El auge de la generación de energía eléctrica mediante el uso de paneles fotovoltaicos en los hogares supone un gran ahorro para los consumidores pero, sin embargo, está causando grandes problemas a las distribuidoras eléctricas.

En Australia, existen en la actualidad 1,7 millones de consumidores que cuentan con paneles fotovoltaicos instalados en sus hogares y se espera que el número aumente en los próximos años, ya que gracias a su uso los consumidores pueden obtener grandes ahorros en sus facturas eléctricas. Esto provoca situaciones como la vivida el 1 de septiembre de 2017 en el estado de Australia Meridional, cuando el 48% de la energía generada fue proporcionada por paneles fotovoltaicos residenciales, que ocupan el 26% de las viviendas del estado.

Un reto para las distribuidoras

La rápida penetración de estos sistemas necesita de un rediseño total de la manera en la que la energía es generada, distribuida y usada. Al mismo tiempo, supone un gran reto para las distribuidoras eléctricas, debido principalmente a dos características de las fuentes de energía distribuida:

• La industria energética estima que solo el 30% de la energía producida en un hogar es consumida en el mismo sitio, mientras que el resto es vertida a la red eléctrica.
• Un gran número de consumidores cuenta con la energía generada localmente, lo que causa que existan cambios muy rápidos en el balance entre energía generada y consumida.

Como trasfondo del problema encontramos que las redes de distribución actuales no fueron diseñadas para gestionar flujos de energía bidireccionales. Al contrario, fueron diseñadas para transferir energía en una sola dirección: desde las grandes plantas de generación hacia los consumidores finales.

En estas situaciones, las líneas de suministro y transformadores operan en condiciones que difieren en gran medida de las condiciones óptimas de diseño y su eficiencia cae. Además, a medida que la demanda de energía y las fuentes de generación locales aumentan, se alcanzan los límites técnicos de diseño de las líneas de suministro y, eventualmente, aparecen problemas en la calidad de la energía.

Balancear adecuadamente la generación y demanda de energía se convierte en un problema a nivel local, debido a la gran variabilidad de la energía generada por las fuentes de energía renovable y la incapacidad de las redes de distribución de compensar estas variaciones. En estos casos el balance lo proporciona las redes de transmisión, cuya respuesta es mucho más lenta, o en su defecto se sufren pérdidas de calidad.

Por todo ello, existe una necesidad urgente de implementar medidas que permitan actuar en tiempos muy reducidos cuando ocurren situaciones de descompensación entre generación y demanda.

Problemas en la monitorización de Activos

Otro problema de las redes de distribución es que la monitorización de las mismas se realiza mayoritariamente en las redes de alta y media tensión. Sin embargo, en las redes de baja tensión, donde se encuentran conectados la mayoría de consumidores, no existe la capacidad de monitorización, por lo que los operadores no tienen ningún tipo de información de lo que está ocurriendo a medida que los perfiles de consumo varían.

Además, se debe tener en cuenta que los activos de las redes de distribución pueden tener 30, 40 o hasta 50 años de antigüedad en algunos casos, por lo que se ven severamente afectados por las condiciones de funcionamiento, muy alejadas de las condiciones de diseño.

Por ello, es necesario que se realicen mejoras en la monitorización de estos activos, con el objetivo de entender el impacto de la generación solar y de los nuevos patrones de consumo que se están extendiendo. Los operadores necesitan garantizar que sus activos pueden ser controlados para evitar daños.

Alternativas posibles

Por una parte, la solución más tradicional es conectar todos los transformadores de la red de distribución al centro de control de la red. Sin embargo, esto supone un gran coste de inversión ya que es necesario establecer las conexiones punto a punto que se necesitan y además puede suponer un gran aumento en la carga de trabajo de los operadores del centro de control.

Otra opción es utilizar tecnologías como el Internet de las Cosas (IoT) Industrial, mediante la instalación de sensores de bajo coste y gateways con comunicaciones inalámbricas que concentren y procesen los datos a nivel local. Estos dispositivos permiten discriminar entre eventos relevantes y alarmas que deben ser enviadas al centro de control y aquellos que se encuentran dentro de los valores de operación normales y no requieren acciones correctoras. Esta opción es una manera mucho más económica de recoger y procesar la información requerida.

En las redes de distribución de baja tensión, al disminuir el voltaje de la red disminuye el valor de los activos que la integran, al mismo tiempo que aumenta su número. Por ello, un enfoque basado en el IoT Industrial es mucho más rentable y permite a los operadores monitorizar la red en mayor detalle y con métodos novedosos desarrollados para interactuar de una manera eficaz con el número creciente de fuentes de generación de energía. En la misma línea, la introducción de nuevos componentes en las redes como baterías u otros medios de almacenamiento permitirá optimizar el balance entre energía generada y demanda.

La ventaja de poder recoger y procesar la información localmente, ante los drásticos cambios en el balance local entre la generación y demanda, se debe principalmente a dos factores:

• El procesamiento centralizado de grandes volúmenes de datos requiere de una gran cantidad de tiempo y recursos.
• La latencia que se obtiene al recoger los datos, enviarlos a una plataforma centralizada, procesarlos y enviar los resultados de vuelta a los actuadores correspondientes es mucho mayor que el tiempo de acción requerido en los eventos típicos de las redes si se desea mantener la calidad y eficacia del servicio.

Planteamiento por etapas

Para las organizaciones que han trabajado siempre con metodologías OT (Operational Technologies), como los sistemas SCADA, que generalmente se encuentran completamente aislados de otros sistemas IT de la compañía y de internet, una estrategia IoT como la descrita puede provocar muchos temores. Eso se debe a que existen numerosas cuestiones de seguridad que deben ser consideradas y resueltas antes de que los dispositivos conectados a internet se empleen para controlar las redes.

Adicionalmente, para conectar el sinfín de componentes de red necesarios para recoger los datos y establecer las comunicaciones bidireccionales se requiere del uso de un amplio abanico de tecnologías, protocolos y estándares diferentes. Los operadores deben también conocer los puntos de conexión, sus características y los estados de energía de todos los paneles y baterías que se encuentran funcionando.

Por esta razón, la mejor estrategia para las empresas de distribución es realizar un planteamiento por etapas para la introducción de las tecnologías IoT. En este planteamiento, el primer paso consiste en monitorizar la red de baja tensión, recogiendo datos de dispositivos como transformadores, seccionadores, reconectores, interruptores y relés y procesarla localmente para generar alarmas cuando los parámetros de operación superan ciertos límites.

Estas señales pueden ser monitorizadas empleando los sistemas existentes, como ADMS, o emplear sistemas específicos que son integrados posteriormente para permitir una visión continua de la red a través de todos los niveles de tensión.

Para conseguir este paso, se deben emplear gateways que posean la suficiente inteligencia como para adaptar el ratio de muestreo de datos a las condiciones cambiantes de la red y aumentar la cantidad de datos recogidos cuando ocurra una desviación sobre las condiciones normales de operación de la misma. En estos casos, los datos deben ser enviados a los centros de monitoreo una vez haya sido alertado del problema.

Las alarmas generadas pueden ser definidas con un detalle muy alto, gracias al empleo de gateways capaces de procesar algoritmos matemáticos complejos y de ejecutar aplicaciones software específicas de manera que puedan extraer información relevante para los operadores. Estos gateways pueden además aumentar el ratio de muestreo bajo demanda o de manera autónoma para poder analizar en detalle cualquier evento transitorio. La habilidad de elaborar información localmente, de manera que se reduzca la cantidad de datos que son enviados mediante los gateways puede reducir de manera notable el coste de las comunicaciones inalámbricas.

Siguientes pasos

Una vez los operadores se sientan cómodos con el monitoreo de la red de baja tensión, la cual no representa ninguna amenaza al control de los activos de la red, se puede implementar un cierto nivel de automatización, empleando datos IoT para operaciones básicas. Este paso permitirá una mejora en la eficiencia de manera que los problemas locales no afecten a la resistencia de la red.

Posteriormente, cuando se hayan abordado todas las cuestiones de seguridad y los operadores estén familiarizados con las instrucciones de operaciones simples, pueden emplear los dispositivos con capacidades IoT para alcanzar todo su potencial mediante un control más complejo de la red. A medida que aumente la experiencia, se pueden desplegar nuevos algoritmos y aplicaciones software en los gateways para generar nuevas alarmas o aumentar la capacidad de auto-reparación de la red y sus activos con capacidades IoT. De esta manera, se puede aumentar la capacidad de actuación mediante la acción combinada de varios gateways “vecinos” en el caso de eventos que afecten a secciones de la red de mayor tamaño.

Gracias a un planteamiento gradual como el descrito, se puede garantizar que las compañías distribuidoras obtienen los beneficios de las tecnologías IoT mientras que se minimizan los riesgos de las mismas. De esta manera, tanto los consumidores como las propias distribuidoras se beneficiarán del crecimiento de la generación residencial y se mejorará la capacidad de entregar la electricidad de la red.