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Distribución con redes eléctricas inteligentes

La necesidad latente por modernizar el sector eléctrico a escala global ha hecho emerger la utilización de las redes inteligentes en el proceso de distribución. Países primermundistas planean su instalación en un plazo no mayor a 20 años.

     La operación del interruptor casi instantánea garantiza la coordinación de los alimentadores fallidos con el relevador del lado de baja del transformador.

Por Ricardo Mota Palomino.

En los últimos años se ha observado alrededor del planeta un gran interés por buscar la modernización de la infraestructura eléctrica, motivado, principalmente, por los grandes apagones sufridos en el Este de EUA y el Sureste de Canadá en el año 2003.

Particularmente, los cambios en las redes de distribución en el mundo son derivados de asuntos tan trascendentes como la escasez esperada y los altos precios de energéticos primarios convencionales; la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera, características de centrales generadoras basadas en la quema de hidrocarburos y carbón, así como la promoción del desarrollo de recursos de generación distribuidos y con base en recursos renovables. El otro motor fundamental para la modernización de las redes de distribución eléctrica es el mejoramiento de la calidad de energía, de la cual forma parte importante la confiabilidad y la continuidad del servicio.

En el caso de México, el tema ha cobrado importancia a raíz de la disolución del la compañía Luz y Fuerza del Centro, que proporcionaba el servicio público de energía eléctrica en la zona Metropolitana de la Ciudad de México y en las capitales de estados vecinos, como Hidalgo, Morelos y el Estado de México. Una mala calidad del servicio y altas pérdidas (diferencia entre la energía introducida al sistema y la energía facturada) han sido distintivas del servicio que ahora ofrece en esta zona la Comisión Federal de Electricidad.

Los planes de desarrollo, tanto de la Unión Europea al año 2020, como de los Estados Unidos para un horizonte de 20 años, han hecho emerger el concepto de “redes inteligentes” como un elemento esencial para estos procesos de modernización.

Visión a futuro
A diferencia de los sistemas de distribución convencionales que se caracterizan por una gran rigidez y automatización limitada, lo que ha derivado en la precariedad manifestada en una mala calidad en el servicio, el Departamento de Energía de los Estados Unidos ha presentado una “visión de futuro” que  plantea la importancia de los temas siguientes en una red de distribución eléctrica moderna:

Garantizar una mayor seguridad al personal que labora sobre los circuitos energizados al utilizar la tecnología

Reducir las pérdidas eléctricas y minimizar los daños debidos a fallas. Emplear las tecnologías existentes para acotar la brecha entre la energía que ingresa en un sistema de distribución y la energía que se factura a los clientes

Mejorar las prácticas de mantenimiento predictivo. Evitar las fallas en equipos desplegados en las redes de distribución mediante su supervisión con dispositivos electrónicos diseñados ex profeso

Automatización y autonomía operativa de redes Aprovechar la tecnología disponible para permitir la operación y decisiones autónomas de secciones del sistema de distribución mediante la implantación de dispositivos electrónicos inteligentes

Provisión local de servicios auxiliares o de confiabilidad. Usar recursos energéticos de capacidad pequeña para mejorar la continuidad en el servicio para los clientes del sistema

Reducción de costos de capital, operación y mantenimiento. El mejoramiento de la supervisión y las prácticas de mantenimiento en los equipos desplegados en las redes de distribución, derivadas de  la aplicación de la tecnología, facilitarán la optimización en el cuidado y explotación de los activos de la empresa distribuidora de energía

Servicios de tecnologías de información para un ambiente dinámico de mercado y servicios. La tecnología disponible permite flexibilizar las prácticas comerciales y diversificar los servicios que ofrece la empresa distribuidora de energía, facilitando el uso eficiente de la energía y el mejoramiento de los ingresos captados por la empresa

Formación intencional controlada de islas eléctricas. El uso de automatismos inteligentes permite la operación de islas eléctricas con autosuficiencia de generación en casos de emergencia

Flexibilidad para enfrentar contingencias. Un uso más intenso de dispositivos telecontrolados para reducir tiempos de interrupción y flexibilidad para la transferencia de carga entre circuitos, de manera que se optimice la operación

Almacenamiento de energía y electrónica de potencia. Aprovechamiento de la tecnología para incorporar a las redes cualquier posibilidad de generación de energía, incluidas las basadas en recursos renovables, aun de pequeña capacidad

Integración de recursos energéticos distribuidos. Incorporación de cualquier fuente de generación eléctrica a contrapuesta del paradigma de las grandes centrales de generación remotamente ubicadas respecto de los centros de consumo

El concepto de “redes inteligentes” considera que existe una serie de tecnologías maduras que pueden ser insertadas en las redes de distribución y suministro eléctrico para facilitar que se cumpla la visión de futuro de las redes de distribución. Estas tecnologías son:

La electrónica de potencia: utilizada para mejorar la calidad del servicio en media y baja tensión, y para incorporar fuentes de generación distribuida de media y pequeña capacidad

Conductores a base de superconductividad (alta temperatura): para propiciar el manejo de altas corrientes de falla y reducir las pérdidas en grandes concentraciones urbanas con cargas elevadas

Dispositivos para la detección y control de corrientes de falla: para propiciar el desarrollo de automatismos para el manejo eficiente de fallas y reducir los tiempos de control y restablecimiento

Carga que responda a señales del sistema o carga elástica: uso de recursos informáticos para flexibilizar la demanda de energía eléctrica, con base en los precios dependientes del tiempo, y reducción de la facturación de los clientes del sistema

Telecomunicaciones y control: aprovechamiento de la capacidad de los sistemas modernos para manejo de grandes volúmenes de información que requieren las operaciones de red inteligente y la comunicación entre clientes y empresas suministradoras

Estimación de estado local en tiempo real: supervisión en tiempo real para toma de decisiones técnico-económicas en media y baja tensión, inexistentes en la actualidad; acciones de rectificación para reducir las pérdidas en los sistemas de distribución

Agentes locales independientes: despliegue de sistemas computarizados sobre los postes y torres del sistema de distribución para el monitoreo, operación y control del sistema

Flexibilización del sistema y adaptabilidad ante contingencias: aprovechamiento del despliegue tecnológico existente en la actualidad para reducir las pérdidas en el sistema de distribución y mejorar la calidad del servicio y la calidad de la onda de voltaje; reducir la facturación de los clientes del sistema, e incorporar cualquier recurso energético disponible, principalmente del lado de los clientes del sistema

Modelo conceptual
Ante la oleada documental respecto del concepto de redes inteligentes, el National Institute of Standards and Technology (NIST) ha propuesto un modelo conceptual que presenta un marco de referencia de alto nivel para las redes inteligentes, donde define siete dominios importantes: generación en bloque, transmisión, distribución, cliente, operación, mercados y proveedores de servicios.

Fig. 1. Modelo conceptual de red inteligente (©ieee. www.ieee.org)

En este modelo, se muestran los flujos de comunicaciones y de energía o electricidad que conectan a cada dominio, y sus interrelaciones. Cada dominio individual comprende elementos importantes de redes inteligentes que se conectan entre sí a través de sistemas de comunicación bi-direccionales y mediante trayectorias de energía o electricidad. Estas conexiones son la base para las redes de electricidad futuras, inteligentes y dinámicas. El modelo conceptual de redes inteligentes del NIST ayuda a los interesados a entender los bloques constructivos de un sistema de red inteligente, desde la generación hasta los clientes, y explora la interrelación entre diferentes segmentos de una red inteligente (ver figura 1).

Fig. 2.  Dominio de la red de transmisión (©ieee. www.ieee.org)

En la figura 2 se muestra el dominio de distribución que sirve para colocar la energía eléctrica hacia y desde los clientes finales en una red inteligente. La red de distribución conecta  medidores  inteligentes, así como otros dispositivos inteligentes de campo, administrándolos y controlándolos mediante redes de comunicaciones alámbricas o inalámbricas de dos vías. También puede enlazar infraestructura de almacenamiento de energía y recursos de generación de energía distribuida a nivel de la red de distribución.

Fig. 3.  Dominio del cliente en una red inteligente (©ieee. www.ieee.org)

La figura 3 presenta el dominio del cliente de la red inteligente, que es donde los usuarios finales de le electricidad (domésticos, comercios y edificios, e industrias) se conectan y relacionan con la red de distribución eléctrica mediante medidores inteligentes. Los medidores inteligentes controlan y administran el flujo de electricidad desde y hacia el consumidor, y proporcionan información energética sobre el uso y patrones de consumo. Cada cliente tiene un dominio discreto que considera premisas sobre su consumo de electricidad y un sistema de comunicación bidireccional. Un dominio de cliente puede también generar, almacenar y administrar el uso de energía en su instalación, así como la conectividad con vehículos eléctricos “enchufables”.

Fig. 4. Dominio del proveedor de servicios. (©ieee. www.ieee.org)

De manera complementaria, la figura 4 deja ver el dominio del proveedor de servicios en una red inteligente que maneja operaciones por un tercero entre los dominios. Este dominio puede incluir portales web que proporcionan servicios de manejo de eficiencia energética a clientes finales, intercambio de datos entre clientes y empresa eléctrica, en relación con el manejo de energía y considerando la electricidad que se entrega a casas y edificios. También puede manejar otros procesos para las empresas eléctricas, como programas de respuesta de la demanda, manejo de fallas y servicios de campo.

Situación nacional
A raíz de la disolución de la compañía Luz y Fuerza del Centro, el servicio público de energía eléctrica en México es suministrado en forma monopólica. En particular, las redes de distribución de la CFE atienden a más de 23 millones de clientes mediante la organización de más de 123 zonas de distribución a lo largo y ancho del territorio nacional. A pesar de que las redes de distribución requieren alrededor de 40 por ciento de las inversiones anuales de la empresa, siguen siendo operadas de manera convencional, mientras que el marco regulatorio no ha propiciado la modernización de las instalaciones, la calidad y la diversidad de servicios. No obstante, la CFE y el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) han seguido el desarrollo de los procesos de modernización del sector eléctrico en otros países.

Ante la necesidad de posicionar a la Comisión Federal de Electricidad, autodeclarada empresa de clase mundial, la emergencia del concepto de red inteligente permite notar que, desde el punto de vista de la empresa eléctrica, es posible mejorar sus ingresos con la aplicación de la tecnología para aumentar sus percepciones mediante la recuperación de las altas pérdidas (34 por ciento en la zona antes atendida por Luz y Fuerza del Centro). Para sus clientes, la aplicación de esta tecnología puede resultar en la reducción de sus costos mediante un mejor uso de la energía eléctrica y un servicio de mayor calidad, gracias al mejoramiento de los indicadores de confiabilidad no mandatorios en México, pero que son perseguidos por empresas de otras latitudes para beneficio de sus clientes.

Es pertinente la promoción de una revisión del marco regulatorio del sector eléctrico mexicano para efectuar la modernización y eficiencia en beneficio de todos los participantes del mercado eléctrico nacional.
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Ricardo Mota Palomino
Es Ingeniero Electricista y Maestro en Ciencias por el IPN. Ph.D. en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Waterloo, Ontario. Es profesor titular del posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN. Ha fungido como consultor de diversas empresas del Istmo Centroamericano y El Caribe, así como de Luz y Fuerza del Centro y la Comisión Federal de Electricidad en diversos temas relacionados con la operación y planeación de sistemas eléctricos.
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Referencias:

Transmission Technology Road Map, Boneville Power Administration, Technology Innovation Office, September 2006.

Technology Briefs, Overview of Advanced Electric Delivery Technologies, US DOE, Agosto 2004.

Electrical Distribution Networks, N. Hadjsaid, J.C. Sabonnadière, J Wiley, 2011

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