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Ingeniería Eléctrica: Un Nuevo
Enfoque Académico
IELE 4113: Generación Distribuida y Redes Inteligentes
NICANOR QUIJANO
ROBERTO BUSTAMANTE
GABRIEL GARCÍA
Antecedentes
• En los últimos años, los sistemas de potencia han sufrido
cambios:
– Creación de mercado mayorista
– Consolidación mercados minoristas
– Consideración del cambio climático y reducción de emisiones
– Preocupación por la confiabilidad y seguridad de la red
• Como resultado:
– Introducción de fuentes de generación de pequeña escala
– Cerca a los centros de consumo
– DESARROLLO DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA (GD) Y REDES
INTELIGENTES (RI)
Trabajos Previos
• “Cogeneración en el sector azucarero aplicando el enfoque
ESCO”
– Se evaluó la cogeneración (una forma de GD)
• Financiado por PNUD - ASOCAÑA – Ministerio de Medio Ambiente – UPME
• “Regulación para incentivar las energías alternas y la generación
distribuida en Colombia”
– Se revisaron otras formas y tecnologías de GD
– Se estudió la forma de integrarlas al mercado eléctrico
– Se identificaron ajustes regulatorios para esto
• Universidad Nacional, Universidad de los Andes, Isagen, Colciencias
Trabajos Previos
• “Distribución Eléctrica Inteligente SILICE”
– Se ha hecho un estado del arte de GD y RI
– Se han integrado el control y las telecomunicaciones.
– Sistema de prueba (IEEE 13 Nodos)
– Red piloto en la Universidad Nacional
• Sistema fotovoltaico y gasificador de biomasa
• Control desde la UA
• Desarrollado por Universidad de los Andes, Universidad Nacional, UIS y financiado
por Codensa, Colciencias
Objetivos del curso
• Entender los conceptos asociados con las redes inteligentes y la
generación distribuida.
• Integrar los temas de diferentes áreas del conocimiento de la
Ingeniería Eléctrica (e.g., potencia y energía, sistemas de
control, telecomunicaciones y economía y regulación)
• Diseñar y presentar los resultados de una red inteligente en una
zona geográfica colombiana utilizando los conceptos de
generación distribuida.
Temas del Curso
•
Introducción y aspectos generales
•
Tecnologías de generación, monitoreo y supervisión
•
Ubicación óptima de generadores distribuidos
•
Análisis de sistemas de potencia
•
Estrategias de control
•
Telecomunicaciones
•
Requisitos de instalación
•
Aspectos económicos, regulatorios y ambientales
Introducción y aspectos generales
• Motivación
• Definiciones
– ¿Qué es una red
inteligente?
– ¿Qué es generación
distribuida?
• Conceptos
• Beneficios e Inconvenientes
[1]. Ackermann, T., Anderson, G. & Soder, L. Distributed generation: a definition. Electric Power
Systems Research, 2001, 57, 195-204
Tecnologías de generación, monitoreo y supervisión
• Fuentes
• Dispositivos de Almacenamiento
[2]. Massey, G. W. Essentials of Distributed Generation Systems
Jones and Bartlett Publishers, 2010
Tomada de http://frogandprincess.wordpress.com/2009/04/16/a-to-z-on-going-green/
• SCADA (Supervisory Control and Data
Acquisition)
• Dispositivos electrónicos inteligentes
– RTU
– PMU
– PLC
[3]. Northcote-Green, J. & Wilson, R. Control and Automation of
Electrical Power Distribution Systems CRC Press, 2006
Tomada de http://www.solarnavigator.net/wind_turbines.htm
Ubicación óptima de generadores distribuidos
650
• Función objetivo ubicación
óptima
– Número y capacidad de
646
645
632
633
634
170 kW
230 kW
400 kW
200 kW
generadores a instalar
– Perfil de Voltaje
– Energía No suministrada
611
684
170 kW
671
675
692
843 kW
1155 kW
170 kW
– Pérdidas de potencia
– Confiabilidad
652
128 kW
680
Tomado de [4]
[4]. Táutiva, C., Cadena, A. & Rodriguez, F., “Optimal Placement of Distributed Generation
on Distribution Networks", The 44th International Universities Power Engineering
Conference - UPEC 2009, Glasgow, Scotland.
Análisis de sistemas de potencia
•
Confiabilidad,
suficiencia
y
250
251
28
49 50
2548 47
46
45
43
23 44
32
•
seguridad
33
“Islanding”
27
29
31
26
30
42
24
•
Protecciones eléctricas
21
22
19
20
– SPS (“special
14
protections systems”)
2
Dispositivos
de
electrónica
10
de
149 1
8
66
12
potencia y Calidad de la potencia
62
38 39
(“Flexible
AC
5
6
160
451
104
450
100
98
99
71
70
69
52 53 54
92
17
95
93
195
91
74
73
610
55 56
76
75
67
72
61
96
16
197
97
58 57
94
15
3
4
102
101
60
152
34
105
103
68
9
13
107
106
64
63
36
59
7
150
– FACTS
108
65
41
35
110 112 113 114
109
40
18 135
350
111
151 300
37
11
•
51
76
90
89
85
79
77 78
80
88
84
81
87
86 82
83
transmission system”)
Adaptada del sistema IEEE 123 nodos
[5]. Chowdhury, S.P.; Crossley, P. & Chowdhury, S. Microgrids and Active Distribution
Networks. The Institution of Engineering and Technology, 2009
Estrategias de control
• Control distribuido vs control centralizado
• Concepto multiagente
• Sistemas multiagente para redes inteligentes
• Estrategias de control
– Replicator dynamics
– Control basado en el mercado
Tomado de [6]
– Algoritmos genéticos
[6]. Dimeas, A. & Hatziargyriou, N. Operation of a Multiagent System for Microgrid Control. IEEE
Transactions on Power Systems, 2005, 20, 1447-1455
[7]. Pantoja, A. & Quijano, N. Dispatch of Distributed Generators Using Replicator Dynamics Submitted to
COMPENG: Complexity in Engineering Conference, Rome, 2010
Telecomunicaciones
• Demanda de tráfico de AMI
• Requerimientos de calidad de
servicio para diferentes aplicaciones
en la red inteligente
• Arquitecturas de redes de
telecomunicaciones
Tomado de Dahai You Yan Li YangguangWang Tianqi Xu, Xianggen Yin.
“A novel communication network for three-level wide area protection
system”, IEEE 2008
– Medios de transmisión
– Topologías
– Protocolos
[8]. Hincapié, R. C. & Bustamante, R. Zhang, Y. (ed.) WIMAX Network Planning and Optimization. Chapter 16: Automatic and
Optimized Cell-Mesh Planning in WiMAX. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009
[9]. Sui. H., Wang, H., Lu, M.S. and, Lee,.W.J. “An AMI System for Deregulated Electricity Markets” Accepted for IEEE
Journal Publication, 2009
Aspectos regulatorios, económicos y ambientales
• Requisitos técnicos de instalación
– Estándar IEEE 1547
• Aspectos regulatorios de la generación distribuida y las redes
inteligentes en Colombia
• Respuesta de la demanda
• Incentivos para las fuentes renovables
• Aspectos ambientales
[10]. Costa, P. M.; Matos, M. A. & Pecas-Lopes, J. Regulation of microgeneration and microgrids Energy
Policy, 2008, 36, 3893-3904
[11]. Táutiva, C., Cadena, A. & Duran, H., "Distributed Generation on Transmission Network", To be
submitted for journal publication.
Evaluación
• La evaluación del curso está enmarcada en las metas ABET.*
• Se piensa evaluar con:
– 2 exámenes parciales.
– 1 proyecto final.
* ABET: Accreditation Board for Engineering and Technology
Evaluación (exámenes parciales)
• Los exámenes parciales buscan cumplir con los criterios ABET:
– 3a): la habilidad para aplicar conocimiento de matemáticas, ciencia
e ingeniería
– 3j): el conocimiento de temas contemporáneos
– 3k) la habilidad para usar las técnicas y destrezas y herramientas
de la ingeniería moderna necesarias para la práctica de la
ingeniería
Proyecto Final
•
Consiste en el diseño de una red inteligente basada en un sistema de
distribución real y una zona geográfica dada. Para esto se debe:
– Definir 3 micro-redes.
– Escoger las fuentes de generación más adecuadas para la zona geográfica.
– Ubicar óptimamente los generadores en las micro-redes.
– Despachar óptimamente los generadores de cada una de las micro-redes,
considerando un perfil de demanda dado.
– Determinar los requerimientos de calidad de servicio de telecomunicaciones
para las diferentes aplicaciones dentro de la red inteligente.
– Seleccionar los dispositivos más adecuados (SCADAs, IEDs)
– Hacer una evaluación económica y ambiental del proyecto.
Evaluación (proyecto final)
• El proyecto busca satisfacer los criterios ABET:
– 3b): la habilidad para diseñar y conducir experimentos, así como para
analizar e interpretar los datos
– 3c): la habilidad para diseñar un sistema, componente, o proceso que
cumplan con las necesidades deseadas, teniendo en cuenta restricciones
realistas tales como económicas, políticas, sociales, éticas, de producción y
sostenibilidad
– 3d) la habilidad para trabajar en equipos multidisciplinarios
– 3e) la habilidad para definir, formular, y resolver problemas de la ingeniería
– 3g) la habilidad para comunicarse efectivamente
– 3k) la habilidad para usar las técnicas y destrezas y herramientas de la
ingeniería moderna necesarias para la práctica de la ingeniería
Agradecimientos
• Este trabajo ha sido desarrollado por el grupo de investigación
SILICE de la Universidad de los Andes (UA) del cual hacen parte
también A. Acuña, A. Cadena, F. Jiménez, A. Pantoja, M.Ríos, y
C.Táutiva.
• Este trabajo ha sido financiado en parte por el proyecto SILICE,
Contrato # 022-2007 de Codensa-Colciencias.