PAPER IMPLEMENTACIÓN DE SMART GRIDS EN ENTORNOS RURALES

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1 Title IMPLEMENTACIÓN DE SMART GRIDS EN ENTORNOS RURALES Registration Nº: (Abstract) 3 Authors of the paper Name Country Fernando Castro ZIV Communications S.A. (España) f.castro@ziv.es Ramon Gallart Estabanell Energía S.A. (España) Rgallart@estabanell.cat Santi Martínez Estabanell Energía S.A. (España) Smartinez@estabanell.cat Andreas Sumper Universitat Politécnica de Catalunya (España) Andreas.sumper@gmail.com Volker Brühner Kisters AG (Alemania) volker.buehner@kisters.de Steve Channon CG Power Systems Ltd (Irlanda) steve.channon@cgglobal.com Thaddaeus Muller Stadtwerke Rosenheim Netze GMBH (Alemania) Thaddaeus.Mueller@swro.de Bernt A. Bremdal Smart Innovation Ostfold AS (Noruega) bernt@xalience.com Jordi Soler Xarxa Oberta Catalunya S.A. (España) jsoler@xarxaoberta.cat Key words Smart Grid, PLC, Power Router, Virtual Power Plant, Comisión Europea RESUMEN Los nuevos conceptos de distribución de energía eléctrica, basados en generación distribuida, papel activo del consumidor, vehículo eléctrico, etc., se han centrado hasta la fecha en entornos urbanos. Sin embargo se da la circunstancia de que en Europa, por ejemplo, más del 50% de la población vive en zonas estadísticamente consideradas como rurales o semi-rurales, con redes de distribución de características específicas y que requieren de una implementación de Smart Grids conceptual y tecnológicamente distintas. Este paper describe las tecnologías que se van a desarrollar en el proyecto Smart Rural Grid para la implementación de Smart Grids en entornos rurales. Este proyecto ha sido subvencionado por el 7º Programa Marco para la Investigación, Desarrollo Tecnológico y Demostración de la Unión Europea bajo contrato / 6

2 INTRODUCCIÓN Las redes de distribución de energía eléctrica desplegadas en redes rurales tienen una configuración totalmente distinta de las desplegadas en entornos urbanos, lo que conduce a diferencias en prestaciones, calidad de servicio y a su potencial para acomodar fuentes de generación distribuida locales. Las redes de distribución urbana tienen tradicionalmente una configuración basada en anillos o anillos conectados entre sí, ofreciendo por su propio diseño la existencia de caminos alternativos. Las ventajas de este enfoque son múltiples; - Se dispone de la posibilidad de reconfigurar la red de forma dinámica en el tiempo para asegurar el suministro en caso de necesidad - Mayor facilidad de mantenimiento (accesibilidad a los centros de transformación) - Habitualmente las distancias entre centros de transformación son menores - El volumen de energía transportado es mayor en comparación con el caso rural Todo ello redunda en una mejora de la calidad del suministro ofrecida al consumidor y en menores costes de mantenimiento unitarios. Las redes de distribución de entornos rurales, por el contrario, tienen las siguientes características (figura 1); - Suelen tener topología radial, siguiendo una estructura en forma de árbol en la que la energía procedente de una determinada fuente se propaga de forma radial a niveles de tensión progresivamente inferiores hasta que llega a los consumidores finales, domésticos o comerciales - Esta topología no ofrece caminos de distribución alternativos y reduce enormemente la posibilidad de realizar reconfiguraciones dinámicas de la red si fuesen necesarios - La implementación de nuevas infraestructuras en zonas rurales queda afectada además por el impacto medioambiental, que no es despreciable y que reduce significativamente las posibilidades de obtener permisos de las autoridades locales para realizar nuevos tendidos eléctricos - El desarrollo de infraestructuras de telecomunicaciones también queda condicionado por la densidad de población en el área en la que se desea proporcionar servicio. En zonas rurales la densidad de población es reducida y con frecuencia el servicio de telecomunicaciones públicas se limita a una única operadora, con la consiguiente falta de competencia entre operadores y que a su vez conduce a niveles de innovación reducidos en estas áreas rurales - Las velocidades de transmisión suelen quedar condicionadas por las características geográficas de la zona; suele haber poca o ninguna infraestructura de fibra óptica, y en zonas montañosas la cobertura radio es problemática URBAN RURAL vs. Figura 1: redes de distribución urbanas y rurales 2 / 6

3 Este artículo describe las tecnologías escogidas para implementar una Smart Grid en un entorno de distribución rural, teniendo en cuenta las restricciones mencionadas. Se describen tecnologías de comunicaciones PLC y se introduce el concepto de Intelligent Distribution Power Router como medios para mejorar la calidad del servicio ofrecido. LA MIGRACIÓN HACIA UNA SMART GRID RURAL Para realizar la migración hacia una Smart Grid Rural es necesario dotar a la red de un nivel de inteligencia de red superior al existente. Ello permitirá evitar costosas inversiones, tanto en términos monetarios como en términos medioambientales, y tendrá además un fuerte impacto social, pues evitará la creación de una hipotética segunda fractura digital, la derivada de la existencia de consumidores con una gestión eficiente de la energía y consumidores sin Smart Grids. La implementación de las redes de comunicaciones adecuadas, algoritmos de predicción, gestión y control permitirá la operación de las redes rurales en modo de redundancia, y puede incluso conducir a nuevos enfoques a nivel de mercado. Para ello el Proyecto Smart Rural Grids se ha marcado los siguientes objetivos; - El desarrollo de un Intelligent Distribution Power Router (IDPR) que incluya almacenamiento de energía y que permita el encaminamiento de flujos de energía y facilite, llegado el caso, el funcionamiento de la red en modo isla - El desarrollo de una nueva tecnología de comunicaciones PLC sobre redes de distribución que permita alcanzar distancias de hasta 10 a 15 Km. y velocidades de hasta 600 Kb/s, con el grado de robustez y de calidad de servicio (latencia, BER, etc.) adecuados para soportar aplicaciones de Smart Grids. Esta combinación de velocidades y distancias es mucho más adecuada para el entorno rural que las tecnologías ya existentes, diseñadas para el entorno urbano y que por tanto ponen más énfasis en la capacidad que en la distancia. - El desarrollo de una red de comunicaciones en zonas rurales, combinando soportes propios y compartidos, y que permita la interconexión de los Intelligent Distribution Power Routers entre ellos, con los consumidores y con el centro de control - El desarrollo de un sistema de gestión de energía, incluyendo el sistema de encaminamiento de los flujos de energía, que gestione y coordine los diferentes IDPR y los sistemas de generación distribuida, energía procedente de fuentes renovables, CHP, etc. en condiciones de funcionamiento normales y de emergencia - La integración de todas estas soluciones en una plataforma - La demostración de los resultados obtenidos en dos distribuidoras rurales, para comprobar la viabilidad técnica y económica de los resultados obtenidos IMPACTO El impacto que se espera conseguir en la eficiencia de la distribución es el siguiente; - Gracias al uso de los IDPR se espera reducir en un 50% las pérdidas por el desequilibrio de carga durante la distribución de la energía. En la red de Estabanell Energía, por ejemplo, ello significa reducir estas pérdidas de un 3,83% a un 1,91% de la energía generada. Si extrapolamos estas cifras al conjunto de las distribuidoras europeas ello significa una reducción de las pérdidas de 3,69 GWh, un nivel comparable al consumo de Dinamarca - En la actualidad se produce un 2% de pérdidas en el transporte de la energía propiamente dicho más un 1% adicional en la transformación de los distintos niveles de tensión. Con las tecnologías desarrolladas en este proyecto se facilitará la producción y consumos locales y se espera, por tanto, una reducción del 3% 3 / 6

4 de la diferencia entre energía producida y energía consumida, por cada KWh producido y consumido localmente - Se espera además un aumento de las fuentes de energía renovables y plantas CHP conectadas a la red. En la zona de pruebas del proyecto se estima que este aumento será de un 5% anual INTELLIGENT DISTRIBUTION POWER ROUTER El Intelligent Distribution Power Router, desarrollado por la Universitat Politécnica de Catalunya, es un dispositivo localizado en la subestación secundaria que tiene la funcionalidad de controlar un flujo de energía bidireccional y la capacidad de gestionar almacenamiento local (figura 2). Gracias a estas dos funcionalidades principales el power router juega un papel vital en la consecución de los objetivos del proyecto; - El almacenamiento local y posterior suministro evita también la circulación, transporte y transformación innecesarias de energía, reduciendo las pérdidas técnicas - Su característica de funcionamiento en red, comunicándose con otros power routers, facilita la negociación de suministro de energía entre virtual power plants, reduciendo también la necesidad de transporte de energía y contribuyendo así a la reducción de las pérdidas por transporte y transformación y facilitando la creación de nuevos modelos de negocio El power router incluye estrategias de control avanzadas que faciliten una optimización de funcionamiento en modo autónomo e integrará además las comunicaciones con el centro de control y los productores/consumidores (prosumers). Este dispositivo estará situado en los centros de transformación (subestaciones secundarias). - Gestiona el almacenamiento local de energía y su posterior suministro a los consumidores cuando la red no pueda suministra la energía. Es decir, proporciona una redundancia virtual si la red no está en condiciones de funcionar adecuadamente Figura 2: Intelligent Distribution Power Router 4 / 6

5 COMUNICACIONES PLC Las tecnologías de comunicaciones PLC existentes hasta la fecha ponen el énfasis en la capacidad más que en la distancia. Es habitual hablar, por ejemplo, de capacidades de 200 Mb/s a distancias de centenares de metros, tecnologías utilizadas en la implementación de Smart Grids urbanas, o incluso de velocidades de Gb/s en entornos de Home Area Networks, donde las distancias son de decenas de metros. Esta relación inversamente proporcional entre capacidad y distancia viene predicha por el denominado Límite de Shannon, que indica que a mayor velocidad de transmisión por ancho de banda (la denominada capacidad del canal ), mayor relación señal/ruido será necesaria para poder transmitir; Rb = Bw * log2 (1+S/N) (1) En entornos rurales la situación es diametralmente opuesta. Las distancias son mucho mayores, del orden de 10 a 15 Km., y los volúmenes de información, proporcionales al número de consumidores y de centros de transformación, son espectacularmente menores. Por ello es más adecuado diseñar un nuevo sistema de PLC que ponga énfasis en la robustez frente a las degradaciones del canal, consiguiendo así mayor distancia geográfica, respetando sin embargo una capacidad de transmisión mínima para un funcionamiento satisfactorio de los IDPR. El diseño de este nuevo sistema es responsabilidad de ZIV Communications. Un aspecto fundamental en el diseño de este nuevo sistema PLC es el control de interferencias (figura 3), tanto desde el punto de vista de robustez frente a interferencias externas como de la posible emisión de interferencias y su impacto en sistemas terceros. Por este motivo se utilizarán técnicas especiales de modulación y conformado de pulsos, así como controles dinámicos de potencia. Además el sistema es robusto frente a las habituales distorsiones de amplitud y de retardo de grupo que tiene la respuesta frecuencial del canal y que se pueden ver acentuadas por las mayores distancias características de los entornos rurales. El sistema dispone además de técnicas de detección y control de errores y de capas MAC adecuadas para gestionar la construcción de una red de comunicaciones, como contraposición a los enlaces aislados. Figura 3: presencia de tonos interferentes en comunicaciones PLC 5 / 6

6 ESCENARIO DE PRUEBAS Las pruebas se desarrollarán por espacio de 24 meses en las redes de distribución de Estabanell Energía (España) y Stadtwerke Rosenheim (Alemania). La figura 4 muestra la zona rural escogida por Estabanell Energía, en la localidad de Vallfogona de Ripollès, donde se observan distancias entre centros de transformación de 500 metros a 3 Km. Se muestran además los centros de transformación, las distancias geográficas entre centros y el número de consumidores por cada centro. Es de destacar la predisposición favorable de los consumidores y productores de la zona a participar en las pruebas del nuevo sistema. CONCLUSIONES La funcionalidad del Intelligent Distribution Power Router, soportada por una nueva tecnología de comunicaciones PLC y los algoritmos de predicción, gestión y control de red, desarrollados por Kisters AG, permitirán la implementación de redes de distribución tipo Smart Grids en entornos rurales, proporcionando suministro local y dotando así de redundancia virtual a la red y permitiendo una reducción de las pérdidas de transporte y transformación al evitar la circulación innecesaria de energía por la red. La producción y consumo locales conducirán además a la creación de nuevos modelos de negocio alrededor de las denominadas Virtual Power Plants. Sub station Name Power installed kva No. of customers Total Length LV (m) Average LV length (m) SS 10 VERGER ,74 220,57 SS 676 CAN CORS ,73 391,57 SS 730 PLANALLONGA ,13 225,56 SS 734 NOU PIELLA ,84 429,61 SS 834 NOVA POBLACIÓ ,3 25,27 SS 840 CAL SIBAT ,36 85,84 SS 915 MUNTADA ,53 237,81 SS 917 COOPERATIVA ,68 121,73 SS 918 MANXA ,37 164,25 SS 926 CAN BOLET ,9 229,14 SS 927 LA BAUMA ,71 725,71 SS 928 LES ARTIGUES ,65,69 336,42 SS 938 DEPURADORA ,31 205,31 PS 1007 MAJOR TOTAL Figura 4: escenario de pruebas en Estabanell Energía AGRADECIMIENTO This project has received funding from the European Union s Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration under grant agreement no Este proyecto ha recibido una subvención del 7º Programa Marco para la Investigación, Desarrollo Tecnológico y Demostración de la Unión Europea bajo contrato número / 6