Reunión Anual Octubre 2012 Comité de Energía - AUGM REDES DE DISTRIBUCIÓN DE EE: DESAFÍOS Y TENDENCIAS Miguel Arias Albornoz D.Sc. Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Santiago de Chile
CONTENIDOS Redes de Distribución: características, desarrollos, desafíos, oportunidades y tendencias. Redes eléctricas inteligentes: concepto, tecnología, comparaciones, estrategias de transición. Algunas aplicaciones.
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Subestación Alimentadores y Transformadores Red de baja tensión Cliente residencial
ESTRUCTURA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO CONVENCIONAL Generación Transmisión Subtransmisión Distribución Media Tensión Red de Baja Tensión Flujo de energía
RELACIÓN ENTRE PARTICIPANTES
RED DE DISTRIBUCIÓN CONVENCIONAL
SUMINISTRO ELÉCTRICO AISLADO / RURAL
SUMINISTRO ELÉCTRICO DESDE LA RED
REDES DE DISTRIBUCIÓN ACTUALES
SISTEMA AISLADO CON MÚLTIPLES FUENTES DE GENERACIÓN Dificultades de Operación
SISTEMA CONECTADO A RED CON GENERACIÓN DISTRIBUIDA Dificultades de Operación RED ELÉCTRICA
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN CON PMGD S/E A PMGD A Alimentador primario B F
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN CON PMGD S/E A PMGD A Alimentador primario B F
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN CON PMGD S/E A PMGD A Alimentador primario B F
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN CON PMGD S/E A PMGD A Alimentador primario B F
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN CON PMGD S/E Operación en Isla A PMGD A Alimentador primario B F
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN CON PMGD S/E Operación en Isla A PMGD A Alimentador primario B
PROBLEMAS TÍPICOS DE OPERACIÓN DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN ACTUAL Predicción de la demanda Control de tensión. Gestión de la demanda. Acciones frente a contingencias. Coordinación de maniobras. Reconfiguración de alimentadores.
RECURSOS USADOS EN LA OPERACIÓN DE UNA RED ELÉCTRICA ACTUAL Sistemas de Adquisición de Datos (SCADA), medición y monitoreo (telemedidas). Software de simulación. Gestión de la demanda: reducción de demanda en punta. Control remoto de equipos de protección, de regulación y de maniobra: reconectadores, desconectadores, bancos de condensadores, taps de transformadores. Reconfiguración de redes: continuidad y calidad de suministro, minimización de perdidas, minimizar costos. Pequeña medios de generación distribuida (PMGD).
QUÉ ES UNA RED INTELIGENTE Se han usado varios conceptos para referirse a Smart Grid. La definición es confusa, por lo que existen distintas interpretaciones A veces se confunde con contadores inteligentes, infraestructura de medición avanzada (AMI) o con inter-operabilidad de las comunicaciones. Una definición simple sería: Una versión automatizada e inteligente de la red eléctrica actual.
NUEVAS TECNOLOGÍAS
NUEVAS TECNOLOGÍAS MEDICIÓN INTELIGENTE Comunica datos usando protocolos estándares, seguros y abiertos. Actualiza software de manera remota, usando la red de comunicaciones. Mide múltiples servicios (electricidad, gas, calefacción y agua). Obtiene y controla índices de calidad. Permite: Registrar mediciones del consumo, automáticamente, para distintos instantes de tiempo. Gestión de tarifas. Gestión y control de carga. Medición neta. Incorpora unidades de medición fasorial (PMS). Integración de consumidores.
INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES Avances tecnológicos en: electrónica de potencia, informática, telecomunicaciones, sensores, actuadores Mayores requerimientos y complejidad de los SEP Inserción de ERNC intermitentes, distribuidas, vehículos eléctricos Generación distribuida Micro redes Generadores virtuales Medidores inteligentes Edificios/casas inteligentes
INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES Redes inteligentes / Smart Grid Tecnología clave, que permitiría el uso generalizado de energías renovables, el desarrollo de vehículos eléctricos, y mejoras en la eficiencia energética. Es una red eléctrica transformada, en los niveles de transmisión y distribución, que utiliza, en forma intensiva, sistemas de comunicación bidireccionales. Smart Grid. Denominación para una amplia gama de aplicación de nuevas tecnologías que potencian la capacidad de monitoreo y control de una red eléctrica.
INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES
INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES Red convencional Smart Grid Evolución Futura: Habrán muchas novedades de cómo las empresas distribuidoras de energía desarrollarán nuevos productos, basados en medidores inteligentes en Smart Grid.
INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES DESARROLLO DE ESTÁNDARES
INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES INTELIGENCIA MEJORAS TECNOLOGICAS EN EL SISTEMA MEJORAS EN LA CAPACIDAD DE ACCION DEL USUARIO
INTEGRACIÓN DE SOLUCIONES SISTEMAS DE GESTIÓN Conjunto de elementos interrelacionados, que interactúan entre sí para alcanzar nuevos objetivos. Ofrecen soluciones innovadoras para optimizar uso de la energía. Permiten gran transparencia en el consumo y calidad de energía.
Resultado: una red más resistente, más distribuida, más controlada y mejor protegida que las redes actuales.
CONCEPTO DE REDES: COMPARACIÓN Flujos Red actual Red futura Energía De centrales a usuario En todas direcciones Información Dirigida a centros de mando En todas direcciones Dinero De usuarios a empresas En todas direcciones Control Red actual Red futura Operaciones Centralizadas Distribuidas Local: sistemas de Distribuido según Control protección (área limitada). jerarquía. Centralizado: sistemas Realizado por sistemas SCADA. inteligentes. Sensorización Reducida. Componentes Extensa sensorización. electromecánicos, Componentes digitales. electrónicos y digitales.
VISIÓN DE FUTURO Smart Grid representa una visión en el desarrollo de las redes de transmisión y distribución, que incorpora sistemas robustos de comunicaciones bidireccionales, tecnología avanzada de sensores, y medidores que permiten incrementar la eficiencia, la confiabilidad y la seguridad en el despacho y uso de la energía eléctrica (Energy Efficient Distribution in Smart Grid, IEEE, 2010).
PARA UNA TRANSICIÓN HACIA UNA RED INTELIGENTE Es necesario revisar los principios que han inspirado el diseño y operación de una red eléctrica. Se presentan muchos desafíos muchas oportunidades para innovar y optimizar. Convivencia de grandes, pequeños y variados medios de generación. Empleo de nuevas tecnologías de medición y control. Gran cantidad de información para la toma de decisiones. La red eléctrica del futuro deberá ser optimizada, y los cambios de su configuración serán dinámicos. Mayores requerimientos de los usuarios La operación de la red será más compleja.
APLICACIONES
UBICACIÓN ÓPTIMA DE EQUIPOS DE OPERACIÓN Descripción del problema: Se trata de determinar el número y ubicación óptima de los equipos de operación en un alimentador, con el objetivo de mejorar índices de calidad de servicio y minimizar la energía no suministrada, por causa de interrupciones. El estudio se realiza considerando un alimentador con respaldo solo en los límites de zona existentes. También se puede estudiar un conjunto de alimentadores, con todas las opciones de respaldo a través de alimentadores cercanos, con origen en la misma subestación o en subestaciones vecinas.
UBICACIÓN ÓPTIMA DE EQUIPOS DE OPERACIÓN Descripción del problema: Los indicadores de calidad impactan directamente en los costos asociados a multas y compensaciones. Generalmente, los indicadores de calidad global de suministro que se usan son: el índice de frecuencia de fallas (FMIK) y el índice de duración equivalente de interrupciones (TTIK). Además, considerando el costo de falla, la cantidad de interrupciones y los tiempos de indisponibilidad, se obtienen indicadores de calidad a nivel de cliente. Estos índices pueden ser mejorados modificando el número y la ubicación de los equipos de operación, e aumentando los puntos de respaldo del alimentador.
UBICACIÓN ÓPTIMA DE EQUIPOS DE OPERACIÓN 7 8 15 12 6 16 14 13 11 10 9 5 2 3 4 1 S/E PUNTO DE RESPALDO : Equipo de Operación
UBICACIÓN ÓPTIMA DE EQUIPOS DE OPERACIÓN Representación de soluciones 7 8 15 12 6 16 14 13 11 10 9 5 2 3 4 1 S/E PUNTO DE RESPALDO : Equipo de Operación Una solución factible se puede representar por un string, como el siguiente: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0
UBICACIÓN ÓPTIMA DE EQUIPOS DE OPERACIÓN 7 8 15 12 6 16 14 11 9 1 13 10 5 2 3 4 PUNTO DE RESPALDO : Equipo de Operación Otras soluciones 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 Notar que se podría instalar 2, 3, 4, 5, 6 o más equipos de operación en la red. En el límite, pero con mayor costo, un equipo en cada rama. La búsqueda de una mejor solución debe incluir como parámetro el número máximo de equipos a instalar.
UBICACIÓN ÓPTIMA DE EQUIPOS DE OPERACIÓN Formulación del problema Debe considerar, simultáneamente, aspectos técnicos y económicos, junto con las restricciones de operación. Se puede formular de la siguiente manera: min f = C T s. a: g (x,u) = 0 h(x,u) 0 Número máximo de equipos de operación Límites de zona del alimentador Donde: C T : función de costo total g (x,u) = 0 ; Ecuaciones de flujo de potencia h(x,u) 0 ; Límites operacionales
RECONFIGURACIÓN DE ALIMENTADORES Descripción del problema Consiste en determinar la mejor topología (radial) de la red de distribución, para atender la demanda cumpliendo algún objetivo de optimización. El problema debe incluir al menos un conjunto de alimentadores, con puntos de respaldo, que cubren un área común. Se asume que el número y ubicación de los equipos de operación fue definido en etapas de planificación, de manera que se trata de utilizar lo que existe en la red.
RECONFIGURACIÓN DE ALIMENTADORES Descripción del problema Se logra una configuración diferente abriendo algún equipo de operación y cerrando otro. Una solución será aceptable (solución factible), cuando la configuración que resulte mantenga la radialidad de la red. Entre los diferentes objetivos de reconfiguración, están: Minimizar zonas obscuras Equilibrar carga de alimentadores Minimizar pérdidas Mejorar perfiles de tensión Reducir costos por compra de energía
RECONFIGURACIÓN DE ALIMENTADORES Descripción del problema PMG D S/E
RECONFIGURACIÓN DE ALIMENTADORES Descripción del problema PMG D S/E
RECONFIGURACIÓN DE ALIMENTADORES Descripción del problema PMG D S/E 9
RECONFIGURACIÓN DE ALIMENTADORES Formulación del problema Debe considerar, simultáneamente, los aspectos técnicos y económicos del problema, junto con las restricciones de operación. Se puede formular de la siguiente manera: Donde: min f = C T s. a: g (x,u) = 0 h(x,u) 0 topología radial C T : función de costo total g (x,u) = 0 ; Ecuaciones de flujo de potencia h(x,u) 0 ; Límites operacionales. Observar que la restricción de topología es difícil de expresar matemáticamente.
UBICACIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE BANCOS Descripción del problema: Se trata de determinar la ubicación, cantidad y capacidad de los bancos de condensadores que requiere un alimentador, para optimizar las condiciones de operación en relación a las pérdidas y perfil de tensión. Generalmente, el estudio se realiza para cada alimentador en forma independiente, considerando su configuración radial hasta los límites de zona normales. Se asume que los límites de zona óptimos han sido determinados previamente. El estudio debe tomar en cuenta las variaciones extremas de la demanda. Normalmente se estudian tres escenarios de demanda: máxima, media y mínima.
UBICACIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE BANCOS G Representación de soluciones 2 1 4 3 G 1 2 3 4 Sol 1 30 0 0 10 Sol 2 10 0 20 0 Sol 3 0 10 20 Sol 4 0 10 20 0
UBICACIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DE BANCOS Formulación del problema También debe considerar objetivos técnicos y económicos, más las restricciones de operación, de manera que su modelo tiene la estructura clásica de un problema de optimización. Donde: min f = C T s. a: g (x,u) = 0 h(x,u) 0 C T : Beneficio actualizado neto obtenido g (x,u) = 0 ; Ecuaciones de flujo de potencia h(x,u) 0 ; Límites operacionales
FIN MUCHAS GRACIAS