Kitabı oxu: «Internet de las cosas aplicado a Generación Distribuida»

1.2. COMPONENTES Y TECNOLOGÍA

El sector eléctrico se encuentra transitando cambios sustanciales en estos tiempos, lo cual está provocando un replanteo del sistema y de sus infraestructuras a nivel global.

Las razones que están impulsando este cambio son múltiples, e incluyen consideraciones tanto a nivel local como global, de entre las cuales podemos destacar aquí algunas de ellas: la necesidad estratégica de diversificación en las fuentes de energía, el creciente desarrollo de las fuentes de energía renovables, los cambios en las necesidades de consumo energético del usuario, y el aumento de los niveles de calidad exigidos en la energía que llega al cliente.

Este contexto genera una coexistencia, cada vez mayor, entre la generación convencional y la generación distribuida, conocida como recursos energéticos distribuidos (REDs).

Esta tendencia va aumento con los años, y exige que el sistema evolucione a un modelo diferente y mucho más tecnológico, mucho más inteligente, conocido como Smart Grid (SG), o Red Eléctrica Inteligente (REI), la Guía AEA 92559 (Asociación Electrotécnica Argentina,2017) en Argentina, la define como

“La conjunción de la red eléctrica tradicional con tecnologías modernas de la información y comunicación, que permite integrar datos provenientes de los distintos puntos de la cadena eléctrica, desde el generador hasta el usuario final; y transformarlos en información y acciones que lleven a una mejora en su gestión. Su objetivo es elevar la eficiencia, confiabilidad, sustentabilidad, calidad de servicio y producto, para hacer frente a los nuevos desafíos de múltiples generadores diversos y estilos de consumo.” [1]

Analizando cada una de las frases podemos observar la necesidad de la Internet de las cosas y todos sus tecnologías y conceptos relacionados, aplicados para la administración de la red.

Una red inteligente, según AEA 92559, “permite integrar datos”, de aquí se puede desprender necesidades de procesamiento de grandes cantidades de datos, big data.

En una red inteligente, según AEA 92559, es necesario obtener datos medidos, “provenientes de los distintos puntos de la cadena eléctrica”, para ellos es necesario contar con dispositivos adaptados para esta función, pero sobre todo habla de dispositivos distribuidos en la red, IoT propiamente dicho.

Para finalmente, en una red inteligente según AEA 92559, “poder transformar estos datos en información y acciones que lleven a una mejora en su gestión”, orientándose claramente a la necesidad de la autogestión de la red.

Las consideraciones anteriores han traído como consecuencia un aumento de la complejidad en la gestión del sistema eléctrico, sobre todo en las áreas de distribución, donde el planteamiento de un modelo pasivo de consumo energético está dando paso a un aumento de la penetración de REDs y de la existencia de flujos de energía bidireccionales.

Para ello será necesario que el equipamiento que forma parte de las REI satisfaga estas nuevas necesidades, que en muchos casos van más allá de la propia electrónica de potencia.

Es este escenario donde los Dispositivos Electrónicos Inteligentes (DEI) cobran un valor fundamental, integrando los requisitos energéticos de una comunidad o ciudad, con las bondades y funcionalidades de los sistemas electrónicos existentes en el mercado.

Para el diseño de un DEI, es necesario en muchos casos sistemas embebidos en microcontroladores y/o microprocesadores capaces de poder manejar datos, y con gran capacidad de procesamiento, capaces además de poder comunicarse a distancias lejanas desde los puntos de toma de muestra y control de dicho dispositivo.

Pero más allá de las prestaciones que sean necesarias para este DEI, es necesario respetar ciertas características de los mismos, para poder satisfacer a los retos de la tecnología

Algunos de estos son:

i. Interacción en tiempo real entre el equipo y los sistemas cloud remoto para la gestión del sistema, así como con diferentes entidades que estén dentro del área de distribución.

ii. Integrabilidad, para poder vincularse en un sistema heterogéneo.

Una red inteligente vincula dos capas, una física, la capa de Potencia y otra de comunicación que podría ser subdividida a su vez, en una capa de comunicaciones propiamente dicha y una capa informática.

Existen distintos aportes de una REI a una RE, dentro de las más importantes se encuentra la bi-direccionalidad. Cuando hablamos de bi-direccionalidad, es decir al fluir de magnitudes en ambas direcciones, nos referimos a dos parámetros destacados, la energía eléctrica y los datos.

La infraestructura de una REI, es construida para establecer un medio de enlace de comunicaciones, que en muchos casos es compartido también por la energía eléctrica, dentro del medio de enlace de comunicación es posible establecer datos para medición, monitoreo, administración y control.

Existen definiciones alternativas de lo que es una REI en el mundo, por ejemplo, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica de los Estados Unidos (EPRI), brinda una nueva definición a la red inteligente. Definieron la red inteligente como una integración de tecnologías eléctricas y de información en la red eléctrica.

Sin embargo, una breve y amplia definición de una REI es la que brinda la IEEE, “Una Smart Grid abarca la integración de las distintas tecnologías de energía, comunicaciones e información para una infraestructura de energía eléctrica mejorada que sirve a las cargas y proporciona una evolución continua de las aplicaciones de uso final”. [5]

Además, proporciona las comparaciones entre una red eléctrica convencional y una red eléctrica inteligente.

[2] Cuadro comparativo entre una red eléctrica convencional y una inteligente.

En países pioneros en estas tecnologías han encontrado aspectos importantes a tener en cuenta en cuestiones de seguridad, tal es el caso de Estados Unidos. En dicho país, por ejemplo, el Departamento de Energía ha definido las características de una REI en una ley pública en el marco de la reunión de Seguridad e Independencia de Energía del año 2007.

La REI, ha sido aceptada como una meta para inspirar mejoras tecnológicas para ser aplicadas a la misma.

En dicha Ley existen varias secciones de políticas que incluyen la modernización de la red eléctrica, los sistemas de redes inteligentes, comité asesor y grupo de trabajo para redes inteligentes, investigación y desarrollo en redes inteligentes, marco de interoperabilidad y atributos de seguridad de red inteligente. Los requisitos y características de la caracterización de redes inteligentes, ha sido descrito tal como se muestra a continuación:

• Mayor uso de información digital y tecnología de controles para mejorar la confiabilidad, seguridad y eficiencia de la red eléctrica.

• Optimización dinámica de las operaciones y de los recursos de la red, con implementación de ciberseguridad.

• Despliegue e integración de recursos distribuidos y de generación, incluyendo recursos para generación eléctrica con fuentes renovables.

• Desarrollo e incorporación de respuesta a la demanda, recursos del lado de la demanda y recursos de eficiencia energética.

• Implementación de tecnologías “inteligentes” (en tiempo real y automatizadas, tecnologías interactivas que optimizan el funcionamiento físico de los dispositivos y dispositivos de consumo) tanto sea para la medición, las comunicaciones relacionadas con las operaciones y el estado de la red, y la automatización de la distribución de la energía.

• Integración de dispositivos “inteligentes” y dispositivos de consumo.

• Despliegue e integración de tecnologías avanzadas de almacenamiento de electricidad para compensación de picos de demanda, incluidos vehículos eléctricos, e híbridos.

• Ofrecimiento a los consumidores de información oportuna y opciones de control.

• Desarrollo de estándares para la comunicación e interoperabilidad de dispositivos y equipos conectados a la red eléctrica, incluida la infraestructura de la red.

• Identificación y reducción de barreras irrazonables o innecesarias para la adopción de tecnologías, prácticas y servicios de redes inteligentes. [3].

1.3. INFRAESTRUCTURA AVANZADA DE MEDICIÓN

Existen distintos tipos de dispositivos electrónicos utilizados en una REI, dichos dispositivos forman parte de la estructura avanzada de medición, AMI, del inglés Advanced Metering Infrastructure, tal es el caso de los sincrofasores, PMU del inglés phasor measurments units, estos son utilizados en las líneas de trasmisión de alta potencia, y son utilizados para garantizar protección, brindando datos de mediciones para predecir deficiencias o fallas en las líneas de transmisión, tensiones, frecuencias y fases. No vamos a detenernos en el detalle específico de estos componentes dado que son casi exclusivos para las líneas de transmisión de potencia, y se intenta dar un enfoque más orientado a la distribución local.

Otros de los dispositivos utilizados son los medidores inteligentes SM, del inglés Smart Meters, estos son vitales para la adquisición de datos de consumo tanto en alta tensión como en la red de baja tensión, y desde el punto de vista de la generación distribuida de energía son indispensables dado que permiten la medición de energía en ambos sentidos, dando lugar a esquemas de facturación que se tratarán más adelante y que fomentan a la descentralización de la generación.

Estos SMs pueden compartir sus datos a través de distintos medios de enlace, los hay compartiendo los conductores por donde además se transmite la energía, como los que transportan estos datos a través de medios independientes como es el caso que abordaremos en este trabajo, y el cual utiliza como medio de enlace el aire, utilizando tecnologías de radiofrecuencia con tecnologías de baja potencia de consumo, LPWAN, del inglés Low Power Wide Area Network.

En los que transmiten a través de los conductores, se hace uso de la bondad del desplazamiento en frecuencia portadora de los datos, a valores muy altos de frecuencia alrededor de 1 o 10 MHz dependiendo de la tecnología, lo que hace poco probable pérdida o colisión de datos por la señal de energía.

Dentro de las tecnologías más utilizadas, podemos observar el detalle que realizo la Guia AEA 92559 de la Asociación Eléctrica Argentina, en la cual adosa una capa más dentro de una REI.

• Capa de potencia y energía.

• Capa de comunicaciones.

• Capa informática.

La capa de potencia y energía es la capa donde se produce el despacho de energía, en algunas de las tecnologías coincide con la capa de comunicaciones.

En tanto la capa de comunicaciones e informática, son las capas donde se define al flujo de datos producto de mediciones, comandos, alarmas, estados, señalizaciones u otro tipo de variables que viajan desde y hacia cualquiera de los dispositivos o elementos que componen a la red eléctrica inteligente.

Las comunicaciones son la columna vertebral de una REI. Éstas juegan un papel fundamental, permitiendo a los diversos equipos distribuidos conectarse con los centros de gestión de la información.

Respecto al tipo de comunicaciones a la actualidad existen las siguientes

• Telefonía móvil: GSM (2G), GPRS/EDGE (2,5G), UTMS (3G), WiMax(4G), LTGE (4G).

• Telefonía fija.

• RF 2,4 GHz de Corto Alcance: ZigBee, Bluetooth, soluciones propietarias.

• Onda Portadora: PLC (Power Line Carrier Comunication).

• WiFi.

• Enlace por RF Soluciones propietarias.

• Fibra Óptica: Multi-modo, mono-modo.

• Satelital: LEO (Orbita baja) GEO (Geoestacionario) [1].

Cada una de ellas ofrece prestaciones diferenciadas las cuales se pueden apreciar en la siguiente Figura

Figura 1: Gráfico de alcance vs Velocidad, Tecnologías [1]

En los últimos años, la elección de las distintas tecnologías de comunicación aplicadas a una REI, presentó la siguiente distribución.

Figura 2: Evolución de tecnologías en REI. [1]

Es notable, ante el advenimiento de esta tecnología, el alto porcentaje de soluciones de comunicación de tipo propietaria, desarrollada ya sea por empresas como así también por Universidades y Centros de Investigación, casi en la misma cantidad que la tecnología PLC.

Si observamos, con el tiempo, esta proporción se hace cada vez más chica, esto se da en virtud de un aumento en soluciones de RF de corto alcance, ya estandarizadas. Surge acá un análisis de la importancia de la estandarización para poder implementar una REI, el uso de multiplataformas, favoreciendo a la industria abierta y competitiva, hace necesaria una integración de datos en todos sentidos para poder generar un ambiente de generación y consumo de los datos de medición y registro de fallas, surgiendo aquí una nueva definición, los prosumidores de información, aquellos terminales de medición que además de consumir información la generan.

Por otro lado, están los sensores inalámbricos de red, WSN, del inglés Wireless Sensor Network. El enfoque de este trabajo apunta a la utilización de tecnologías LPWAN utilizando la de la Alianza LoRa, para su implementación.

Para finalizar, dentro de los dispositivos que componen los AMIs en baja tensión, no podemos omitir a los analizadores de red, que son quienes realizarán las mediciones de la calidad de la energía generada por sistemas de generación distribuida, y mediante la información obtenida de los mismos es posible poder predecir fallas.

CAPÍTULO 02
ESTADO DEL ARTE
2.1. PROYECTO DE REDES INTELIGENTES CON ENERGÍA RENOVABLES (PRIER)
ARMSTRONG SANTA FE, ARGENTINA.

Existen distintos proyectos que integran redes inteligentes con energías renovables, el Proyecto de Redes Inteligentes con Energías Renovables, PRIER, que se encuentra localizado en Armstrong Santa Fe, es uno de ellos. El Proyecto de Redes Inteligentes con Energías Renovables (PRIER) apuntó a promover la participación activa del usuario en pos de acercar la generación al consumo. Entre sus objetivos, persigue generar experiencia para la diversificación de la matriz energética nacional con especial atención en el sector eléctrico. Las acciones para llevar adelante esta ambiciosa iniciativa comenzaron formalmente a principios de 2013 y se extendieron durante los próximos tres años, período en el que se conformó una red de generación distribuida utilizando energías renovables.

Su puesta en marcha estuvo a cargo de un consorcio asociativo público-privado que integraron el INTI, la Facultad Regional Rosario de UTN, y la Cooperativa de Provisión de Obras y Servicios Públicos y Crédito Ltda de Armstrong (CELAR).

En este proyecto la red convencional convive con la red inteligente y esta última será la encargada de administrar la inyección de energía con fuente renovable. En este sentido, el proyecto contempla el desarrollo y puesta a punto del conocimiento necesario para modificar las estructuras dominantes de las redes de distribución, transformándolas en redes que posean un rol activo, no sólo en lo que respecta al consumo de energía sino específicamente a su producción.

Para lograrlo se incentivó un programa de sensibilización, comunicación y capacitación en diferentes niveles para lograr una mayor participación de la población local en el proyecto bajo el concepto de prosumidores, término asociado a los consumidores de energía eléctrica que a su vez generan energía y la inyectan en la red eléctrica.

El desafío fue identificar los aspectos relevantes que aseguren los modelos de replicabilidad del proyecto que fomente la generación distribuida de energías renovables en el plano nacional.

El universo de replicabilidad es muy grande, prioritariamente se identifican en Argentina unas 418 cooperativas que distribuyen energía eléctrica, entre otros servicios, a más de 2.405.779 de usuarios. Solo en la provincia de Santa Fe, existen 59 cooperativas eléctricas, que con un marco normativo técnico adecuado serán objeto de los resultados del proyecto.

La Empresa Provincial de Energía de Santa Fe (EPE), distribuidora provincial a la cual se encuentra interconectada la CELAR, estableció en octubre de 2013 la Resolución 442 que habilita a la generación distribuida en baja y media tensión con fuentes renovables de energía y establece los procedimientos técnicos para las mismas.

El PRIER contempla la instalación de sistemas solares fotovoltaicos y aerogeneradores de baja potencia conectados a la red de distribución local, a su vez, una planta FV de 200 kW en el parque industrial, que conformó una mezcla de generación distribuida para entregar energía eléctrica a la red de distribución, más instalaciones de baja potencia.

Las instalaciones de baja potencia están ubicadas en distintos emplazamientos residenciales urbanos y espacios públicos. El criterio de selección se llevó a cabo en base a distintas consideraciones técnicas, como la ubicación geográfica, la orientación, las sombras y los tipos de techo, así como la capacidad de la subestación, entre otras variables.

Se recorrieron diferentes barrios de la ciudad de Armstrong para definir los sitios de instalación de los distintos sistemas distribuidos, teniendo en cuenta las evaluaciones socio-técnicas.

La cooperativa cuenta con una distribución en Media Tensión (MT) constituida por 6 circuitos alimentadores, cuatro de los cuales son urbanos (uno residencial, dos residenciales industriales y uno industrial) y dos rurales. Todos los alimentadores tienen una configuración radial con la posibilidad de anillarse en puntos estratégicos de la red, además coinciden con las seis salidas de celdas de MT de la subestación 33/13,2 kV.

2.2. CIUDADES ENERGÉTICAMENTE INTELIGENTES

La ciudad de Armstrong en Santa Fe, es una ciudad energéticamente inteligente dado que integra de manera equilibrada tres conceptos, la generación distribuida, el uso racional de la energía e internet de las cosas aplicado a la energía.

Dos de ellos, de los más difundidos a la hora de hablar de reducción de las pérdidas energéticas, una en el tendido eléctrico de transporte y distribución, y, por otro lado, el uso racional del recurso energético, que además de contemplar la utilización de dispositivos eléctricos de menor consumo y mejores prestaciones, incluye buenos hábitos en el uso de la energía.

i. GENERACIÓN DISTRIBUIDA, de energía eléctrica con fuente renovable.

ii. USO RACIONAL de la energía.

El tercer componente, es la posibilidad de registrar la generación de las fuentes renovables en una misma plataforma, replicando la posibilidad de una experiencia mucho más diversa que la que se presentó en este proyecto.

La necesidad de poder interactuar entre distintos equipos de medición, donde cada uno de ellos reporta a plataformas disímiles en su forma de administrar los datos hace prioritario una armonización de la información, en pos de poder aprovechar la misma para la mejora de la calidad de vida de los conciudadanos de una comunicad.

Es aquí donde aparece el concepto:

iii. IoT (Internet de las cosas) aplicado a energía.

Existen numerosas plataformas para poder desarrollar internet de las cosas, con eventual aplicación en energía, una de las que se lleva el mercado mayoritariamente es la ofrecida por Amazon, en su interfaz Amazon Web Service, deja al usuario desarrollador, la posibilidad de integrar datos, concibiendo la solución desde una instalación de servidor propio.

Por otro lado, ofrecen estructura pre diseñadas donde se puede montar los equipos que correspondan a una aplicación determinada, aplicando la estructura de solución que puede observarse en la Figura 4.

Figura 3: Aplicaciones reales del mundo IoT. [15]

Figura 4: Esquema representativo de IoT, en Amazon Web Service (AWS IoT). [20].

2.3. INTERNET DE LAS COSAS EN REDES ELECTRICAS INTELIGENTES

Desde 2011, y tras la aparición del nuevo concepto denominado Industria 4.0, y Ciudades Inteligentes como campo de aplicación de algunas tecnologías que devenían de la Industria, comenzó a avizorarse la incursión de la inteligencia en redes eléctricas en el sector de la distribución y usuario.

Este efecto, generó que varios interesados comenzaran a ocuparse de dicho escenario, con lo cual se comenzaron a incrementar el uso de tecnologías de comunicación de bajo costo y con gran alcance, muchas de ellas con presencia en el campo de IoT, aportando de esta manera, un valor significativo a los tipos de comunicaciones existentes.

Este nuevo concepto de red inteligente con aporte de IoT, necesitaba regulaciones, de hecho, en muchos de los casos, las apariciones de nuevas tecnologías de comunicación aplicadas a IoT, trae consigo un número elevado de desarrolladores que implementan soluciones con protocolos propios y sin estandarización, con lo cual la integración aparece como una meta muy lejana.

Como meta principal se siguen los lineamientos para poder alcanzar algunos de los objetivos que se alcanzarían con una red inteligente:

• Mayor eficiencia de la transmisión de la energía, tras la aparición de nuevas fuentes distribuidas de generación renovable.

• Con estas fuentes se disminuyen los picos de demanda.

• Rápida restauración del servicio, por medio de nodos concentradores que incrementan la velocidad de reacción localizada.

• De esta forma, se disminuyen los costos de operación por parte de las empresas administradores.

• Implementación de seguridad de los datos, con estándares informáticos aplicados en otros campos.

Esto genera áreas específicas de estudio que forman parte de Internet del Futuro, aparecen el IoT, Big Data y Cloud, como aportantes a distintos escenarios energéticos, y sus aportes como nuevas características disruptivas, las cuales pueden observarse de manera esquemática en el siguiente gráfico.

Esquema representativo de aportantes al nuevo sistema energético [9]

2.4. ACTORES VINCULADOS A LAS REDES ELÉCTRICAS INTELIGENTES

Si bien en una red eléctrica los actores estuvieron definidos desde hace décadas, la incursión de nuevas tecnologías genera aportantes y demandantes distintos, con interacción a nuevos proveedores de productos, servicios y soluciones. Eso lleva a un nuevo acuerdo para implementación de nuevas tecnologías, los actores podrían sintetizarse en los que aparecen en el siguiente esquema.

Esquema representativo de partes interesadas en una REI [6]

2.5. INFRAESTRUCTURA IoT EN REDES INTELIGENTES

Podemos considerar a la estructura de IoT en una red inteligente como la conjunción armónica de tres componentes principales.

• Dispositivos o endpoint IoT

• Red de comunicaciones

• Plataformas cloud

Los dispositivos IoT o endpoint IoT, que son conectados para interactuar en una red inteligente, deben cumplir ciertos requisitos que hacen al funcionamiento correcto, y sostenido en el tiempo.

Los mismos deben consumir la menor energía posible como para poder ser alimentados de manera externa a la energía de red, esto hace independiente su funcionamiento de la misma, y más fiable la información que entregue.

La red de comunicaciones, deben poder brindar un ancho de banda que propicie una comunicación armónica sin supresión o pérdida de datos de información, esta característica va orientada a garantizar la escalabilidad de la solución, la posibilidad de colocar cientos de dispositivos de monitoreo y control, sin caída del servicio ni perdida de información.

Como solución se presentan las plataformas cloud, estas son las encargadas de recibir la información, almacenarla en las bases de datos correspondientes, generalmente en implementaciones IoT, serán bases no secuenciales o NoSQL, y procesarlas para poder generar modelos de uso, tendencias y analizar patrones de fallas, para eventualmente poder realizar las acciones tendientes a eliminar las causas o reducir los efectos colaterales de las fallas.

La privacidad y seguridad informática son de las razones más importantes para tomar la decisión de elección de una plataforma, la integridad de los datos es un hecho crucial para lo que viene asociado a las redes inteligentes, la facturación, es indispensable garantizar metrológicamente los datos, ya que estamos en presencia de una transacción de tipo comercial.

Para tal fin, los dispositivos deben estar homologados, y trazados a las magnitudes que correspondan.