Redes Inteligentes para un Futuro Sostenible (II)

Redes Inteligentes para un Futuro Sostenible (II)

Renato Céspedes

[email protected]

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!!

5

Prof. Saifur Rahman, Virginia Tech

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

Las Smart Grids permiten pasar de la ¨Dimensión¨ analoga a la digital en el negocio eléctrico

8

Temario

Problemas y Soluciones del sistema eléctrico

– Blackouts

– Distribución

– Envejecimiento

– Eficiencia

Tendencias Arquitecturas

9

Que problemas podemos solucionar

con Smart Grids: Encuesta

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

Problemas y Soluciones: Blackouts

El Problema Operativo a Gran Escala: Blackouts

Sev

erid

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iste

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inu

to)

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

-100

-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

tive P

ha

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ng

le

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

He

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Análisis de

Contingencia

Otras

Aplicaciones

en Tiempo

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Estimador

de Estado

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Herramientas de Apoyo y Mantenimiento

Datos en

Tiempo Real

- Telemetría

- Enlaces de

datos

Sis

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Unidades de

Medición

Fasorial(PMU)

Wide Area Situational Awareness

Example of Situational Awareness

Ref- D.Novosel, 2008

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

Problemas y Soluciones: Distribución

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

0

20

40

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100

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Leading

Practices

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Leading

Practices

Source: Roger N. Anderson Colombia Univ.

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US Averages

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

28

Incorporación de micro-áreas

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

Problemas y Soluciones: Envejecimiento

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.

34

Elementos Constitutivos

Problemas y Soluciones: Eficiencia

Uso de la Energía caso Colombiano

36

El sistema Eléctrico convencional como “conversor”de energía

37

Transformación de sistemas de Potencia a sistemas de Energía

38

+ GESTION DE LA DEMANDA

TENDENCIAS

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

Energía Solar

Source EPIA

Potencial no tan desarrollado

pero con crecimiento acelerado

41

Ejemplo: Estación Lerther-Alemania

42

1440 modulos

Área 3311 m2

274.000 KWh 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

Arquitectura

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

47

Objetivo: integración

48

Base de la Solución: Modelos y estándares

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

51

Arquitectura independiente de la Tecnología

52

Architecture Elements de EPRI

“Ambientes” (Environments) de EPRI

53

Ejemplo Caso de Subestación - EPRI

54

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

[email protected]

Aula Virtual: Para solicitar entrada (cupos limitados por la plataforma

tecnológica utilizada), envíe un email a: [email protected].

Preguntas??

Donde obtener mas información:

www.colombiainteligente.com.co