Technical and economic assessment of information and communication technologies for smart grids

Resumen

El concepto de smart grid representa un cambio de paradigma hacia una modernización de las redes eléctricas para obtener un sistema eléctrico sostenible. El primer paso para aprovechar las ventajas de las smart grids es el diseño y despliegue de una infraestructura de comunicación robusta, segura y económicamente eficiente. Sin embargo, a día de hoy no existe una infraestructura estandarizada que haya sido ampliamente aceptada y utilizada para transformar la red eléctrica actual en una smart grid. En esta tesis, el rendimiento y el impacto de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (ICT) en las aplicaciones de smart grids existentes se analizan desde una nueva perspectiva técnica y económica para facilitar la toma de decisiones en su implementación. De todas las tecnologías de comunicación empleadas en las smart grids, la comunicación por líneas eléctricas (PLC) se considera la solución más eficiente en costes, ya que permite reutilizar la infraestructura eléctrica como medio de comunicación. El PLC se utiliza especialmente para el despliegue de infraestructuras de medición avanzadas (AMI), pero el rendimiento de esta tecnología está muy afectado por las condiciones locales de la red. Entre los diferentes protocolos de PLC utilizados para AMI, PRIME proporciona el mejor rendimiento bajo condiciones favorables. Por esta razón, en esta tesis se ha desarrollado una metodología para analizar el rendimiento de las redes PLC PRIME, que se basa en un marco de simulación que tiene en cuenta las características del canal físico y el comportamiento de la red. Los dos Indicadores Clave de Rendimiento (KPIs) utilizados para el análisis anterior son el número de nodos registrados y el tiempo de lectura de todos los contadores, que han demostrado la fuerte influencia del proceso de registro y de la densidad de usuarios en el rendimiento de las comunicaciones. La metodología desarrollada ha sido aplicada con éxito en una gran variedad de redes de distribución con topologías en árbol de diferentes tamaños. Para ello, se ha propuesto un algoritmo basado en teoría de líneas de transmisión para calcular la función de transferencia del PLC entre cualquier par de nodos. Adicionalmente, se han utilizado Modelos de Red de Referencia (RNMs) para crear redes representativas que pueden ser posteriormente analizadas con la metodología propuesta, evitando el uso de datos confidenciales de los operadores de red (DSOs). La combinación del marco de simulación y los RNMs ha dado como resultado una forma muy efectiva de analizar el rendimiento de las comunicaciones de las redes de PLC a nivel regional. Otro reto para el despliegue de las smart grids es identificar el valor añadido que aportan unos mejores sistemas de información y comunicación en la red. Por tanto, se ha presentado una nueva metodología para analizar el impacto de estos sistemas en una aplicación de control centralizado de tensiones basada en los intercambiadores de tomas en carga (OLTC) de los transformadores y los inversores de los paneles fotovoltaicos. Dado que este tipo de aplicación de control de tensión tiene como objetivo enviar consignas de control desde la unidad central a los inversores y el OLTC para optimizar el funcionamiento del sistema, la metodología presentada se centra en el impacto de la precisión de las predicciones utilizadas para calcular las consignas de control, y el intervalo de tiempo utilizado para actualizar dichas consignas en los inversores fotovoltaicos. En este caso se han elegido KPIs económicos el coste de los desvíos de tensión, el coste de los cortes de energía renovable y el coste de las pérdidas en la red. Todas las conclusiones obtenidas en esta tesis ofrecen una mejora significativa para el análisis del rendimiento de las smart grids, y animan al uso de las metodologías desarrolladas así como a su extensión a otras tecnologías de comunicación y aplicaciones.