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.