Abril de 2014

RESUMEN

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SMART GRIDS EN LA INDUSTRIA: CARACTERIZACIÓN DE LAS CARGAS

La eficiencia energética en la industria sigue siendo un tema de gran importancia en el mundo, debido a la reducción de costos que se obtienen con la aplicación de los planes de acción. Aunque estos métodos han logrado alcanzar grandes reducciones de costos, la sostenibilidad se hace necesaria y puede lograrse con la aplicación de sistemas más avanzados como las redes inteligentes (Smart Grids) en la industria. Este artículo presenta la descripción del método de caracterización de cargas y consumos mediante el uso de medición inteligente, el cual se puede utilizar como apoyo a la identificación de ahorros energéticos y al monitoreo continuo de los consumos para la sostenibilidad. Las técnicas utilizadas para monitorear las cargas en tiempo real permiten la identificación de los tipos de cargas más influyentes de la instalación, su contribución en las curvas de consumo, los estados de las cargas, los cuales pueden ser útiles para la predicción de demanda, acciones de mejora, reducción de costos, entre otros. Estos métodos aplicados a instalaciones eléctricas permiten un mayor ahorro energético, debido a los detalles de la instalación que pueden ofrecer. Su aplicación a la industria deben evaluarse de acuerdo al costo beneficio, debido a los requerimientos de tecnologías que pueden ser necesarias para su implementación.

Palabras clave - Eficiencia energética, Smart Grids, reducción de costos, industria, caracterización de cargas

La eficiencia y el ahorro energético en la industria han sido ampliamente trabajados de acuerdo a los planes de acción a nivel mundial. En cuanto a consumos eléctricos, se han logrado grandes beneficios económicos para los diferentes sectores económicos. Las actividades más relevantes de los planes de acción consideran cambio de equipos, mantenimiento de equipos, reprogramación de actividades, mejoramiento de la cadena de procesos, lo cual puede representar una disminución en los gastos a largo plazo, pero que requieren de planes avanzados para garantizar su sostenibilidad.

La aplicación de estos planes en la industria pueden alcanzar un máximo porcentaje de ahorro y tornarse difícil una mayor recuperación debido a la complejidad en la infraestructura energética, dado el volumen y heterogeneidad de su consumo. Para algunas empresas los ahorros debido a la aplicación de estos planes pueden no ser significativos, pero se pueden lograr obtener buenos beneficios económicos a largo plazo, con la aplicación de nuevas metodologías y sistemas avanzados, que proporcionen una optimización del consumo, reduciendo a la vez costos y emisiones contaminantes.

Uno de los inconvenientes para la aplicación de mejores planes de eficiencia y ahorro energético es que a través de la historia, los usuarios finales del servicio de energía eléctrica han sido participantes pasivos dentro de los sistemas de potencia.

John Edwin Candelo - Diana Racines Universidad del Norte

1. INTRODUCCIÓN

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Los usuarios se han limitado al consumo de energía eléctrica de acuerdo a sus necesidades y hábitos sin requerir información detallada.

Muchos de los usuarios industriales poseen solo medidores que entregan información básica como consumos de energía eléctrica, tarifas, curvas y otros factores de poca relevancia y son poco útiles para la gestión energética. Esto implica que los consumidores no poseen las herramientas suficientes para ser conscientes de su consumo de energía e identificar formas de hacer un mejor uso del recurso.

Las redes inteligentes buscan usuarios más activos que puedan ofrecer mayor información sobre el comportamiento del consumo y al mismo tiempo que puedan ofrecer beneficios económicos, monitoreo contínuo, soluciones de control, entre otras. Esto, requiere de la implementación de nuevas herramientas y tecnologías que permitan que los usuarios se conviertan realmente en participantes activos. Esto va acorde con la tendencia mundial de los consumidores de cualquier servicio o producto, los cuales, ante el surgimiento de nuevas tecnologías, desean conocer sus opciones y tener cierto grado de control sobre sus decisiones.

La falta de medición inteligente en la industria no permite llevar a cabo una aplicación más eficiente de cada una de las técnicas de ahorro. La sostenibilidad energética en la industria requiere de la identificación del desempeño del sistema, para ello es necesario el monitoreo contínuo. Mediante esto se podrá realizar un desarrollo de mejores técnicas. De esta forma, se pone en evidencia que el desarrollo de nuevas herramientas para los usuarios finales del servicio de energía eléctrica, permite

generar muchas oportunidades ante la implementación de las redes eléctricas inteligentes.

La caracterización de cargas mediante el monitoreo con medidores inteligentes es una gran opción para lograr un mayor ahorro energético, lo cual se puede lograr con el uso de sistemas expertos inteligentes. Esto permite la identificación de formas de consumos, horas de acción de cada equipo, eficiencias alcanzadas por equipo o grupo de equipos, entre otras. Las acciones de ahorro se pueden programar con el conocimiento detallado de la forma de consumir de cada usuario industrial.

El concepto de Smart Grid busca transformar la red eléctrica de potencia tradicional mediante la implementación de técnicas avanzadas de control y comunicación, y otras formas de tecnologías de la información, desde las etapas de generación, transmisión y distribución hasta las cargas de los usuarios. Por lo tanto, esta red puede integrar inteligentemente las acciones de todos los agentes conectados a ella, con el fin de entregar eficientemente suministros de electricidad sostenibles, económicos y seguros.

De acuerdo con esto, una red eléctrica inteligente tiene objetivos como: permitir a los consumidores jugar un papel importante en la optimización del sistema; reducir significativamente el impacto ambiental de todo el sistema de suministro de energía eléctrica; ofrecer mejores niveles de confiabilidad y seguridad del suministro; y facilitar la conexión y operación de generadores de todos los tamaños y tecnologías. En la figura 1 pueden observarse las características principales de una Smart Grid.

2. SMART GRID

Fuentes alternas

Automatización, control, medida y

protección

Generación distribuida

Generación sostenible

Participación activa de clientes

Smart grid

Figura 1. Características principales de una Smart Grid

En cuanto a los usuarios finales, la red debe proporcionarles la posibilidad de contar con servicios como:

Recibir precios dinámicos de electricidad, así como los medios e incentivos para usar esta información a su conveniencia.

Comprar su servicio de electricidad a cualquier fuente que ellos escojan en mercados abiertos y competitivos.

Tener un sistema de servicio de electricidad confiable y de calidad que proteja la vida y la seguridad bajo todas las condiciones.

Acceder, en todo momento y de forma transparente, a las métricas de desempeño de su sistema de servicio de electricidad.

Una de las herramientas principales con la que deben contar los consumidores son los medidores inteligentes, ya que estos además de medir el consumo de energía eléctrica proporcionan información adicional sobre dicho consumo. Por lo tanto, estos medidores por sí solos proporcionan información útil sobre las características de consumo, y además facilitan la implementación de otras herramientas que incrementan el beneficio tanto para los usuarios como para el sistema.

Caracterizar el consumo de energía eléctrica de una instalación específica, implica conocer en detalle la manera en que las cargas conectadas a ella lo conforman, principalmente determinando qué porcentaje consume cada carga con relación al consumo total. Más allá de esto, también interesa conocer el comportamiento de cada tipo de carga y su influencia en la instalación de acuerdo a su nivel de consumo, frecuencia de uso y número de dispositivos presentes.

Por lo general, este tipo de información suele obtenerse a través de estudios de la instalación para los cuales es necesario recolectar y analizar datos históricos, realizar numerosas medidas sobre los dispositivos y realizar encuestas sobre el uso y características de estos, lo cual es un proceso que requiere de tiempo y dinero. Ante esto pueden surgir varios interrogantes tales como: ¿Qué sucede si se incorporan nuevas cargas a la instalación? o ¿Qué pasa si con el tiempo cambian los hábitos de consumo?. La respuesta más viable es que la caracterización realizada deja de tener validez.

De acuerdo con lo anterior, surge el interés por lograr realizar una caracterización de cargas en tiempo real de una manera más eficiente y flexible. La solución a esto se encuentra en las funcionalidades de una red eléctrica inteligente, teniendo en cuenta su compromiso por lograr una participación activa de los usuarios y mejorar la eficiencia energética a lo largo de todo el sistema.

Teniendo en cuenta la premisa de que no se puede gestionar lo que no se conoce, la información detallada del consumo de energía proporciona las bases para la toma de decisiones y ejecución de acciones que conlleven a un uso óptimo de la energía.

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3. CARACTERIZACIÓN DE LAS CARGAS

Mediante la integración de nuevas técnicas y tecnologías en las instalaciones de los consumidores, es posible desarrollar sistemas de gestión de la energía capaces de monitorear y controlar los consumos energéticos. El fin principal es gestionar las operaciones diarias de energía de tal forma que resulte en ahorro energético y al mismo tiempo se garanticen niveles deseados de operación y confort.

Estos sistemas están conformados tanto por hardware como por software, en los cuales se pueden emplear diversas tecnologías. La parte de hardware está conformada por elementos que permiten conocer en tiempo real los consumos de energía y los parámetros que se deseen. Se pueden sumar otros tipos de elementos como sensores de temperatura o de humedad de tal forma que otros factores influyentes sean tenidos en cuenta para determinar el uso de los dispositivos eléctricos. Toda la información capturada es enviada a la parte de software, la cual la compila y realiza numerosos análisis sobre ella que pueden ser visualizados por los usuarios.

4. HERRAMIENTAS DE CARACTERIZACIÓN

Adicionalmente, pueden incluirse acciones automáticas de control sobre las cargas de acuerdo a reglas deseadas previamente establecidas. La información obtenida por estos sistemas permite a los usuarios tener las bases para tomar decisiones sobre el consumo de sus dispositivos eléctricos, y también permite el desarrollo de modelos inteligentes que tomen decisiones y controlen las cargas haciendo una gestión inmediata de la energía.

Las técnicas de medición para la identificación y caracterización de carga se pueden clasificar como técnicas de monitoreo intrusivas y no intrusivas. Las técnicas de monitoreo intrusivas consideran la instalación de medidores inteligentes a través de la red eléctrica interna para lograr una medición de diferentes circuitos y cargas importantes. Uno de los inconvenientes de este tipo de técnicas son los costos que pueden representar un número considerable de medidores, por lo cual puede ser preferible agrupar cargas por circuitos para medirlas y poder gestionarlas por grupos.

Las técnicas de monitoreo no intrusivo o NILM (Non Intrusive Load Monitoring), se basan en la instalación de una sola medición en el punto principal de la instalación eléctrica. Este consumo general debe ser desagregado de tal forma que pueda ser estimado el consumo de las cargas individuales que lo conforman. De esta forma, el hardware necesario es simple, pero el software es más complejo. Este último elemento debe ser capaz de identificar en un consumo de energía total las características de cada carga de tal forma que establezca cuales de ellas consumen en cada momento.

Por lo general, estos sistemas se basan en la detección de eventos, entendidos como un cambio en el nivel de consumo total de potencia que está asociado a una transición del estado de operación de una o varias cargas. Así, puede realizarse un seguimiento de las transiciones de estado de cada dispositivo, detectando cada evento mediante un algoritmo de identificación aplicado a la curva general de consumo. Las características registradas alrededor del punto donde ocurre un evento son posteriormente clasificadas de acuerdo a un conjunto de reglas empleando métodos de aprendizaje automático.

Las cargas individuales pueden identificarse sin necesidad de ser directamente medidas ya que cada una presenta características específicas en el comportamiento de su consumo de energía. Por lo tanto, cualquier carga eléctrica puede ser distinguida por sus cambios transitorios, sus niveles de estado estacionario, o una combinación de ambos. Pueden considerarse parámetros tales como potencia activa, potencia reactiva, admitancia, corriente, contenido de armónicos y comportamiento de los transitorios. Muchas de estas características pueden ser obtenidas de medidores de energía inteligentes, por lo que ante su creciente implementación se ha incentivado el desarrollo de sistemas de monitoreo no intrusivo de carga en los diferentes tipos de instalaciones.

La principal ventaja de estos sistemas es que permiten realizar una caracterización de las cargas a un bajo costo ya que solo se requiere de la instalación de un solo medidor de energía evitando así la complejidad que puede representar el monitoreo tradicional, sobre todo en instalaciones con un número alto de cargas.

Estas técnicas de monitoreo para la caracterización de cargas le permiten a clientes industriales con sistemas complejos, contar con una representación de sus instalaciones eléctricas, los consumos en tiempo real, la identificación de posibles ahorros energéticos en la instalación, la identificación de salida de mantenimientos, daños en equipos, entre otras características que posibilitan una gestión de la red eléctrica más detallada.

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Figura 2. Diagrama de bloques de un sistema de monitoreo no intrusivo de carga

El marco que proporciona la implementación de redes eléctricas inteligentes promueve el desarrollo de herramientas que conllevan a la participación activa de los usuarios. Para estos últimos, se identifica como uno de los aspectos de mayor interés el tener conocimiento sobre la forma como se comporta su consumo de energía en todo momento, es decir, caracterizar su consumo.

Los sistemas de monitoreo proporcionan la información necesaria para realizar una caracterización de los consumos, permitiendo identificar medidas de conservación de la energía, modificar los usos, analizar tendencias y en general realizar acciones en pro de la eficiencia energética.

Para los usuarios industriales, la caracterización de sus consumos en tiempo real les permite controlar costos y mejorar la eficiencia energética de sus plantas, procesos y dispositivos. De esta forma, no solo se convierten en usuarios de participación activa sino que además se convierten en usuarios inteligentes, los cuales toman decisiones fundamentadas sobre su uso de la energía eléctrica.

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CONCLUSIONES

C. W. Gellings, The Smart Grid: Enabling Energy Efficiency and Demand Response. Lilburn: The Fairmont Press Inc., 2009, p. 300.

M. Valocchi, A. Schurr, J. Juliano, and E. Nelson, “Plugging in the Consumer,” IBM Inst. Bus. Value, 2008.

M. Zeifman and K. Roth, “Nonintrusive appliance load monitoring: Review and outlook,” IEEE Trans. Consum. Electron., vol. 57, no. 1, pp. 76–84, 2011.

H. Najmeddine, K. El Khamlichi Drissi, C. Pasquier, C. Faure, K. Kerroum, A. Diop, T. Jouannet, and M. Michou, “State of art on load monitoring methods,” in 2nd IEEE International Conference On Power and Energy (PECon 2008), 2008, pp. 1256–1258.

Galvin Electricity Initiative, “The Essence of the Galvin Electricity Initiative.” [Online]. Available: www.galvinpower.org. [Accessed: 29-Nov-2011].

T. Luo, G. Ault, and S. Galloway, “Demand side management in a highly decentralized energy future,” in UPEC, 2010.

Fenercom, Guía de Redes Inteligentes de energía y comunicación. Madrid, 2011.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

John Edwin Candelojcandelo@uninorte.edu.co

Es ingeniero electricista y doctor en ingeniería, con énfasis en ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad del Valle (Colombia), IEEE Member. Laboró para la Empresa de Energía del Pacífico, EPSA Buenaventura, participó como asistente de investigación en la Universidad del Valle y actualmente es profesor de tiempo completo del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Coordinador del programa de Maestría en Ingeniería Eléctrica y Líder del Grupo de Investigación en Sistemas de Potencia (GISEL) de la Universidad del Norte (Colombia). Ha participado en proyectos y consultorías con empresas relacionadas con el área de energía, ha publicado varios trabajos en revistas nacionales e internacionales y ha sido conferencista en congresos y seminarios relacionados con sistemas de potencia. Su intereses se centran en la planeación, la operación y el control de los sistemas de potencia, y las redes eléctricas inteligentes.

Diana Lucía Racinesdracines@uninorte.edu.co

Es ingeniera electricista y estudiante de maestría en ingeniería eléctrica de la Universidad del Norte – Barranquilla. Ha participado como asistente de investigación en varios proyectos de investigación y como asistente en docencia para el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad del Norte. Sus principales intereses de investigación se centran en la eficiencia energética y redes eléctricas inteligentes.

ACERCA DE LOS AUTORES