4 Mar 16 Herramientas de modelado
5 Mar 23 Comunicaciones
6 Mar 30 Medición Fasorial Sincronizada con PMUs
7 Abr 13 Distribución y Medición de Energía
8 Abr 20 Generación Distribuida
9 Abr 27 Participación activa consumidor:
10 May 4 Soluciones tecnológicas
11 May 11 Smart Grid Maturity Model
12 May 18 Movilidad Eléctrica
13 May 25 Eficiencia Energética
14 Jun 1 Elementos de Mapa de Ruta
15 Jun 8 Escenarios de desarrollo
Organiza:
La segunda versión de este
Seminario en la Universidad
Nacional de Colombia tiene el
objetivo de generar espacios de
discusión sobre Redes Inteligentes
(Smart Grids), dar a conocer las
bases conceptuales y los avances
tecnológicos que hacen posible la
integración de los sistemas
eléctricos con los sistemas de
comunicaciones y promover la
participación de todos los actores
en el tema alrededor de grupos de
trabajo en las universidades
participantes. El seminario se dicta
con participación presencial y
virtual.
Lugar: Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá, Edificio
Ciencia y Tecnología 454, Salón 201.
Hora: 7 a 9 am
Responsable
Renato Céspedes
rhcespedesg@unal.edu.co
Aula Virtual: Para solicitar entrada (cupos limitados por la plataforma
tecnológica utilizada), envíe un email a: aaldanami@unal.edu.co.
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