EVOLUCIÓN DE LAS REDES ELÉCTRICAS HACIA SMART GRID EN PAÍSES DE LA REGIÓN ANDINA

Transcripción

1 EVOLUCIÓN DE LAS REDES ELÉCTRICAS HACIA SMART GRID EN PAÍSES DE LA REGIÓN ANDINA Ing. Arturo Peralta S. MTM. Estudiante del Doctorado en Ingenierías Universidad Pontificia Bolivariana Docente Agregado Universidad Politécnica Salesiana

2 AGENDA: INTRODUCCIÓN. SITUACIÓN ACTUAL DE UN SEP. VISIÓN HACIA UNA RED INTELIGENTE (SG). COMPONENTES DE UNA SMART GRID. VISIÓN MEDIANTE CAPAS DE EVENTOS TEMPORALES EN LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA SMART GRID. SMART GRID ECUADOR. 2

3 INTRODUCCIÓN Actualmente se observa un gran interés de la sociedad por la protección del medio ambiente, la conservación de la energía y por un desarrollo sostenible. En este sentido, países y organizaciones como Estados Unidos y la Unión Europea, han desarrollado un plan para construir una red de distribución de energía eléctrica (Smart-Grid, SG) que sea: Flexible Limpia Segura Confiable y Económica. 3

4 INTRODUCCIÓN World Consumption U.S. (50 States) Canada Europe Japan Other OECD m i l l i o n b a r r e l s p e r 5.00 d a y 0.00 Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov time Consumo mundial de combustibles fósiles, FUENTE: EIA OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) 4

5 INTRODUCCIÓN m i l l i o n b a r r e l s World Supply U.S. (50 States) Canada Mexico OPEC China p e r d a y 0.00 Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov time Producción mundial de combustibles fósiles, FUENTE: EIA OPEC (Organization of Petroleum Exporting Countries) 5

6 INTRODUCCIÓN Electricity: Supply - Consumption b i l l i o n k i l o w a t t h o u r s p e r d a y Total Supply Total Consumption Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov time Producción y consumo en USA de energía eléctrica, FUENTE: EIA 6

7 INTRODUCCIÓN Electricity Prices: Residential, Commercial and Industrial Sectors Residential Sector Commercial Sector Industrial Sector c12.00 e n t s p e r k i l o w a t t h o u r Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov Jan Mar May Jul Sep Nov time Precios de la energía eléctrica en los sectores Residencial, Comercial e Industrial en USA, FUENTE: EIA 7

8 INTRODUCCIÓN GENERACIÓN - ECUADOR FUENTE: CELEC 8

9 INTRODUCCIÓN INCREMENTO DE LA GENERACIÓN ECUADOR MW Hidro MW Hidro MW Eólico MW Hidro MW Geotérm ico 2020 COCA CODO 1500 MW FUENTE: CELEC 9

10 SITUACIÓN ACTUAL DE UN S.E.P. Países de la Región Andina de Sur América como son el caso de Colombia, Ecuador, Perú, Bolivia, Chile y Argentina, tienen un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) en una estructura totalmente centralizada. Esta estructura interconecta mediante anillos o barras a diferentes Centrales de Generación que aportan desde cientos de Megavatios (MW) hasta algunos Gigavatios (GW) FUENTE: A. Peralta Sevilla & F. Amaya Fernández (2013) 10

11 INGENIERÍA ELÉCTRICA 3 ENCUENTRO GRADUADOS - EXALUMNOS SITUACIÓN ACTUAL DE UN S.E.P. Líneas de Transmisión ECUADOR 2015 FUENTE: CELEC 11

12 SITUACIÓN ACTUAL DE UN S.E.P. Para mejorar la calidad en la prestación del servicio en el sistema eléctrico, entes reguladores en diferentes países impulsaron la adición de una red de comunicaciones a la estructura SEP para mejorar el monitoreo y control del sistema, principalmente en las etapas de generación y transmisión. Esta mejora no implicó cambios en la estructura del SEP. La red de comunicaciones emplea SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), una arquitectura de comunicación centralizada en configuración jerárquica maestro esclavo. El diagrama esquemático para este sistema de comunicación se presenta en la figura a la derecha. Aunque SCADA permite automatizar algunos procesos en el sistema, no admite la interacción con los usuarios finales, ya que la operatividad de los sistemas SCADA actuales no se extiende más allá de las subestaciones que se enlazan con las empresas de distribución. FUENTE: A. Peralta Sevilla & F. Amaya Fernández (2013) 12

13 VISIÓN HACIA UNA RED INTELIGENTE (SG) No hay una definición formal para indicar el significado de Smart Grid o Red Inteligente, pero en términos generales se puede decir que es la convergencia de avances y desarrollos tecnológicos (Tecnologías de la Información y Comunicación ICT) que ayudan a modernizar la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica, optimizando la operación del sistema FUENTE: A. Peralta Sevilla & F. Amaya Fernández (2013) 13

14 VISIÓN HACIA UNA RED INTELIGENTE (SG) Smart Grid facilita la prevención y reducción de fallas en los equipos, incluyendo las fallas por errores humanos. Además, permite optimizar la capacidad instalada y automatizar los programas de mantenimiento. Adicionalmente, ayuda a reducir las pérdidas en la trasmisión y distribución de energía al implementar generación distribuida y hace más eficiente el consumo por parte de los usuarios FUENTE: A. Peralta Sevilla & F. Amaya Fernández (2013) 14

15 VISIÓN HACIA UNA RED INTELIGENTE (SG) Las siguientes son algunas de las características que Smart Grid brindaría al sistema eléctrico: Escalabilidad: eficiencia y rapidez en la respuesta a la demanda dinámica, ofreciendo la flexibilidad de reconfigurar y redireccionar los flujos de potencia. Confiabilidad: disponibilidad de los recursos relacionados con la gestión, monitoreo, operación y control del sistema. Confiabilidad en la respuesta del sistema y en los esquemas de tarifación. Seguridad energética: permitiría integrar fuentes de energía renovable (Solar, Eólica, Biomasa) y disponer de almacenamiento de la energía cuando existan problemas en el suministro de energía desde las fuentes tradicionales. Sustentabilidad: uso y distribución adecuada y eficiente, mediante fuentes de energía amigables con el medioambiente. Competitividad: eficiencia en el consumo energético, reduciendo los costos, ofreciendo la posibilidad de la venta de energía a otros países. FUENTE: A. Peralta Sevilla & F. Amaya Fernández (2013) 15

16 COMPONENTES DE UNA SMART GRID GENERACIÓN DISTRIBUIDA SMART GRID MICROREDES MICRORED CON FUENTE DE RESPALDO MEDIANTE PANELES SOLARES MICRORED DE BARRIO CON RESPALDO DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MEDIANTE BATERÍAS Y PANELES SOLARES EN LAS CUBIERTAS DE CADA VIVIENDA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CONECTADOS FUENTES DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA EN HORAS PICO MICRORED AISLADA DEL SISTEMA POR FALLA DEBIDA A DISTURBIOS ATMOSFÉRICOS GESTIÓN Y RESPUESTA A LA DEMANDA DINÁMICA, CONTROL A FLUCTUACIONES EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA SENSOR CON EQUIPO DE CAMPO AÍSLA EN CASO DE FALLAS FUENTE EÓLICA DE ENERGÍA RENOVABLE PLANTA INDUSTRIAL CON RESPALDO DE ENERGÍA OFICINA CENTRAL DE DISTRIBUCIÓN Y PROCESAMIENTO CENTRAL GENERADORA DE ENERGÍA ELÉCTRICA DOS VÍAS FLUJO DE INFORMACIÓN Y FLUJO DE ENERGÍA Generación Distribuida Mediante Microredes, FUENTE: A. Peralta Sevilla & F. Amaya Fernández (2013) 16

17 COMPONENTES DE UNA SMART GRID VEHÍCULOS ELÉCTRICOS-HÍBRIDOS PROGRESIÓN DE LA INTERACCIÓN PEV RED ELÉCTRICA Interacción entre PEV Flujo de Energía PEV Red 1ª Generación R-V Comunicación mediante la red de telefonía celular Programación manual de intervalos de carga 2ª Generación R-V Información en tiempo real de emisiones de CO2 y costos de la energía Programación inteligente de la carga. 3ª Generación R-V y V-L R-V y V-R básico El PVE puede proveer energía a una o varias cargas aisladas o a todo el hogar a través de un interruptor coordinado localmente. La generación local puede almacenarse en la batería del vehículo y entregarse a la red eléctrica. 4ª Generación R-V y V-R El PVE es una fuente de energía auxiliar y puede ser empleado por la red eléctrica como fuente de almacenamiento distribuido. Fuente: Tuttle & Baldick (2012) 17

18 COMPONENTES DE UNA SMART GRID VEHÍCULOS ELÉCTRICOS-HÍBRIDOS Proyección de PHEVs en las carreteras de Estados Unidos. FUENTE: NAP (National Academies Press). 18

19 COMPONENTES DE UNA SMART GRID INFRAESTRUCTURA DE MEDICIÓN AVANZADA ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES SG HAN PAN Smart Meter Concentrador Centro de Operación Distribuida MAN Centro de Operación Distribuida CIS OMS Centro de Operación Central MDMS SCADA ADR FA DMS GIS Centro de Operación Distribuida Centro de Operación Distribuida WAN NAN Arquitectura de red totalmente distribuida. Para Sistemas AMI NAN ZIGBEE o PLC o WiFi WAN 4G:LTE/GSM o WiMAX o HFC o DSL MAN PON IP MPLS WAN 4G:LTE/GSM o WiMAX o HFC o DSL NAN ZIGBEE o PLC o WiFi FUENTE: Peralta Sevilla, Amaya Fernández (2013) 19

20 COMPONENTES DE UNA SMART GRID INFRAESTRUCTURA DE MEDICIÓN AVANZADA ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES SG COMUNIDAD 1 COMUNIDAD 2 NAN REDES MULTI HOP COMUNIDAD 3 COMUNIDAD 4 DAU MDMS Transmisión Cooperativa, Recolección Datos Medidos FUENTE: A. Peralta Sevilla & F. Amaya Fernández (2013) 20

21 COMPONENTES DE UNA SMART GRID INFRAESTRUCTURA DE MEDICIÓN AVANZADA ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES SG Infraestructura AMI - CDMA para zonas rurales FUENTE: E. Inga Ortega (2013) 21

22 COMPONENTES DE UNA SMART GRID INFRAESTRUCTURA DE MEDICIÓN AVANZADA ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES SG Infraestructura AMI - GPRS para zonas urbanas FUENTE: E. Inga Ortega (2013) 22

23 COMPONENTES DE UNA SMART GRID ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES SG POSIBLES TOPOLOGÍAS Y ESCENARIOS DE RED AMI Head-end Energy Services Interface (ESI) WAN Collector Collector AMI Head-end Collector WAN Collector Collector Relay ESI ESI Collector NAN ESI ESI Relay NAN ESI ESI ESI ESI ESI ESI ESI ESI NAN Topología de Árbol (Tree) NAN Topología en Malla (Mesh) Posibles Topologías en NAN 23

24 COMPONENTES DE UNA SMART GRID ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES SG POSIBLES TOPOLOGÍAS Y ESCENARIOS DE RED WAN (Utility) + NAN (Utility) WAN (Telecom) + NAN (Utility) WAN (Telecom) Without HAN Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 With HAN Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6 Configuración de Escenarios Posibles para la Red de Una Smart Grid 24

25 COMPONENTES DE UNA SMART GRID ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES SG POSIBLES TOPOLOGÍAS Y ESCENARIOS DE RED (Scenario 1) Customer Doomain WAN(Utility) NAN(Utility) Device Home (without HAN) (Scenario 2) Customer Domain WAN(Telecom) NAN(Utility) Device Home (without HAN) (Scenario 3) Customer Domain Transport Network WAN(Telecom) Access Network Device Home (without HAN) Escenarios Sin HAN 25

26 COMPONENTES DE UNA SMART GRID ARQUITECTURA DE COMUNICACIONES SG POSIBLES TOPOLOGÍAS Y ESCENARIOS DE RED (Scenario 4) WAN(Utility) NAN(Utility) GW Customer Domain appliance HAN (Scenario 5) WAN(Telecom) NAN(Utility) Customer Domain appliance HAN GW (Scenario 6) WAN(Telecom) Transport Network Access Network Escenarios Con HAN Customer Domain GW appliance HAN 26

27 COMPONENTES DE UNA SMART GRID SISTEMA DE GESTIÓN DE LA DEMANDA (DMS) SG Operación óptima para gestión de la energía residencial FUENTE: E. Inga Ortega (2013) 27

28 COMPONENTES DE UNA SMART GRID UNIDADES DE MEDICIÓN FASORIAL (PMU) SG Una técnica para realizar mediciones en el sistema eléctrico se conoce como Unidad de Medición Fasorial (PMU), que utiliza el concepto de Sincrofasores. Con esta técnica se realizan medidas sincronizadas en todo el sistema. La sincronización se realiza por medio de satélites con relojes de alta precisión. El voltaje medido localmente se compara con una onda de referencia global, obteniendo información fasorial de todo el sistema que permite realizar mediciones. Como mínimo se requieren 26 palabras de 16 bits en formato IEEE PC

29 COMPONENTES DE UNA SMART GRID UNIDADES DE MEDICIÓN FASORIAL (PMU) SG Alrededor de 1983 Phadke,Thorp y Adamiak describen bases teóricas y el proceso computacional para el análsis y cálculo de fasores en tiempo real. Ellos hacen uso de la Trasformada Discreta de Fourier (DFT) REQUERIMIENTOS DEL ANCHO DE BANDA DE LOS DATOS Datos Generados Con Un Concentrador Intermedio Datos Concentrados En La Oficina Central Únicamente El Wide Area Measurement System (WAMS) es un sistema de mediciones distribuidas en el sistema de potencia FUENTE: C. Lozano, F. Castro & S. Ramírez (2012) PDC Ancho de Banda Mbps Numero de PMUs Ancho de Banda en función del Número de PMUs FUENTE: A. Peralta Sevilla & F. Amaya Fernández (2013) 29

30 COMPONENTES DE UNA SMART GRID UNIDADES DE MEDICIÓN FASORIAL (PMU) SG Medición Sincrofasorial en Latinoamérica FUENTE: 30

31 COMPONENTES DE UNA SMART GRID REQUERIMIENTOS DE COMUNICACIONES SG APLICACIONES SOBRE UNA SMART GRID Y SUS REQUERIMIENTOS DE COMUNICACIONES Aplicación Latencia Ancho de Banda Tiempo Real AMI Alta 10 Kbps/mensaje/nodo Bajo ADR Media Alta Kbps/nodo Medio PEV Media Alta Kbps Medio Alto FUENTE: Patel, Aparicio, Tas, Loiacono, & Rosca (2011) 31

32 COMPONENTES DE UNA SMART GRID REQUERIMIENTOS DE COMUNICACIONES SG Tipo de Red HAN NAN WAN REQUERIMIENTOS DE POTENCIALES REDES DE COMUNICACIONES PARA SMART GRID. Requerimientos en la Tasa Alcance Potenciales Tecnologías de Datos Decenas de metros 0 50 m Cientos de metros m Decenas de Kilómetros Depende de la aplicación, generalmente baja tasa de bit para control e información. Depende de la densidad en el nodo de la red (capacidades de decenas a cientos de Kbps por nodo). Dispositivos de Alta capacidad tal como es un router / switch de alta velocidad (capacidades entre cientos de Mbps y Gbps por nodo). Fuente: (Fan, y otros, 2011) ZigBee, Wi-Fi, Ethernet, PLC ZigBee, Wi-Fi, PLC, Celular Ethernet, Microonda, WiMax, 3G 4G/LTE, PON 32

33 COMPONENTES DE UNA SMART GRID IMPORTANTES ESTÁNDARES ESTÁNDARES EN SMART GRID IEC/TR IEC IEC IEC IEC IEC IEC Arquitectura Orientada al Servicio (SAO) Modelo de Información Común (CIM) / Gestión de Energía Automatización de Subestaciones Modelo de Información Común (CIM) / Gestión de Distribución Seguridad Intercambio de datos para la lectura de contadores, tarifas y control de carga Seguridad funcional de sistemas eléctricos / electrónicos / electrónicos programables relacionados con la seguridad de los sistemas 33

34 VISIÓN MEDIANTE CAPAS DE EVENTOS TEMPORALES EN LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA SMART GRID FUENTE: A. Peralta Sevilla 34

35 SMART GRID - ECUADOR Proyecto Redes Inteligentes Ecuador (RIE) Este proyecto presenta los resultados de la definición del Mapa de Ruta (Road Map) del Proyecto Redes Inteligentes Ecuador. PRIE significa el desarrollo de una estrategia y catálogo de proyectos e iniciativas para implementar SMART GRIDS en el país. La visión del proyecto es: Redes Inteligentes Ecuador - RIE es un sistema eléctrico seguro, confiable e interoperable en toda la cadena de valor, sustentable económica y ambientalmente, para ofrecer un servicio de alta calidad a un consumidor activo dentro de los lineamientos del Buen Vivir. El RIE incorpora avances tecnológicos, recursos humanos calificados e integra sistemas de información y comunicaciones (TIC) que optimizan la operación en tiempo real y promueven el uso eficiente de la energía. FUENTE: Centro Nacional de Control de Energía (CENACE) 35

36 SMART GRID - ECUADOR 36

37 SMART GRID - ECUADOR Sistema Integrado para la Gestión de la Distribución Eléctrica SIGDE Ministerio de Electricidad y Energía Renovable MEER 37

38 SMART GRID - ECUADOR 38

39 INGENIERÍA ELÉCTRICA 3 ENCUENTRO GRADUADOS - EXALUMNOS SMART GRID ECUADOR COMITÉS DE GESTIÓN TECNOLÓGICA (CGT) 39

40 SMART GRID ECUADOR COMITÉS DE GESTIÓN TECNOLÓGICA (CGT) 40

41 SMART GRID ECUADOR 41

42 SMART GRID ECUADOR BASE CONSIDERADA COMO MODELO CONCEPTUAL SG FUENTE: National Institute of Standards and Technology (NIST) 42

43 SMART GRID ECUADOR NORMATIVA POR PARTE DEL INEN 43

44 SMART GRID ECUADOR NORMATIVA POR PARTE DEL INEN Documentos normativos homologados internacionalmente relacionados con Smart Grids suman más de 100. Documentos Normativos IEC SG 3 fundamentales son: 44

45 SMART GRID ECUADOR NORMATIVA POR PARTE DEL INEN Comités Técnicos Relacionados. 45

46 SMART GRID ECUADOR EXPERIENCIAS EN AMR Y AMI 46

47 SMART GRID ECUADOR EXPERIENCIAS EN AMR Y AMI 47

48 SMART GRID ECUADOR EXPERIENCIAS EN AMR Y AMI 48

49 SMART GRID ECUADOR EXPERIENCIAS EN AMR Y AMI 49

50 SMART GRID ECUADOR EXPERIENCIAS EN AMR Y AMI 50

51 SMART GRID GLOSARIO DE TÉRMINOS IMPORTANTES Advanced Metering Infrastructure (AMI): Infraestructura de Medición Avanzada. Automated Demand Response (ADR): Respuesta a la Demanda Automatizada. Common Information Model (CIM): Modelo de Información Común. Constant Bit Rate (CBR): Tasa de Bit Constante. Consumer Information System (CIS): Sistema de Información a Cliente. Cyber-Physical Systems (CPS): Sistema Ciber Físico. Data Aggregator Unit (DAU): Unidad Concentradora de Datos. Distributed Energy Resources (DER): Recursos Energéticos Distribuidos. Distributed Generation (DG): Generación Distribuida. Distribution Management System (DMS): Sistema de Gestión de Distribución. Distribution Network Operators (DNOs): Operadores de la Red de Distribución. Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE): Equipo de alimentación del vehículo eléctrico, comúnmente llamado estación de carga. Energy Management System (EMS): Sistema Gestor de Energía. Feeder Automation (FA): Automatización de Alimentadores. Geographic Information System (GIS): Sistema de Información Geográfica. High Assurance Smart Grid (HASG): Red Inteligente de Alta Fiabilidad. High Voltage (HV): Alto Voltaje. Home Area Network (HAN): Red de Área del Hogar. Home Energy Management System (HEMS): Sistemas de Gestión de la Energía en el Hogar. Intelligent Electronic Device (IED): Dispositivo Electrónico Inteligente. Internet Protocol (IP): Protocolo de Internet. Meter Data Management System (MDMS): Sistema de Gestión de los Datos Medidos. Metropolitan Área Networks (MAN): Red de Área Metropolitana. Mobile Workflow Management (MWM): Gestión de Flujo de Trabajo Móvil. Neighborhood Area Network (NAN): Red de Área de Barrio. Outage Management System (OMS): Sistema de Gestión de Interrupciones o Cortes. Personal Area Network (PAN): Red de Área Personal. 51

52 GRACIAS!!! 52