Integración de dispositivos electrónicos inteligentes en smart grid

Resumen

El resumen de la tesis para la base de datos Teseo debe ser una presentación de la tesis y tener la extensión suficiente para que quede explicado el argumento de la tesis doctoral. El formato debe facilitar la lectura y comprensión del texto a los usuarios que accedan a Teseo, debiendo diferenciarse las siguientes partes de la tesis: 1. introducción o motivación de la tesis En la actualidad se debate una evolución conceptual y tecnológica de la red eléctrica, definida en el concepto Smart Grid [1], [2], planteándose una red activa, dotada de inteligencia autónoma, que tenga la capacidad de reconfigurarse según las necesidades locales, mejorando los tiempos de restablecimiento del suministro e incrementando la eficiencia en general [3]. Estamos, por tanto, ante un escenario que demanda un esfuerzo en el desarrollo de los llamados Sistemas para la Automatización de la Distribución de la energía eléctrica (Distribution Automation Systems, DAS) que, junto con el empleo de sistemas de comunicación, permiten a una compañía eléctrica controlar y coordinar, de forma remota y en tiempo real, los sistemas encargados de la distribución de la energía [4]. Esta tesis investiga el desarrollo de funcionalidades de seguridad, protección y calidad de la red eléctrica [5]–[8], y sus posibilidades de aplicación con Dispositivos Electrónicos Inteligentes (Intelligent Electronic Devices, IED) [2], [9], de forma que puedan ser integrados en los sistemas DAS de Smart Grid. 2. contenido de la investigación Revisión y análisis del estado del arte, así como estándares y normativa aplicable, de forma que se analice en profundidad el contexto tecnológico dentro del campo de aplicación de los IED al sistema eléctrico, destacando los ámbitos de las protecciones en sistemas de generación eléctrica y la calidad de suministro (Power Quality, PQ). Definición y desarrollo teórico de sistemas seguridad y calidad para el sistema eléctrico, de forma que justifique su integración en el equipamiento de una red Smart Grid. Utilización de entornos de simulación para el desarrollo de modelos que validen el funcionamiento de los sistemas definidos teóricamente. La metodología se basa en la simulación de diferentes contextos críticos, para el equipamiento y/o para la propia red, con el fin de establecer el correcto funcionamiento de los sistemas propuestos. Desarrollo de un prototipo basado en una plataforma hardware embebida capaz de implementar los modelos diseñados en tiempo real. Su desarrollo se basa en software de programación, análisis y síntesis, y se implementará utilizando la tecnología propia de la plataforma hardware. Definición y ejecución de un protocolo de pruebas y ensayos para la correcta validación de los resultados de los sistemas implementados en el prototipo. Estudio de posibilidades de integración de IED en el entorno del equipamiento de una red Smart Grid. 3. conclusión La revisión realizada de la normativa existente aporta criterios sólidos, ya contrastados en estudios e investigaciones, que nos evitan partir de cero a la hora de valorar las especificaciones temporales de un IED. Se concluye que la aplicación de la norma IEC 61000-4-30 [10] es imprescindible si se quiere llevar a cabo una monitorización y captura de los parámetros fundamentales de la red. El tiempo de respuesta del sistema frente a determinadas contingencias, en las que deban actuar las protecciones, deberá ser analizado para la aplicación concreta según la normativa existente. Los tiempos más críticos influyen en el diseño de la arquitectura del IED provocando, como es el caso del presentado en esta tesis, que sean necesarios varios lazos temporales de proceso que mejoren el rendimiento del sistema. Se ha logrado desarrollar una arquitectura que compone el sistema para una operación multifuncional, tanto en calidad de energía como en protecciones. Su implementación se ha basado en el reparto de tareas entre un procesador y una FPGA. La FPGA se centra en la adquisición de datos y sincronización, y el procesador se encarga del procesado de datos y los algoritmos de cálculo y decisión. Para desarrollar esta arquitectura se han utilizado lazos y pilas FIFO deterministas que aseguran el cumplimiento de los requerimientos temporales de la normativa. En concreto en este IED, además de los lazos más comunes para parámetros estacionarios (10 ciclos) y para eventos aleatorios (1 ciclo), se aporta un planteamiento original implementado un lazo intermedio de 2 ciclos como compromiso para medidas cuasi-estacionarias, orientado principalmente a una mejora en la detección de situaciones en las que entren en funcionamiento las protecciones. Desde el punto de vista de las protecciones, se ha desarrollado un sistema anti‑islanding [11]–[13] con un enfoque original, ya que como respaldo a la detección basada en redes de comunicaciones, lleva un sistema pasivo local basado en detección por métodos múltiples ponderados. Este sistema pasivo incluye cuatro métodos distintos de detección de islanding que son totalmente configurables, y a los que se les puede aplicar una ponderación para establecer un orden de prioridades entre ellos de cara a lograr una detección más eficiente. Se ha desarrollado un prototipo basado en una plataforma hardware de alto rendimiento. A este prototipo se le ha sometido a los protocolos de pruebas de clase A y clase S de la norma IEC 62586‑2 [14], que es referenciada por el estándar IEC 61000‑4‑30. En esta tesis se presentan sólo los resultados de clase A por ser de mayor relevancia. Dichos resultados demuestran que este equipo es firme candidato a ser considerado de clase A según la normativa. La calidad de este prototipo IED queda confirmada además por haber sido probado con éxito en aplicaciones reales dentro del desarrollo del proyecto SIDER (Smart Inverter for Distributed Energy Resources) [15], patrocinado por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España, en el que han colaborado varias universidades y empresas.