Transmisión y Distribución
Smart Grids tecnología y tendencias: Integración con sistemas SCADA/EMS/DMS

De acuerdo con las nuevas tendencias mundiales para la reducción de emisiones de CO2 y los precios cada vez más elevados de los combustibles fósiles, así como las iniciativas de ahorros de energía y reducción de pérdidas en las compañías eléctricas han motivado al uso racional y eficiente de la energía.
Por otro lado los usuarios (consumidores) son cada vez más exigentes con la disponibilidad y confiabilidad en el suministro de energía eléctrica, de igual manera los códigos de red son cada vez más estrictos y penalizan las interrupciones de servicio. Estas dos situaciones han motivado que las empresas eléctricas realicen inversiones tecnológicas para mejorar su gestión y la prestación se servicio, la intención de las Redes Inteligentes (Smart Grids) es precisamente eso, realizar un uso eficiente, confiable y sostenible de la energía eléctrica.
Los principios de operación de una Red Inteligente son entre otros:

1) Auto recuperarse (detectar, analizar, responder y restaurar el servicio);
2) Empoderar e incorporar activamente al usuario (gestión de la demanda);
3) Ser tolerante a ataques de seguridad informática;
4) Incorporar una variedad de opciones de generación (sostenibles);
5) Habilitar e incentivar los mercados eléctricos;
6) Optimizar el uso de los activos y minimizar los costos de O&M mientras se mantiene la seguridad de operación de la red;
7) Incentivar la sostenibilidad y mejorar el medio ambiente;
8) Garantizar la confiabilidad en el suministro de energía.

La intención de las Redes Inteligentes (Smart Grids) es realizar un uso eficiente, confiable y sostenible de la energía eléctrica.

El propósito de este trabajo es presentar una perspectiva de que caracteriza a una Red Autosostenible (Smart Grid) y como se puede reconocer una de estas cuando se ha alcanzado esta fase. La discusión se centrará en la exploración de tecnologías y sistemas innovadores que se requieren para lograr esta nueva visión, así como explorar los aspectos regulatorios que se requieren para facilitar la instalación y desarrollo. La mayor preocupación es la disponibilidad del nivel de inversión que se precisa para transformar el sistema de potencia (distribución) en la visión que persiguen varias de las compañías eléctricas líderes en el mundo. En el lado del usuario se necesita asegurar que los beneficios se distribuyen entre los usuarios de manera eficiente y que logra que estos sean participantes claves de las redes inteligentes, a su vez las compañías eléctricas consideran el creciente número de oportunidades para cambiar la experiencia de los usuarios finales en la compra, gestión y consumo de su propia energía.
Finalmente con el fin de coordinar los esfuerzos en las redes inteligentes, se necesita realizar gestión a los obstáculos que se presentan para garantizar que la infraestructura de una red inteligente de verdad contribuye a mejorar los niveles de confiabilidad y disponibilidad de las redes de distribución, ayuda en el mejoramiento de los índices de cambio climático y lleva a cabo un crecimiento económico global encaminado hacia un “planeta más inteligente”..

La perspectiva global y las exigencias del mercado de energía eléctrica se centran en la Eficiencia Energética.

1- Introducción

La perspectiva global y las exigencias del mercado de energía eléctrica se centran en la Eficiencia Energética, es decir, con la creciente presión mundial en el precio de los combustibles fósiles y la polución causada por estos, junto con los aspectos ambientales y de calentamiento global demandan de nuevas tecnologías que se dirijan a mejorar la prestación del servicio de energía eléctrica mientras se preservan los recursos naturales.
La noción que se tiene de las redes centralizadas y controladas por un único proveedor está llegando a su fin. En sustitución la tendencia es contar con redes descentralizadas y que sean altamente eficientes, en la que se mezclan y coexisten diversas tecnologías digitales que se comunican unas con las otras por medios de redes de comunicaciones de alta velocidad con ancho de banda suficiente para permitir el control en tiempo real de fuentes de generación distribuidas localmente, con el fin de satisfacer la demanda de los clientes. Es así que la red inteligente se abre paso.
La definición de AREVA T&D para este concepto es: “la introducción de inteligencia en todos los componentes de bajo nivel de una red, de modo que ésta se adapte por sí sola a la demanda de energía”.
Entonces una red inteligente de energía eléctrica pudiera tener similaridad con las redes de telecomunicación y en particular con Internet, donde todos los computadores conectados se identifican por medio de una dirección IP (Internet Protocol), y las fuentes de energía distribuida (FED) no sólo son reservas de energía de emergencia sino que son una parte integral, interconectada, de la red. Al igual que en la Web, todas las FED estarán, en un futuro no muy lejano, identificadas. No obstante en la actualidad los sistemas de automatización en las subestaciones con los Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IEDs) son el primer paso hacia la modernización de las subestaciones y del control de la energía.

Una red inteligente de energía eléctrica puede tener similaridad con las redes de telecomunicación y en particular con Internet.


Los IEDs están en capacidad de intercambiar información con otros sistemas de nivel jerárquico superior (sistemas de control) y estos a su vez se comunican unos a otros para determinar el estado operativo de la red eléctrica. Los IEDs en las subestaciones son el primer paso hacia la interoperabilidad de la red porque estos dispositivos recolectan una gran cantidad de datos de la misma red. Los consumidores, operadores de redes de transmisión y distribución, los operadores de fuentes de generación, los dispositivos inteligentes y las aplicaciones interactuarán entre si mediante flujos de datos de alta velocidad. Se prevé que el resultado sea que el rendimiento y desempeño de las redes sea mejor dado que el suministro local coincidirá con la demanda local (con un margen de energía para atender demanda adicional en la medida que se necesite).

2- Tratamiento de la demanda

El concepto de respuesta a la demanda es lo que hace valiosas a las redes inteligentes, se desestima con ello la anterior filosofía de atención de la demanda con grandes plantas de generación térmica e hidráulica, la mayoría de las cuales se sobredimensionan para atender los picos de demanda, y que permanecen generando muy por debajo de su potencia nominal aguardando el momento en el que se produce el pico de demanda, esto produce en el caso particular de la generación térmica polución y contaminación a la par de que solo un tercio de la energía de los combustibles se convierte en energía eléctrica. La generación distribuida, en lugar de la generación centralizada en grandes centrales y plantas, acabará con la necesidad de reconstruir o renovar – a un costo elevado – las viejas plantas de generación. De igual manera, las redes inteligentes contribuirán a disipar la creciente preocupación pública sobre la conservación de la energía, el calentamiento global, los problemas de la ubicación de las centrales de generación y el carácter altamente contaminante de las plantas de generación térmica.
La intención es tener mayores beneficios medioambientales, dado que las tecnologías de redes inteligentes ayudarán a los operadores de generación, transmisión y distribución a aprovechar mucho mejor los activos que ya poseen.
Las redes inteligentes harán uso de datos en tiempo real que provienen de sensores instalados por toda la infraestructura eléctrica para monitorear la temperatura y la capacidad de las líneas de transmisión y ajustar los flujos de energía más cerca de los límites de operación sin violarlos, o reconfigurando los flujos para mantener las líneas en su estado óptimo de operación minimizando los riesgos de fallas por violaciones de límites que hoy en día se presentan.
Las redes automatizadas e inteligentes ayudarán mucho en la conservación de la energía adaptando la generación a los picos y valles de la demanda a medida que los usuarios compren y las centrales eléctricas produzcan la energía en un flujo optimizado. Para cubrir un pico de demanda la red podrá suplirse de energía que proviene de una fuente renovable intermitente, como la energía solar o la energía eólica a condición que tales recursos dependientes de variables climáticas, estén disponibles en un momento dado, en lugar de arrancar plantas de generación con combustibles fósiles (carbón, gas natural y otros).

Las redes automatizadas e inteligentes ayudarán mucho en la conservación de la energía adaptando la generación a los picos y valles de la demanda a medida que los usuarios compren y las centrales eléctricas produzcan la energía en un flujo optimizado.

La capacidad para aprovechar fuentes de energía renovables de pequeña escala que operan como parte de la red, como por ejemplo: edificios con paneles solares, baterías de autos híbridos y centrales de carbón limpio, convierte a las redes inteligentes en una respuesta factible y que hace frente a los temores de reducción de los recursos y a las emisiones de CO2. Asimismo, harán un uso más adecuado del calor generado para los edificios (en zonas donde la calefacción es necesaria) y para la industria (donde se necesita de vapor de agua para los procesos), el cual origina la mayor parte de las emisiones.
En particular las redes inteligentes conectarán fuentes de energía, grandes y pequeñas, centralizadas y distribuidas captarán energía solar, energía mareomotriz y energía eólica para combinarla con la generación hidráulica y de carbón limpio y de gas a gran escala.
No obstante la generación distribuida presenta implicaciones para las redes de Transmisión & Distribución, la distinción entre Transmisión gestionada por operadores en grandes centros de control y la Distribución enfocadas en el usuario final acabará por difuminarse, a medida que el despacho de energía por medio de centros de control de distribución a usuarios conectados a estas redes de distribución se convierta en la práctica habitual.

3- Tendencias de Smart Grids

3.1- Medidores Inteligentes

En el año 2005, la comisión europea lanzó la plataforma tecnológica SmartGrids para hacer realidad su propia visión de la red inteligente del año 2020. En Estados Unidos, GridWise Alliance, un consorcio de empresas sin ánimo de lucro creado en 2003, quiere también transformar los sistemas eléctricos por intermedio de tecnologías innovadoras.
Las empresas eléctricas en el mundo tienen previsto iniciar a desplegar infraestructura de medidores inteligentes a gran escala entre el 2010 y el 2015. Los medidores convencionales son la prueba más evidente de las limitaciones que hoy en día se presentan para las redes inteligentes. Los clientes y usuarios se limitan a pagar la factura prácticamente sin ningún conocimiento ni control sobre su uso de la electricidad.

Los medidores inteligentes registran los eventos, perfiles de carga y precios en la red y transmiten los datos e informaciones por medio de Internet o redes similares.

 La infraestructura avanzada de medición (AMI – Advanced Metering Infrastructure) cambia esa situación. Los medidores inteligentes registran los eventos, perfiles de carga y precios en la red y transmiten los datos e informaciones por medio de Internet o redes similares. Los clientes pueden comprobar el uso que han hecho de la electricidad y controlar su consumo. Con un sistema de medidores inteligentes, los usuarios indican la cantidad que están dispuestos a pagar en las facturas y el mismo sistema les indica cuanta electricidad pueden consumir. El sistema tiene en cuenta incluso los dispositivos que tienen un mayor consumo de electricidad, como la calefacción y los aires acondicionados y ajusta los termostatos como consecuencia. Un ejemplo de esto es la empresa italiana ENEL que ya ha instalado unos 30 millones de medidores desde el año 2001 para mejorar la emisión de facturas.
Hoy los medidores están diseñados de acuerdo con los estándares de las redes inteligentes incluso en poco tiempo los medidores permitirán a las instalaciones y edificios inteligentes elegir las opciones de electricidad más limpias que se encuentren en oferta.

3.2- Automatización de Subestaciones (SAS) y Automatización de la Distribución (DA)

La intención de los sistemas SAS y los Sistemas DA es el mejoramiento de la eficiencia operacional por intermedio de la aplicación de IEDs para monitorear, supervisar, medir, coordinar y operar de manera remota bancos de condensadores, dispositivos de corte (reconectadores) y equipos de subestación.
La operación de las redes de distribución afecta directamente al servicio que reciben los clientes finales y el uso que se hace de la energía, por medio de los sistemas de automatización se pueden recopilar los datos directamente desde los dispositivos de campo, dichos datos se llevan a sistemas de control jerárquicos que realizan el procesamiento de los datos convirtiéndolos en información que resulta útil para conocer el estado de la red en un momento dado y de esa manera decidir si se requiere contar con más o menos suministro de energía desde las fuentes de generación.

3.3- Redes de telecomunicación

Con el fin de soportar las crecientes tecnologías de automatización en las subestaciones (SAS), redes de distribución (DA) y usuarios (AMI) se requieren de redes y enlaces de telecomunicaciones cada vez más rápidos, flexibles y confiables.
Es así que las redes de telecomunicación se consideran de misión crítica para el transporte de datos de misión no crítica, es decir la red de telecomunicación debe contar con una alta disponibilidad mayor al 98% con el fin de garantizar que los datos desde los dispositivos de campo se transportan en el momento en que se requieren. Es así que las redes de telecomunicaciones por fibra óptica cuentan con sistemas de respaldo inalámbricos (sistemas de radio punto-a-punto o punto multipunto, sistemas WiFi o WiMax, Microondas, Enlaces Satelitales, etc.) con el fin de garantizar la disponibilidad y confiabilidad de la red.
La tendencia es contar con redes IP para el transporte de los datos por su ubicuidad y su relativo bajo costo, sin embargo este tipo de redes puede presentar colisiones y congestión en momentos en los que se presentan avalancha de datos, es aquí donde las redes de telecomunicaciones tienen el reto de ser lo suficientemente inteligente para permitir la priorización de los datos importantes (por ejemplo datos de tiempo real) y retardar el envío de los datos menos importantes (por ejemplo datos no operativos como los diagramas de oscilografía).

La tendencia es contar con redes IP para el transporte de los datos por su ubicuidad y su relativo bajo costo.

4- Conclusiones

Las redes inteligentes son la convergencia de datos e información junto con tecnologías de operación aplicada a las redes eléctricas que permiten el desarrollo de opciones sostenibles para los clientes y el mejoramiento en la seguridad, confiabilidad y eficiencia para las empresas eléctricas.
Permite a los clientes tomar decisiones sostenibles en el uso racional y eficiente de la energía y más allá satisfacer a los reguladores de mercado e inversionistas en tecnologías para brindar tasas de retorno de la inversión atractivas.
Las redes de telecomunicación son la columna vertebral por medio de la cual se transportan los datos operacionales y no operacionales y de estas depende en gran medida el éxito del desarrollo de las tecnologías de Smart Grids.



Este trabajo fue presentado en el XIII ERIAC - Décimo Tercer Encuentro regional iberoamericano de CIGRÉ (Centro de Investigación de Grandes Redes Eléctricas)
El “Encuentro Regional Iberoamericano de Cigré”, abreviadamente denominado “ERIAC”, es el Seminario internacional de Cigré más importante de la “Región Iberoamericana de Cigré” (“RIAC”).
Desde el año 1987, se realiza cada dos años en el área de Iguazú, en el que nació en el año 1986 como “Encuentro Regional Latinoamericano de la Cigré” (“ERLAC”).

Los autores

Sérgio Fujii: Nació el Mayo 25 de 1964 en Maringá, Estado de Paraná, Brasil. Graduado como Ingeniero Eléctrico con énfasis en Sistemas de Potencia en 1987 de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo. Trabaja en AREVA T&D desde hace más de 20 años. En la actualidad se desempeña como Gerente de Ventas para Latinoamérica de soluciones SCADA/EMS/DMS de la División Network Management Solutions (NMS).

William Mendoza Romero: Nació el 2 de Noviembre de 1973 en Bogotá, Colombia. Graduado como Ingeniero Electricista de la Universidad Nacional de Colombia y con estudios de Maestría en Automatización Industrial de la Universidad Nacional de Colombia y Especialización en Gestión Financiera en la Universidad Sergio Arboleda de Colombia. Trabaja en AREVA T&D desde Julio de 2008 como Supervisor de Ventas de soluciones SCADA/EMS/DMS de la División Network Management Solutions (NMS).



Glosario

SCADA: (Supervisory Control And Data Adquisition o Adquisición de datos y control de supervisión) Es una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre computadoras en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, PLC, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del computador. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.
En este tipo de sistemas usualmente existe una computadora principal, que efectúa tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de procesos. La comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos.
El conjunto de software y hardware utilizado para este propossito se denomina en general sistema SCADA.

EMS: (Energy Management System o Sistema de administración de energía) Las aplicaciones EMS brindan a los operadores de los centros de control de sistemas eléctricos información sobre el estado de funcionamiento de la red eléctrica, que complementan la información disponible en los centros de control a través del sistema de telemedición del SCADA.

DMS: (Distribution Management System o Sistema de distribución de energía) es un software para la gestión técnica de las redes de distribución de electricidad. El objetivo principal del programa es el análisis del estado de la red, basado en de supervisión tipo SCADA. Pero si no está disponible tal sistema, DMS funciona adoptando las estimaciones de carga obtenidas por otras fuentes, para estudiar el comportamiento de la red.

AMR: (Automatic Meter Reading o Lectura automática de medidores) es un sistema que permite recopilar y analizar automáticamente datos de dispositivos como medidores de gas, electricidad o agua y comunicar esos datos por medio de una red a su sistema comercial.

AMI: (Advanced Metering Infrastructure o Infraestructura avanzada de medición) Una red AMI integra equipamientos de medición (basados en redes fiables de comunicaciones bidireccionales y adaptables) y sistemas que hacen posible el registro, lectura y tratamiento de un amplio conjunto de medidas de energía y de calidad de la red. Cuando está debidamente integrada con los sistemas comerciales y técnicos, la plataforma AMI constituye uno de los principales pilares de una Smart Grid.

Las redes inteligentes son la convergencia de datos e información junto con tecnologías de operación aplicada a las redes eléctricas que permiten el desarrollo de opciones sostenibles para los clientes y el mejoramiento en la seguridad, confiabilidad y eficiencia para las empresas eléctricas.

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