Inteligencia en la Red Elctrica

Mario Hernndez

Instituto Universitario SIANI

mhernandez@siani.es

Reflexin sobre Tecnologa e Infraestructuras de Redes Elctricas de la Era Digital

Y sobre la transformacin necesaria sobre una con la presencia de la otra

Las grandes redes elctricas son el mayor logro de la ingeniera del siglo XX

Academia Nacional de la Ingeniera de EEUU

Primera Revolucin

Innovacin en conceptos, dispositivos y modelo de negocio

Visin: iluminar usando electricidad Concepto: la bombilla elctrica, la

generacin y la transmisin de energa elctrica a las casas desde estaciones generadoras

Modelo de negocio: venta de electricidad, dispositivos e instalaciones

Creacin por Thomas A. Edison de las primeras redes elctricas

Segunda Revolucin Tecnologa concebida por Nikola

Tesla 1895: Primeras transmisiones de

energa elctrica a larga distancia por George Westinghouse, desde NiagaraFalls a Buffalo (22 Km).

Visin: la generacin no tiene que estar cercana al consumo, sino a la fuente primaria

Concepto: la corriente alterna supera las limitaciones de la transmisin de energa

Resultados

Inversin

Red 1 Generacin

Red 2 Generacin

Disrupcin

Fbrica de la Luz Plaza de la Feria 1910

Sociedad de Electricidad de Las Palmas de Gran Canaria 1925-1930

Compaa Insular Colonial de Electricidad y Riegos (CICER)

Fbrica de la Luz de Guanarteme - 1928CICER 1950-1955

Algo sobre los sistemas elctricos

Modelo soportado en concepcin tecnolgica de los aos 50 del siglo XX

Diseados para las necesidades energticas en los pases ms industrializados para abordar la electrificacin

Se concibieron y construyeron cuando la energa primaria era muy barata

Importante facilitador de la industrializacin y desarrollo de Espaa y por supuesto, Canarias

Hechos

La electricidad fluye unidireccionalmente y con despacho centralizado desde las plantas generadoras hasta los consumidores finales

La fiabilidad de funcionamiento se consigue fundamentalmente asegurando un exceso de capacidad en el sistema para responder a la posible demanda (reserva)

Las inversiones en los sistemas elctricos se hacen bsicamente para seguir (predictivamente) a la demanda

Y en los ltimos aos

La innovacin y la tecnologa han cambiado radicalmente otros sectores industriales

El sector elctrico, durante dcadas y bsicamente ,ha continuado desarrollndose de la misma manera y basado en la misma conceptualizacin de sistema

European TechnologicalPlatform Smartgrid SRA

Fuerzas que actan actualmente sobre el funcionamiento de la red elctrica

Preservacin del medio ambiente Cambio

ClimticoContaminacin

Disponibilidad de energas primarias

Seguridad y calidad

Capacidad

Liberalizacin

Innovacin y competitividad

Reduccin deprecios y eficiencia

Red Elctrica

Entorno

La Sociedad Digital

Las TICs son ubcuas. Cada dimensin de nuestra existencia esta repleta de dispositivos digitales

La vivienda promedio de clase media contiene una veintena de microprocesadores empotrados en dispositivos

Fiabilidad

La primera exigencia de la sociedad digital para las tecnologas que la soportan

Tendencia a una sociedad 24/7 (disponibilidad absoluta)

Ejemplo: granja de servidores de internet fiabilidad cinco

nueves (99.999%); 5 minutos max . de cada al ao Telemedicina, ciruga remota - fiabilidad nueve

nueves

EPRI

La Red Elctrica y la Sociedad Digital

Las actuales infraestructuras elctricas son inadecuadas, porque no se disearon para cubrir las necesidades de la sociedad digital

Objetivo: Crear una infraestructura ms fuerte y estable, vital para sustentar la sociedad digital

Tercera Revolucin de los Sistemas Elctricos

Resultados

Inversin

Red 1 Generacin

Red 2 Generacin

Disrupcin

Red 3 Generacin

Disrupcin

El reto de la infraestructura elctrica en la Sociedad Digital

Que quede como una reliquia del siglo XX o reconvertirla para que sea la infraestructura bsica que soporte la sociedad digital del siglo XXI

Massoud AminDirector of Technological Leadership Institute

University of Minnesota

Palabra Clave: Modernizacin

Replanteamiento de la Red Elctrica segn una nueva visin

No plantear una red con esteroides

Sino una red inteligente

Iniciativas internacionales

Situacin generalizada mundialmente se han lanzado diferentes iniciativas que intentan responder a estas necesidades con investigacin, desarrollo e innovacin tecnolgicos en empresas y administraciones

Organizacin Proyecto/Programa

Contenido

DGTREN (UE) SmartGrids Plataforma tecnolgica que coordina iniciativas en Redes de distribucin Inteligentes en el mbito de la UE

EPRI (USA) IntelligridConsortium

Definicin de Arquitectura de Red de distribucin,considerando calidad, fiabilidad, gestin de datos y al medio ambiente

DOE (USA) Gridwise Iniciativa que analiza las soluciones para un sistema elctrico nacional con naturaleza plug&play

CERTS (USA) CERTS Microgrid

Definicin de microrredes

IEEE (INT.) IEEE P1547 Estndar de Interconexin entre sistemas distribuidos degeneracin y la red de Energa

Consorcio DENISE (ES)

DENISE Hacia una Distribucin Energtica Inteligente Segura Eficiente

(no

exha

ustiv

o)

Para qu un nuevo modelo?

Alcanzar objetivos medioambientales Acomodar un mayor nfasis en la respuesta de la

demanda (DR) Integrar porcentajes crecientes de energas no

gestionables como las renovables elica o solar Soportar las capacidades de almacenamiento Soportar la conexin de vehculos elctricos

puros o hbridos (PHEVs) Soportar la generacin distribuida

Comparativas bsicasFlujos Red Actual Red Futura

Energa De centrales a usuario En todas direcciones

Informacin Dirigida a centros de mando En todas direcciones

Dinero De usuarios a dptos. de cobros En todas direcciones

Control Red Actual Red Futura

Operaciones Centralizadas Distribuidas

Control Local: Sistemas de proteccin (rea limitada)Centralizado: Sistemas SCADA

Distribuido segn jerarqua, negociacin/coordinacinRealizado por sistemas inteligentes

Sensorizacin Poca Componentes Electromecnicos

Extensa sensorizacin

Cmo es realmente el Smart Grid?

Un Smart Grid integra tecnologa avanzadas de sensorizacin y adquisicin de datos, mtodos de control y comunicaciones en la red elctrica

Iniciativa del Departamento de Energa de los EEUU para la Modernizacin de la Red Elctrica

Qu engloba el concepto de Smart Grid?

La Smart Grid integra electricidad y comunicaciones en una red elctrica que soporta la nueva generacin de energa interactiva y servicios de comunicacin, y suministra electricidad de calidad digital al usuario final. En este sentido, la red elctrica debe estar siempre disponible, viva, interactiva, interconectada y fuertemente acoplada con las comunicaciones en una red compleja de energa y comunicaciones en tiempo real

Definicin Proy. DENISE

Concepto

Perfundir las TICs en la red elctrica

Concepto

La Smart Grid combina Infraestructuras Elctrica y de TICs

Interoperabilidad Precisa de estndares

Infraestructura Elctrica

Infraestructura TIC

Solucin TIC

Aadir inteligencia pasa por integrar procesadores independientes en cada componente, en cada subestacin y en cada planta

Los procesadores debern ejecutar un SO robusto y aplicaciones que deben actuar como agentes que se comunican y cooperan por red de datos con otros, formando una gran plataforma de computacin distribuida

Qu ejecutan esos procesadores?

Unidad computacional inteligente con capacidad de razonamiento y decisin autnoma, con sus propios objetivos, estrategias, planes y capacidades de accin

Tiene obligaciones impuestas por sus objetivos Percibe su entorno y es capaz de actuar sobre l Puede comunicarse y cooperar con otros agentes

Agente: concepto

entorno

AGENTE

(funcionalidad)

actuadoressensores

objetivo(propsito)comunicaciones comunicaciones

Entorno

Agente

rea de Influencia

Sistemas MultiagentesConjunto de agentes inteligentes con intereses y objetivos propios que interaccionan entre si con la intencin de cumplir con sus obligaciones

Plataforma distribuida de unidades de toma de decisin autnomas e interconectadas capaces de comunicarse y colaborar

Ejemplo: Dispositivo con procesador empotrado

Procesadores conectados por una red de fibra

Interconexin Plug-and-play de componentes

En la red actual, cuando hay cambios en el equipamiento en plantas o subestaciones hay que describirlas manualmente en la base de datos correspondiente y en los diagramas elctricos

Desalineamientos temporales entre las instalaciones reales y los contenidos en las bases de datos

Solucin Smart Grid: Plug-and-Play

Interoperabilidad

Interoperabilidad

O neutralidad tecnolgica es una propiedad que puede predicarse de sistemas de naturaleza muy diferente, como pueden ser los sistemas informticos, o los ferroviarios

Capacidad de los sistemas TIC y de los procesos a los que apoyan, de intercambiar datos y posibilitar la puesta en comn de informacin y conocimientos

Ejemplo de Sistema distribuido

Islandingisla isla

Visin de la Smart Grid

Caractersticas de la red del futuro

Debe ser ms: Fiable Estable Econmica Eficiente Respetuosa con el medio ambiente Segura

NETL Modern Grid Initiative for the US Department of Energy

Visin

La red del futuro debe :1. Permitir la autogestin de incidencias2. Estar dotada de resistencia frente a ataques y

desestabilizaciones3. Potenciar la participacin activa de los consumidores4. Tener capacidad de suministro de energa de calidad

adecuada a la era digital5. Acomodarse a una amplia variedad de modalidades de

generacin y almacenamiento6. Facilitar el florecimiento de mercados7. Realizar una optimizacin ms eficiente de sus activos y

operacin

Autogestin de incidencias

Autorestauracin, (self-healing): haciendo continuamente evaluaciones para detectar, analizar, responder y, cuando resulta necesario, restaurar componentes o secciones de la red.

Minimizacin de las interrupciones del servicio empleando nuevas tecnologas que puedan adquirir datos, ejecutar algoritmos de soporte a la decisin, advertir o limitar interrupciones, controlar dinmicamente el flujo de energa y restaurar el servicio rpidamente

Capacidad instantnea de recuperacin, elasticidad (Resilience)

Una red tiene capacidad de recuperacin cuando ante cambios en su estructura o prdida de nodos es capaz de mantener una interaccin viva, conservando o reinventando su identidad y evitando el colapso de su funcionamiento

Self-healing

Un sistema con capacidad de recuperacin en el que la estabilidad y la fiabilidad del sistema se mantienen bajo todas las condiciones cuando uno (contingencia N-1) o ms (N-k contingencias) componentes resultan deshabilitados

Arquitectura del Grid Self-Healing: Infraestructura Integrada de Proteccin y Control con Sistemas Multiagentes

Evaluacin de

Vulnera-bilidades

Identifica-cin de eventos

Planifica-cin

Restaura-cin

Reconfigu-racin

Monitori-zacin de

fallos ocultos

Interpre-tacin de comandos

Actualiza-cin de

Modelos

Filtrado de eventos/alarmas

Estabilidad de

frecuencia

Aislamiento de fallos

Proteccin Generacin

Intercambio de Conocimiento/Decisin

Red Elctrica

Agente

Entradas

ControlesControles

Entradas

Eventos/Alarmas

Controles

Actualizacinde Modelos

Tests de consistencia

Disparo de Eventos Planes/Decisiones

Capa Deliberativa

Capa de Coordinacin

Capa Reactiva

Fiabilidad/RobustezSelf-Healing

(min-horas)

(seg)

(mseg)

Suministrador de energa en EEUU, Canad y Latinoamerica

3,9 millones de clientes en EEUU Generacin 19900 MW (top 5 en EEUU) Transmisin ms de 13.000 millas Distribucin ms de 94.000 millas Lineas de distribucin dotadas de interruptores

inteligentes para minimizar el nmero de usuarios afectados al producirse apagones

Smart MeteringIntelligent Metering Infraestructure (IMI) y

Respuesta a la Demanda (DR)

La medicin inteligente es el Santo Grial de la gestin energtica en el lado de la demanda

Capgemini

Programas de Respuesta a la Demanda

Contadores inteligentes bidireccionales

Tarifas horarias (ms opciones de compra)

Portal del Consumidor Dispositivos de control de consumo Deslastre de cargas internas segn

prioridades y a requerimientos provenientes de la red

Participacin activa de los consumidores

Portal del Consumidor: Consumidores bien informados modificarn sus patrones de consumo balanceando sus demandas con las capacidades del sistema elctrico para satisfacerlas a travs de mecanismos de premio-castigo en un modelo de mercado

Programas de Respuesta a la Demanda (DR) a travs de ms opciones en la compra de energa

Objetivos de DR

Desplazamiento o recorte de picos de consumo

Ahorros energticos

Cmo evaluar las opciones de futuro de la red

La red elctrica es un sistema complejo que est en produccin

Es complicada la toma de decisin estratgica para una transicin de una red actual como las de las Islas Canarias

Los experimentos con gaseosa (Eugenio D'Ors)

Simulacin

Con ella podemos evaluar experimentalmente, a modo de laboratorio virtual, el comportamiento y evolucin en diversos escenarios futuros a partir de la situacin actual

Simulador smartgrid

smartgrid Herramienta basada en Modelado y

Simulacin Basado en Agentes (ABMS)

Se considera la red con todos sus actores como un sistema complejo

En desarrollo por parte del Instituto Universitario SIANI-ULPGC

Con experiencia previa en proyectos I+D+t de ingeniera relacionados con la realidad canaria

Arquitectura del ncleo del sistema

Entorno de anlisis y simulacin

smartgrid

Como herramienta de test

Para tener una herramienta de test del futuro sistema de gestin inteligente de la red

smartgrid se concebir para facilitar la interoperable con el nuevo sistema de control

En vez de desarrollar y probar el sistema de gestin directamente y en produccin sobre la red, se realiza su desarrollo y evaluacin contra el simulador

Utilidad para Canarias

Hay una ventana de oportunidad para aprovechar la situacin privilegiada de Gran Canaria y que se puedan iniciar los estudios y anlisis para su evolucin desde de la red actual a la futura

Es la manera de poder integrar con eficacia y masivamente: nuevas tecnologas de produccin renovable con un alto grado de penetracin en la red, de produccin tradicional y de almacenamiento, as como la gestin del mix

Algunos escenarios de evaluacinParticularmente til para Canarias dada la naturaleza y situacin de su red. Permite evaluar diversos escenarios entre otros:1. Integracin de renovables: maximizacin de la

penetracin, modelos de mercado, ubicacin, capacidad, comportamiento ante variaciones de la produccin en funcin de las condiciones climticas,

2. Estudios y definicin de Estrategias de gestin de la demanda para aplanamiento de la curva de demanda: Gestin del Consumo y SmartMetering

3. Integracin de opciones de almacenamiento

Algunos escenarios de evaluacin (II)

4. Estudio de los efectos y ventajas de la integracin de microrredes (microgirds)sobre la gestin de la red Planificacin de la sustitucin de generacin primaria y nuevas inversiones

5. Reconfiguraciones de la red elctrica

6. Estudio de los efectos de Integracin de vehculos elctricos y sus efectos sobre el aplanamiento de la curva de demanda y la estabilizacin de la frecuencia

Algunos escenarios de evaluacin (y III)

7. Efectos de las mejoras en prediccin sobre la Integracin de Fuentes no Gestionables

8. Estudios relativos a la Integracin Lonjas virtuales para la gestin inteligente

9. Estudios relativos a las polticas de promocin de Plantas Combinadas Plantas Virtuales

10.Estudios relacionados con polticas de Escalabilidad y Elasticidad de la Oferta

11.Estudios tendentes a la reduccin de las rampas de entrada en produccin de la generacin convencional

Gracias por su atencin!

Inteligencia en la Red ElctricaNmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3Primera RevolucinNmero de diapositiva 5Segunda RevolucinNmero de diapositiva 7Fbrica de la Luz Plaza de la Feria 1910Algo sobre los sistemas elctricosHechosY en los ltimos aos Nmero de diapositiva 12La Sociedad DigitalFiabilidadNmero de diapositiva 15La Red Elctrica y la Sociedad Digital Nmero de diapositiva 17El reto de la infraestructura elctrica en la Sociedad DigitalPalabra Clave: ModernizacinNmero de diapositiva 21Iniciativas internacionalesPara qu un nuevo modelo?Comparativas bsicasCmo es realmente el Smart Grid?Qu engloba el concepto de Smart Grid?ConceptoLa Smart Grid combina Infraestructuras Elctrica y de TICs Solucin TICNmero de diapositiva 30Sistemas Multiagentes Ejemplo: Dispositivo con procesador empotradoProcesadores conectados por una red de fibraInterconexin Plug-and-play de componentesInteroperabilidad Nmero de diapositiva 36Ejemplo de Sistema distribuidoIslandingVisin de la Smart GridCaractersticas de la red del futuro VisinAutogestin de incidenciasCapacidad instantnea de recuperacin, elasticidad (Resilience)Self-healingArquitectura del Grid Self-Healing: Infraestructura Integrada de Proteccin y Control con Sistemas MultiagentesNmero de diapositiva 47Nmero de diapositiva 48Nmero de diapositiva 49Nmero de diapositiva 50Nmero de diapositiva 51Nmero de diapositiva 52Nmero de diapositiva 53Nmero de diapositiva 54Nmero de diapositiva 55Smart MeteringIntelligent Metering Infraestructure (IMI) y Respuesta a la Demanda (DR) Nmero de diapositiva 57Programas de Respuesta a la DemandaParticipacin activa de los consumidoresObjetivos de DRCmo evaluar las opciones de futuro de la redSimulacinSimulador smartgridsmartgridArquitectura del ncleo del sistemaEntorno de anlisis y simulacinComo herramienta de testUtilidad para CanariasAlgunos escenarios de evaluacinAlgunos escenarios de evaluacin (II)Algunos escenarios de evaluacin (y III)Gracias por su atencin!