Angela Inés CADENA Profesora Asociada Universidad de los ...€¦ · soportarse con GPRS (2.5G) y...

April 20 – 21, 2010, Bogota, COLOMBIA

Speakers name Position

Company Country

Angela Inés CADENA Profesora Asociada

Universidad de los Andes Colombia

April 20 – 21, 2010Crowne Plaza Hotel, Bogota, COLOMBIA


Equipo de trabajo

• Universidad de los Andes– Roberto Bustamante, Ángela Cadena, Fernando Jiménez, Nicanor

Quijano.

– Álvaro Acuña, Gabriel García, Luis Hurtado, Daniel Muñoz, Andrés Pantoja, Julián Ramírez, Camilo Táutiva.

• Universidad Nacional de Colombia– Gerardo Gordillo, Horacio Torres.

– Ana María Blanco, Julián Aristizábal, Johan Hernández, Luis Luna.

• Universidad Industrial de Santander– Gerardo Latorre.

• Asesores: Alberto Rodríguez y anteriormente Luis I. Betancur


Agenda

• ¿Por qué son importantes las redes inteligentes para Colombia?

• Proyecto Uniandes – Unal – UIS – Colciencias –Codensa– Retos tecnológicos para las redes inteligentes

• Estudios de ubicación• Sistemas de control• Monitoreo - Scada• Telecomunicaciones• AMI y respuesta de la demanda

– Red piloto• Fuentes, circuito y monitoreo• Normatividad• Regulación económica• Mapas de ruta (formación)


¿Por qué son importantes las redes inteligentes para

Colombia?


Cambio técnico en la industria eléctrica

• Profundización de los mercados con mayor participación de la demanda y mayor número de agentes.– Orientación de negocios en esta actividad (reducción de pérdidas y

mejoras de confiabilidad).– Mayores exigencias de calidad, confiabilidad y cobertura.

• Requerimientos específicos– Renovación de redes.– Mejoras en el servicio y niveles de cobertura.

• Reducción de tamaño y costo de las plantas de generación y mayor participación de fuentes limpias.– Seguridad energética.– Metas ambientales.– Diversificación de la canasta.– Producción industrial y desarrollo tecnológico local.


Cambio técnico en industrias relacionadas

• Tracción eléctrica.• Electrónica de potencia.• Detección de fallas.• Telecomunicaciones: información del negocio de distribución (operativa y comercial) es una gran oportunidad.

• Algoritmos y técnicas que consideran múltiples agentes.

• Informática: modelos de información estandarizados (CIM), metamodelos y Grid Computing.


• Número de agentes y capacidad instalada bajos � criterios y prácticas comunes.

• Número de agentes y capacidad tal que requiere intervención en topología y adecuación de prácticas � ajuste de reglas de mercado.

• Capacidad instalada y número de agentes alto � no es factible operar con la arquitectura actual, prácticas nuevas, reglas nuevas.

Modelo actual Nuevo modelo

Etapas en el desarrollo de la GD y las RI


GD- Ventajas y desventajas (retos)(Pepermans et al., 2005 y otros autores)

• Reducción de pérdidas en las redes de transmisión y distribución.

• Incremento en la confiabilidad y en calidad del servicio si se cumplen las reglamentaciones.

• Mayor control de energía reactiva y regulación de voltaje.

• Retraso de inversiones en redes de transmisión y subtransmisión.

• Mejor adaptación a las variaciones de la demanda.

• Aumento de la competencia y disminución del poder de mercado.

• Mayor flexibilidad al disminuir la dependencia del sistema centralizado.

• Uso eficiente de la energía e incorporación de fuentes más limpias.

• Requerimiento de nuevos esquemas para la operación y el mantenimiento de este tipo de sistemas.

• Mayores costos de inversión, especialmente para algunas tecnologías renovables.

• Cargos de conexión y uso que deben pagar los productores.

• Mayor descentralización que puede dificultar la garantía de seguridad del sistema e incluso incrementar los costos de operación.

• Contaminación auditiva y ambiental cerca de los consumidores, en algunos casos.


La GD y RI en el sistema colombiano

• Beneficiarios– Generadores (desarrolladores nuevos, ¿anteriores?) – Transportadores (?)– Distribuidores– Consumidores (industriales, comerciales, urbanizaciones y… viviendas)

– Zonas aisladas– Mercado en general

• Se requerirían algunos ajustes al marco regulatorio actual y la expedición de una normatividad técnica y ambiental adecuada a este tipo de sistemas.


Estrategias para la incorporación de RI y GD

• Facilitar la entrada de nuevos generadores que cumplan con los requisitos de conexión– Industriales (cogeneración)

• Implementación de µR en parques industriales.• Instalación de GD en zonas rurales con difíciles condiciones de operación.

• Participación de desarrolladores que agreguen proyectos de GD.

• Participación del operador de red en el desarrollo de GD y µR para reducir pérdidas, mejorar voltajes, etc.


Reto: Rediseñar la empresa de distribución

• Evolucionar de empresas pasivas a proactivas.• Proveedores de:

– Transporte con estándares de calidad– Respaldo– Conectividad

• Interacción con usuarios: monitoreo, control e información.

• Administrar activamente las redes,• Generación de mercados para servicios adicionales.

• Experimentar con soluciones innovadoras.


Proyectos Uniandes – Unal –Colciencias

Retos tecnológicosRed piloto


• “La Generación Distribuida es la generación conectada a un Sistema de Distribución Local (SDL), que no tiene acceso directo a la red de transmisión y cumple con los requerimientos de conexión” (Proyecto Colciencias – Isagen -Uniandes – Unal)

• “es la generación conectada a un Sistema de Distribución Local (red radial), que no tiene acceso directo a la red de transmisión, y no es despachada centralmente y cumple con los requerimientos de conexión”. (Proyectos Colciencias –Codensa- Uniandes – Unal – UIS)

GD Definiciones


Retos tecnológicos

• Ubicación y dimensionamiento de GD y µR• Seguridad y estabilidad • Sistemas y estrategias de control• Sistemas de telecomunicaciones• Manejo de información• Medición avanzada y respuesta de la demanda


Instalación de GD

• La GD puede ser instalada por usuarios finales, desarrolladores de proyectos o por el operador de red.

• El operador de red la puede utilizar para mejorar la operación del sistema, y puede dar señales para que los demás agentes se instalen en localizaciones que le permitan alcanzar objetivos estratégicos.

La instalación de GD en ubicaciones no óptimas puede resultar en aumentos de las pérdidas, reconfiguración de los esquemas de protección, problemas de voltaje, etc., lo que implicaría un aumento en los costos, y por lo tanto, un efecto contrario al deseado


Ubicación óptimaRevisión de literatura

Approach 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Heuristic Techniques* Celli, Pilo

* Nara et alKim et al Mori, Iimura Celli et al Borges, Falcao

Sedighizadeh,

Rezazadeh

Heuristic approach -

Optimization model

* El-Khattam et al

* Mardaneh,

Gharehpetian

El-Khattam et al Harrison et al

Analytical methods Wang et al

Linear programming,

Lagrangian based

Rosenhart,

Nowicki

* Keane, O'Malley

* Harrison, Wallace

• Diferentes metodologías para identificar la ubicación óptima de GD, su capacidad y tamaño– Analíticas– Optimización – Heurísticas


Definición del problema de ubicación

• Función objetivo

– Min (Costos totales) Min (Pérdidas)– Max (RBC) Max (PGD instalada)

• Restricciones

– Perfil de voltaje– Límites térmicos de los elementos (sobrecargas)– Nivel de confiabilidad– Cantidad y/o tamaño de las unidades de GD– Presupuesto

• Variables de decisión

– PGD instalada Ubicación # de unidades de GD


Análisis realizados

• Se seleccionó una metodología heurística basada en algoritmos genéticos.

• Se utilizó el sistema de distribución de prueba 13 nodos de la IEEE.

• Se instalaron desde 2 hasta 4 generadores con capacidad máxima cercana a los 1000kW.

• Los resultados obtenidos muestran beneficios en términos de:

– RBC en un rango de 1.06 – 1.15

– El perfil de voltaje

– Las pérdidas del sistema (con una reducción de hasta un 25%)

– La cargabilidad del sistema

646 645 632 633 634

650

692 675611 684

652

671

680

170 kW230 kW 400 kW

1155 kW170 kW 843 kW

128 kW

170 kW

200 kW


Control para generación distribuida

Automatización de la distribución

Estrategias de control en despacho de GD

• Aplicaciones asociadas a las tecnologías de la información.• Sistemas de control supervisorio y adquisición de datos

(SCADA).• Control de generadores distribuidos.• Manejo de las protecciones del sistema.

Control centralizado• Necesita un modelo muy aproximado del sistema.

• A pesar de ser un sistema muy exitoso, necesita una herramienta de optimización que generalmente no corre en tiempo real (OPF).

Control distribuido ��


Generación distribuida y microredes

Sistemas complejos a gran escala

• Una red inteligente implica cambios en la topología de la red.

• Se incorporan microredes como subsistemas dentro del sistema general (sistema jerárquico).

• Sistema complejo, de gran escala y con componentes altamente interdependientes.

Un algoritmo de control eficiente debe ser una estrategia para la asignación apropiada de los recursos energéticos, de comunicaciones y de información en un entorno que incluye restricciones económicas, técnicas y de desempeño de la red.


Control distribuidoUna propuesta de estrategia de optimización dinámica

Algoritmos basados en dinámicas poblacionales y teoría de juegos que permiten definir funciones de bienestar para cada hábitat dentro de un ambiente.

Plataforma en la construcción de un sistema robusto, flexible y extensible, con posibilidad de trabajo en una arquitectura abierta y estructurada.

Sistemas multiagente:

• Se asigna un agente a cada GD, en donde con base en mediciones locales y consignas centrales, se asigna una utilidado fitness a cada uno.• Se estipulan estrategias de negociación basadas en mercados o basadas en teoría de juegos evolutivos.


Algunos resultadosParámetros:

5 10 15 200

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Horas del día

Pot

enci

a (k

VA

)

Despacho con MBC cuadrático

5 10 15 200

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Horas del día

Despacho con RD logístico

GD1

GD2GD3

GD4

pn1

pn2

pn3

pn4

5 10 15 20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Horas del día

Pot

enci

a (k

VA

)

Despacho con MBC cuadrático

5 10 15 20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Horas del día

Despacho con RD logístico

GD1

GD2GD3

GD4

pn1

pn2

pn3

pn4


Cambios en los centros de control

• Expansión de funciones. Gestión de energía por confiabilidad hacia la gestión del negocio en el mercado.

• Centros de control monolítico diferentes en talla solamente hacia una variedad de centro de control de ISOs, RTOs, Transcos, Gencos, LSEs (‘Load Serving Entities’) las cuales tienen diferentes funciones en el mercado.

• Estructura jerárquica en dos niveles: ISO/RTOs arriba y Gencos/LSEs abajo.

• BMS (‘Bussines Management System’).


TelecomunicacionesRequerimientos de QoS

• 1646 IEEE (2004) Standard Communication Delivery Time Performance Requirements for Electric Power Substation Automation

• IEC 61850 “Communication networks and Systems in Substations” (2003)

Funciones Retardo máximo [ms]

Mensajes

GOOSE

Trip command 8 – 16

Anti-islanding 150 – 300

Mediciones (type 2 messages) 500 – 2000


TelecomunicacionesSimulaciones

• Se establecieron arquitecturas de redes

• Se simularon diferentes entornos de redes de control y monitoreo– Control local: sistemas de

automatización en subestaciones

– Redes de área amplia: WAMS, WAPS y WACS

• Se evalúan sistemas de redes basadas en tecnología BPL.

Se utilizó NS2 y se trabaja en OPNET

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

0

0.5

1

X: 7853Y: 0.916

reta

rdo

[ms]

Retardo punto a punto CBR/UDP

X: 1.113e+004Y: 0.349

X: 1.444e+004Y: 0.403

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

0

0.5

1

reta

rdo

[ms]

Retardo punto a punto FTP/TCP nodo --> servidorX: 7844Y: 0.459

X: 1.777e+004Y: 0.571

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

0

0.5

1

X: 7848Y: 0.64

Número de paquete

reta

rdo

[ms]

Retardo punto a punto FTP/TCP servidor --> nodo


TelecomunicacionesResultados

• La selección de una tecnología de telecomunicaciones específica depende de la madurez de la red inteligente.

– La inclusión de medidores inteligentes para sistemas AMR: puede soportarse con GPRS (2.5G) y evolucionaría hacia HSDPA (3G)

– El despacho energético de GD pueden llevarse a cabo a través de Internet de banda ancha (2Mbps), haciendo uso de una red pública.

• En la medida que se quieran implementar estrategias de control avanzadas será conveniente la instalación de fibra óptica, con amplia difusión de servicios residenciales.

• Las Smart Grids y las telecomunicaciones son inseparables: convergencia de los sectores de energía, telecomunicaciones e información.• Se requiere vincular a los proveedores de servicios de internet como

ETB o TELMEX.


Red piloto


Red pilotoEstructura• Se diseñó, dimensionó e instaló un circuito piloto en la

Universidad Nacional:– Un generador fotovoltaico de 4.6 KW instalado en el edificio de Física

de la Universidad Nacional y un generador de biomasa de 15 kW instalado en el edificio de Química y conectados a la red de distribución de Codensa a la altura de la S/E Antonio Nariño.

– Cargas con componentes resistivo y reactivo.– Dos (2) RTUs móviles basadas en PLCs comerciales (Siemens)

ubicadas en cada uno de los generadores. – Una (1) RTU móvil con funciones de SCADA ubicada en la Universidad

de los Andes.– Comunicaciones basadas en redes publicas de telefonía móvil (GSM,

GPRS inicialmente).

• El diseño de la red piloto incluye medidores para monitorear el comportamiento dinámico de los flujos bidireccionales de potencia.


Sistema de monitoreo


Arquitectura física del SCADA

2 CPU $44.000.0002 CPU $44.000.000SCADA $35.000.000SCADA $35.000.000SWSW $10.000.000$10.000.0002x8 IA2x8 IA $8.000.000$8.000.000COMM $20.000.000COMM $20.000.000

Windshield timeWindshield time


Operación y resultados del sistema SCADA• Tecnología GPRS• Se realizaron pruebas del Sistema SCADA bajo las siguientes condiciones:

• Una (1) Estación Maestra y una (1) Estación Remota (Generador Fotovoltaico).

• Ubicadas en el mismo lugar geográfico (UniAndes).• Variables de la Estación Remota son ‘simuladas’ por archivo .csv.

• Resultados de la operación del sistema:• Comunicación Estación Remota → Estación Central

• 26/11/2009 10:00 a.m. – 10:59 a.m.• Paquetes exitosos = 46/60 → Disponibilidad = 76,67%

• 27/11/2009 01:00 a.m. – 01:59 a.m.• Paquetes exitosos = 6/60 → Disponibilidad = 10,00%

• Comunicación Estación Central → Estación Remota• Aún en desarrollo.

• Es necesario realizar pruebas por un largo periodo de tiempo para obtener un valor adecuado para la disponibilidad del sistema.

• Se deben identificar periodos críticos (horas pico) y comportamientos periódicos.


Propuesta para la conexión y operación de unidades de GD

Para la correcta conexión de unidades de GD al SDL se deben tener en cuenta los posibles esquemas de

conexión a la red.

•Se diseñó un diagrama de flujo que contiene los pasos detallados para la instalación, conexión y operación de sistemas de GD en el SDL.

•La conexión y operación de estos sistemas a la red de distribución se clasificarásegún: tecnología, capacidad efectiva y esquema de conexión.


Propuestas regulatorias• La CREG, invocando el principio de “Adaptabilidad”, podría adoptar:

– una definición propia, como actividad diferente a la de “Generación” y de “Distribución”

– una definición de Redes de Distribución que incorpore como uno de los “equipos asociados” a ella, centrales generadoras distribuidas.

• De esta manera quedaría abierta la posibilidad de que, tratándose de una actividad diferente, las Distribuidoras conformadas después de julio de 1994 pudieran instalar pequeñas centrales de generación en sus redes.

• Debería entonces fijar reglas de precios y tarifas distintas, siempre que los principios fundamentales de eficiencia, suficiencia financiera y neutralidad se mantengan.

• Otro de los temas que deben reglamentarse son:

– Medición Neta

– Participación de la demanda: Hay una propuesta en discusión para facilitar la participación de la demanda como anillo de seguridad del cargo por confiabilidad.

� “El principio de adaptabilidad conduce a la incorporación de los avances de la ciencia y de la tecnología que aporten mayor calidad y eficiencia en la prestación del servicio al menor costo económico.”


Plan de acción (… mientras se dan los cambios en la política energética y en la regulación)

• Estudiar posibilidad de que ESCOS ó actuales ESP instalen equipos de generación a usuarios residenciales, comerciales y Pymes.

• Adelantar planes piloto de medición neta.• Adelantar planes piloto de RI.• Realizar taller con empresas que tengan experiencia en la aplicación de GD y RI.


Retos formación

Smart GridEngineering

AutomaticControl

Information Technology

Standards

Power Electronics

Computer Engineering

Marketing &

Economics

SystemTheory

EnergyConversion

Public Policy

Signal Processing

Transmission andDistributionEngineering

Engineering Physics

Fuente: Múltiples autores IEEE, Professional resources to implement “Smart grids”, to be presented North American Power Symposium, 2009.


Formación – Ingeniería EléctricaIELE 4113: Redes Inteligentes y Generación Distribuida

• Introducción.

• Tecnologías de generación, monitoreo y supervisión.

• Ubicación e instalación.

• Análisis de sistemas de potencia.

• Estrategias de control.

• Telecomunicaciones.

• Economía, regulación y aspectos ambientales.

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