Redes Inteligentes: Mejorando la confiabilidad y facilitando

la incorporacin de tecnologas bajas en emisiones

Alejandro Navarro Espinosa, PhD

Consultor Experto Systep Ingeniera y Diseos

Investigador Senior Centro de Energa de la Universidad de Chile

Sesin 8

Ciudad de Panam, Panam

Septiembre, 2016

Antes de empezar.

Los resultados indicados en esta presentacin han sido construidos en

diversas colaboraciones con:

Dr. Luis Nando Ochoa de la Universidad de Manchester.

Dr. Rodrigo Moreno de la Universidad de Chile.

Dr. Hugh Rudnick de la consultora Systep.

Motivacin: Por que estamos ac?

Movernos a una economa baja en carbono es fundamental para

enfrentar el cambio climtico.

La adopcin residencial de tecnologas bajas en emisiones de carbono

(LCT) puede ayudar a alcanzar este objetivo.

Estas LCT pueden producir impactos tcnicos en las redes de

distribucin.

Para facilitar la adopcin de estas tecnologas en las redes de

distribucin se requiere entender detalladamente sus impactos, para

que as las potenciales soluciones puedan ser desarrolladas e

implementadas.

Un poco de contexto: Sistema Elctrico Tradicional

Generacin

Transmisin

Distribucin

Hacia donde nos estamos moviendo: Sistemas Inteligentes

5

Control

Control

SPS

SPS

De qu nos preocuparemos hoy?

Control

Control

SPS

SPS

Sistema de Distribucin, que representan bsicamente donde se conectan nuestros hogares

De qu nos preocuparemos hoy?

Control

Control

SPS

SPS

Particularmente de las redes inteligentes en los sistemas de distribucin para:

Facilitar la adopcin de tecnologas bajas en emisiones de carbono a nivel residencial.

Aumentar la confiabilidad de los sistemas de distribucin.

Como facilitar la adopcin de tecnologas bajas

en emisiones de carbono (LCT) en la red de

distribucin?

Sistemas de Distribucin y LCT

0 100 200 300 400 500 6000

100

200

300

400

500

[m]

[m]

Feeder 3

Feeder 4

Feeder 5

Feeder 2 Feeder 6

Feeder 7

Feeder 1

Consumos Residenciales

Vehculos Elctricos Paneles Solares

Bombas de Calor

Micro - cogeneracin

Redes de Distribucin

Elementos relevantes de las LCTs

Estas tecnologas se conectan principalmente en baja tensin (consumos

residenciales), donde las distribuidoras a la fecha no tienen un conocimiento

detallado de las mismas.

Estas tecnologas avanzan paulatinamente hacia la electrificacin del vector

de energa (electricidad, calor, transporte).

Podran ser incorporadas por clientes residenciales sin conocimiento explcito

por parte de la distribuidora (localizacin aleatoria en la red de

distribucin).

Los tamaos de la tecnologa sern diversos en funcin de las elecciones y

necesidades de los clientes (tamaos aleatorios de la tecnologa).

Elementos relevantes de las LCTs

Las redes de distribucin a las cuales se conectan las LCTs no fueron

diseadas pensando en su incorporacin.

Power Power

Paneles solares que de acuerdo al nivel de adopcin (% de las casas con

instalaciones solares) y del tamao (i.e., 0.5 4 kW) puede revertir flujos de

potencia, provocar alza en voltajes y sobrecarga en las instalaciones.

0 50 100 150 200 250 3000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

24 Hours - 5 min resolution

[kW

]

Profile 1

Profile 2

Profile 3

0 50 100 150 200 250 3000

200

400

600

800

1000

1200

24 hours - 5 minutes resolution

[W/m

2]

Ejemplo radiacin solar Perfiles de generacin solar

Produccin de residencial de electricidad

Vehculos elctricos, cargas al sistema de

distribucin, la energa para su

movimiento es almacenada en bateras

que son suministradas a travs de la red

elctrica (i.e., 24 kWh, 3.5 kW).

Su consumo depende del patrn de uso y

de carga que realicen sus dueos.

0 50 100 150 200 250 3000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

24 Hours - 5 min resolution

[kW

]

Profile 1

Profile 2

Profile 3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

24 hours - 15 minutes resolution

Pro

babili

ty [

%]

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

10

12

14

Energy Demanded [kWh]

Pro

babili

ty [

%]

Electrificacin del transportePe

rfile

s d

e v

ehc

ulo

s el

ctr

ico

s

Bombas de calor, nuevas cargas elctricas, que mueven calor desde fuera

del hogar al interior del mismo, para lo cual requieren consumir

electricidad desde la red (alta eficiencia), con tamaos de entre 2 a 7 kW.

El patrn de consumo depender de los requerimientos de calor del hogar

(temperatura ambiental, temperatura del hogar, aislacin de la casa,

mecanismos de transferencia).

0 50 100 150 200 250 300-5

0

5

10

C

24 Hours - 5 min resolution

0 50 100 150 200 250 3000

5

10

15

kW

Temperature

Auxiliary Heater

EHP Consumption

EHP Production

0 50 100 150 200 250 300-5

0

5

10

C

24 Hours - 5 min resolution

0 50 100 150 200 250 3000

5

10

15

kW

Temperature

Auxiliary Heater

EHP Consumption

EHP Production

Electrificacin del calor

Perfiles Bombas de Calor

Las nuevas tecnologas varan su comportamiento a lo largo del da y por

tanto sus potenciales impactos dependern tambin temporalmente de su

coincidencia con la carga (importancia de la dimensin temporal)

.

0 50 100 150 200 250 3000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

24 Hours - 5 min resolution

[kW

]

Profile 1

Profile 2

Profile 3

Diversidad en el comportamiento de los clientes en forma individual

Demanda Residencial

0 50 100 150 200 250 300-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

24 hours-5 min resolution

[kW

]

Load consumption

PV generation

Net Load

Coincidencia temporal de la carga y las LCTs

Es clave: modelar la temporalidad de las nuevas tecnologas y de la

carga, la aleatoriedad de su ubicacin y tamao, y la caracterstica

desbalanceada de las redes de distribucin.

Random allocation of loads

Random allocation of LCT

Three phase four wire simulation

Metric Determination: Voltage Issues and Congestion

For

eac

h p

en

etr

atio

n le

vel

For

eac

h s

imu

lati

on

For

eac

h f

ee

de

r

Storing Simulation Results

Storing Feeder Results

For

eac

h L

CT

Creation of LV feeders Creation of profiles

Caractersticas principales

Monte Carlo SimulationsTimes Series Analysis

3 unbalance power flow

Evaluando los impactos

De cada simulacin se obtiene los voltajes y corrientes para cada uno de

los periodos del da para cada uno de los nodos de la red.

0

20

40

60

80 050

100150

200250

300

228

230

232

234

236

238

24 hours - 5 minutes Resolution

Voltage Profile in each load

Loads

V

3.9055 3.906 3.9065 3.907 3.9075 3.908 3.9085 3.909 3.9095

x 105

3.9285

3.929

3.9295

3.93

3.9305

3.931

3.9315

3.932

x 105

[m]

[m]

Evaluando los impactos flujos diarios de potencia

Para condensar las simulaciones se

pueden utilizar los siguientes ndices:

Porcentaje de los clientes con

problemas de voltaje.

Nivel de utilizacin en la cabecera

del alimentador.

0 100 200 300 400 500 6000

100

200

300

400

500

[m]

[m]

Network 15

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

PV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

Feeder 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

100

120

140

PV Penetration [%]

Utiliz

ation L

evel [%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

Feeder 4

Feeder 5

Feeder 6

Feeder 7

Voltaje

Congestin

Evaluando los impactos Ejemplo PV

Tanto las decisiones de inversin como de operacin en redes inteligentes

son relevantes para avanzar en la incorporacin LCTs.

Ejemplos:

Incorporacin de almacenamiento de energa (residencial o a nivel de

la distribuidora).

Uso de cambiadores de TAP en trasformadores de distribucin.

Conexin de redes radiales de distribucin (enmallamiento).

Equipos de control y comunicacin para el manejo de recursos

distribuidos.

Incorporando LCTs Redes inteligentes

Pasando de redes normalmente radiales a redes enmalladas o con laposibilidad de conexin dinmica (estado cambiando a lo largo del dasoft-open points)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

10

20

30

40

50

60

PV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Subte1 - Feeder

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

5

10

15

20

25

PV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Subte1 - Feeder

4

Caso radial Caso enmallado

Operacin enmallada de la red Redes inteligentes

Ubicacin de bateras en redes de distribucin:

Escala residencial (una por casa)

Nivel de distribuidora (una por red BT, o por alimentador MT)

Main Grid

FeederPart A

Feeder Part B

Almacenamiento de Energa Redes inteligentes

Ubicacin de bateras en redes de distribucin:

Escala residencial (una por casa)

Nivel de distribuidora (una por red BT, o por alimentador MT)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

10

20

30

40

50

60

70

80

PV Penetration [%]

Cu

sto

me

rs [

%]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

2

4

6

8

10

PV Penetration [%]

Custo

mers

[%

]

Con bateraSin batera

Almacenamiento de Energa Redes inteligentes

Almacenamiento de energa (no es solo bateras): Termos de agua caliente

para los requerimientos diarios de un hogar

Water Storage Tank for Space

Heating

Domestic Hot Water Storage

EHP

DHW

(DT)Losses

(LT)

House Heat

Requirement (Qh)Losses

(LS)

Storage Heat

Requirement (QS)

DHW Tank

Requirement (QT)

Room Temperature

(TH)

TS: storage Temperature

TT:DHW temperature

House losses (LH)

Outside Temperature

Q EHP

Posibilidad de pre-calentar el hogar antes del horario de punta.Usar capacidad de almacenamiento no solo del agua sino potencialmente tambin del edificio.

Almacenamiento de Energa Redes inteligentes

Posibilidad de traspasar carga de un periodo a otro, posponiendo o

adelantando el periodo de lavado (lavado + secado de ropa,

lavavajillas)

Normal Modificando el lavado

Ejemplo: Lavadoras

Artefactos inteligentes en el hogar

Modificacin del voltaje de referencia en el trasformador de

distribucin (11kV/400V) para disminuir los problemas de voltaje

con la adopcin de nuevas tecnologas.

Cambiadores de TAP (OLTC) en redes de distribucin

La posibilidad de control y comunicacin permite eliminar casi la

totalidad de los problemas de voltaje en la red analizada.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

10

20

30

40

50

60

PV Penetration [%]

Voltage P

roble

ms [%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

PV Penetration [%]

Voltage P

roble

ms [%

]

Feeder 1

Feeder 2

Feeder 3

OLTC comunicado con el ltimo nodo

Cambiadores de TAP (OLTC) en redes de distribucin

Como aumentar la confiabilidad de nuestros

sistemas de distribucin?

Los ndices en distribucin (MT) estn asociados a la frecuencia y tiempo

de interrupciones por transformador y capacidad instalada.

Tasas de falla y tiempos de recuperacin son utilizados para el clculo de

los ndices de confiabilidad.

Tiempos de Reparacin Tasas de Falla

Confiabilidad en Sistemas de Distribucin

Dada la gran cantidad de elementos y combinaciones de potenciales

fallas y tiempos de recuperacin, el anlisis de confiabilidad se

realiza utilizando la metodologa de Monte Carlo (1000 sim.).

3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3

x 104

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

9500

Histograma de ndices resultantes de las 1000 simulaciones

Ejemplo: TTIK

Confiabilidad en Sistemas de Distribucin

TTIK: Tiempo total de

interrupcin por kVA.

Para cumplir con los estndares exigidos por la autoridad, la

aproximacin tradicional corresponde a la utilizacin de respaldos:

SE SE

Alimentador 1 Alimentador 2

Alimentador 3

Alimentador 4

Isla 1.1

Isla 2.1

Isla 2.2

Isla 3.1

Isla 3.2

Isla 4.1

Isla 4.2Isla 2.1

RESPALDO

1. Cada alimentador es

seccionado en islas de 1/3

de la capacidad total.

2. Se trazan los respaldos por

distancia mnima entre islas

de alimentadores distintos.

3. Se define el trazado troncal:

grafo que conecta las islas y

respaldo, con la capacidad de

suministrar el respaldo.

Confiabilidad en Sistemas de Distribucin - Respaldos

En este esquema de respaldo son fundamentales los tiempos de

maniobra para el traspaso de carga.

SE SE

Alimentador 1 Alimentador 2

Alimentador 3

Alimentador 4

Isla 1.1

Isla 2.1

Isla 2.2

Isla 3.1

Isla 3.2

Isla 4.1

Isla 4.2Isla 2.1

RESPALDO

Re-conectadores

Seccionalizadores

En este caso, se asume

un tiempo para la

maniobra de traspaso de

carga de 45 minutos

(promedio DNO)

Esquema de Respaldos en distribucin

Mejoramiento del indicador dada la presencia del respaldo.

Sin Respaldo Con Respaldo Manual

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

140

160

180TTIK del Alimentador 196

TTIK

Num

Ye

ars

Resultados del anlisis de confiabilidad - Ejemplo

Qu pasa si agregamos automatismos a nuestro sistema de

distribucin?

Por ejemplo al considerar que los tiempos de los equipos de maniobra son

cero (reconectadores telecomandados para el traspaso de carga)

Sin Respaldo Con Respaldo Automtico

0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250TTIK del Alimentador 196

TTIK

Num

Ye

ars

Confiabilidad en Redes Inteligentes !!!

Los problemas tcnicos debidos a la incorporacin de LCTs

dependern de las caractersticas de cada red. Sin embargo se

observa que para niveles de 20-30% de penetracin no hay

problemas significativos.

Si los niveles de penetracin de LCTs aumentan, hoy tenemos las

tecnologas inteligentes para minimizar sus impactos, retardando la

ocurrencia de problemas tcnicos.

La incorporacin de equipos inteligentes ayuda a mejorar

considerablemente los ndices de confiabilidad exigidos por la

autoridad.

Consideraciones Finales

Movernos hacia una mayor participacin de las LCTs depende de

nosotros, debemos entonces preguntarnos si queremos avanzar

realmente en esta direccin?

-1 0 1 2 3 4 5 6 7

x 104

-1

0

1

2

3

4

5

6

7x 10

4

Como hacer de las redes inteligentes alternativas de inversin y operacin en los

procesos y prcticas de regulacin y planificacin (de autoridades y distribuidoras)

de las redes de distribucin considerando su naturaleza de gran tamao?

35

El Gran Desafo !!!!! en mi humilde opinion

Problema complejo a resolver:

Por ejemplo en el caso de Santiago se tiene:

~1,700,000 clientes.

~20,000 MV/LV transformadores

~9,500 km de redes de baja tensin

~5,000 km de redes de media tensin

3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1

x 104

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

x 104