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SmartGrids ₰ Alberto Dubois
SMART GRIDS Y LA EVOLUCIÓN DE LA RED
ELÉCTRICA
Alberto Dubois Ribó 3ºC IIND
Escuela Técnica Superior de Ingeniería-ICAI. Universidad Pontificia Comillas.
Asignatura: Comunicaciones Industriales Avanzadas. Curso 2011-2012
RESUMEN
Este documento es el trabajo de la asignatura de Comunicaciones Industriales
Avanzadas y es parte del segundo curso del Diploma de Comunicaciones
Industriales. El trabajo pretende resumir los conceptos de las redes inteligentes
(SmartGrids), la evolución de las redes eléctricas y las tecnologías que serán
necesarias para poder implantar este cambio. Por SmartGrid se entiende una red de
transporte y distribución de energía eléctrica, que es capaz de procesar información,
a través de un uso de las tecnologías de la información y las comunicaciones, para
hacer un uso más eficiente de la energía eléctrica.
La incorporación del SmartGrid favorecerá la incorporación de las energías
renovables, ya que tendrá en cuenta las limitaciones de este tipo de energías, como
puede ser la producción irregular o la falta de infraestructura eléctrica en sus
ubicaciones más habituales. Otra ventaja que aporta el SmartGrid es la posibilidad
de integración del vehículo eléctrico.
1. Introducción
Hasta ahora el desarrollo de la humanidad iba ligado al desarrollo energético, principalmente de las
energías de origen fósil, siendo explotadas como recursos ilimitados y sin tener en cuenta el
impacto medioambiental. Debido a esta forma de explotación energética, el modelo de red eléctrica
se convirtió en el siguiente:
Generación Distribución Transporte Consumo
Sin embargo, las preocupaciones hoy en día han cambiado hacia un modelo con una mayor
diversificación energética (y así no depender tanto de la energía fósil), otorgando una mayor
importancia a las energías renovables, teniendo en cuenta la eficiencia y el ahorro energético.
Así, la propuesta del nuevo sistema cambiará el sistema centralizado de distribución actual,
convirtiéndolo en uno distribuido en que el cada hogar puede trabajar como un agente que aporte
energía, de forma que no existe tanta dependencia de las centrales eléctricas, logrando una menor
sobrecarga de los sistemas actuales. Además, se reducen las pérdidas en el transporte energético, se
facilita la conexión a gran escala de vehículos eléctricos y se permite la mejor incorporación de las
energías renovables, en algunos casos poco estables y gestionables como la solar o eólica.
Como ya hemos comentado, la incorporación del nuevo sistema energético implantará las energías
renovables con un papel protagonista, ya que poco a poco podrán ir suplantando a las fuentes de
energía actuales. Esto conlleva un impacto medioambiental muy positivo, ya que son consideradas
como fuentes inagotables de energía, y además de completamente limpias, suponen un
enriquecimiento de los recursos naturales que ahora no se destruirán.
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Por lo tanto, la implantación del SmartGrid ayudará a cumplir con los requisitos que la Comisión
Europea estableció en 2008, en el ambicioso Plan 20-20-20: mejorar la eficiencia energética en un
20%, reducir la emisiones de dióxido de carbono (CO 2 ) en otro 20% y que el 20% de la energía que
se consuma proceda de las renovables, todo para el 2020.
Este gran cambio en el modo de consumir la energía eléctrica se está comenzando a ver como una
tercera revolución industrial, ya que estamos avanzando a una nueva forma de consumo, en la que
el petróleo, carbón y el gas natural cada vez irán perdiendo importancia en pro de la energía
renovable. Esto se está convirtiendo en algo cada vez más urgente, porque a pesar de la creciente
eficiencia energética, no es suficiente para enfrentar la crisis que supondrá el agotamiento del
petróleo. Esto aparece reflejado en el análisis de las políticas climáticas realizadas por la Agencia
Internacional de Energía, en su World Energy Outlook, publicado en 2009, que supone un marco en
el que se han reducido las emisiones de gases invernadero a 450 ppm:
Figura 1- Emisiones CO2 mundiales. Fuente: IEA
Dentro del ámbito de la Unión Europea, la asociación EURELECTRIC elaboró el estudio Power
Choices, en el que se fija la meta de reducir en un 75% las emisiones de CO2. Baseline supone la
consecución de las políticas propuestas y Power Choices el recorte ya explicado:
Figura 2- Índice de emisiones CO2 / Requerimientos de energía primaria. Fuente: EURELECTRIC
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2. ¿Qué es el SmartGrid?
La Plataforma Tecnológica Europea de Smart Grids (Smart Grids: European Technology Platform)
define SmartGrid como:
“Una red eléctrica capaz de integrar de forma inteligente el comportamiento y las acciones de todos
los usuario conectados a ella – generadores, consumidores y aquellos que realizan ambas acciones –
con el fin de distribuir de forma eficiente y segura el suministro eléctrico, desde el punto de vista
sostenible y económico.”
El término SmartGrid surge en 2007 en Chicago gracias a Andrés E. Carvallo, en la conferencia que
dio para el IDC. Ahí se propuso el SmartGrid como una estructura formada por energía,
mecanismos de comunicación, software y hardware. Ya en 1990 se instalaron medidores de
consumo y se pudo saber cuánta energía se utilizaba en diferentes momentos del día. La diferencia
con el SmartGrid es que ahora los medidores tomarán medidas en tiempo real, sirviendo esto como
puente para crear sistemas inteligentes de ahorro de energía domésticos. Gracias a este avance se
podrán instalar dispositivos domésticos en aparatos del hogar para que en caso de pico demanda se
evite su activación, para así no sobrecargar los sistemas de abastecimiento. Así, el nuevo esquema
de red eléctrica consta de los siguientes elementos:
Figura 3- Esquema de un SmartGrid. Fuente: smartgrid2030.com
El primer proyecto SmartGrid fue llevado a cabo en el 2000 en Italia, en el que se abarcó unos 27
millones de hogares usando medidores inteligentes a través de una línea de comunicación. La
Bonneville Power Administration creó un prototipo de sensores que eran capaces de analizar con
gran rapidez las anomalías de la energía eléctrica en grandes áreas geográficas. A partir de ahí, en el
año 2000, se creó la primera Wide Area Measurement System (WAMS), que está siendo implantada
por China actualmente.
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Las principales características que incluirá el SmartGrid, comparándolas con el modelo de
red eléctrica actual, son las siguientes:
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Figura 4- Características SmartGrid. Fuente: FEDIT
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Todos estos cambios tendrán una repercusión directa en lo que concierne a los agentes
involucrados en el proceso energético, entrando a formar parte del SmartGrid:
Usuarios: debido a los diferentes servicios de los que proveerá el SmartGrid, el usuario
se convertirá en un agente activo, pudiendo incluso actuar como minigeneradores, que
en caso de excedencia en la generación de energía, se puede vender a la red. A su vez
obtendrán una tarificación en tiempo real.
Compañías energéticas: serán los encargados de instalar e implementar las mejoras
tanto en la red como en los hogares, para satisfacer las exigencias del usuario y
provocar un ahorro y una mayor eficiencia energética.
I+D: debido a la novedad del concepto será necesario un gran desarrollo apoyado por
una fuerte inversión, tanto en las tecnologías que hacen falta para llevar a cabo la
transformación de la red eléctrica hacia una red de telecomunicaciones, como para
aplicarlo a la demanda y a la generación. Será necesario una estrecha cooperación entre
centros de investigación, universidades, legisladores...
Operadores: gracias al libre comercio europeo y a su paulatina apertura, se podrá elegir
entre distintos operadores que mejor satisfagan al usuario.
Generadores: como ya hemos comentado, aparecerán agentes independientes que
podrán aportar energía a la red.
Reguladores: se debe de establecer un marco legislativo claro y estable, de ámbito
europeo, que facilite a los agentes ya mencionados su labor.
3. Protocolos de Comunicaciones 1
Para que el SmartGrid se pueda hacer realidad será necesario que todos los agentes estén
interconectados y que la infraestructura y tecnología permitan la transmisión de la información. Uno
de los aspectos en los que más se está trabajando actualmente son los "contadores inteligentes",
basados en una comunicación bidireccional cuyas comunicaciones se realizan de forma inalámbrica
en banda estrecha, en comunicaciones PLC (Power Line Carrier), BPL (Briadband over Power
Lines) o redes inalámbricas. Esta comunicación se establecería entre las centrales eléctricas y
distintos agentes, para detectar fallos o flujos de cargas en tiempo real, etc.
Hoy en día ya se están llevando a cabo avances para mejorar la eficiencia energética, resumidos en
la siguiente tabla:
1 Información extraída de informe Fedit Figura 5- Optimización de la curva de consumo. Fuente: REE
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La evolución de las redes eléctricas actuales hacia las redes eléctricas inteligentes pasa
inevitablemente por la introducción de nuevos equipos inteligentes con capacidad local de decisión
y de nuevas tecnologías de comunicación o adaptación de las ya existentes.
El mapa actual de protocolos de comunicación utilizados en el sistema eléctrico es muy extenso, y
está regulado por el comité técnico TC57 de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Así,
IECTC57 aglutina varios grupos de trabajo para estandarizar las comunicaciones en el sistema
eléctrico mediante el desarrollo de modelos de datos e interfaces genéricos y la utilización por los
mismos de protocolos de comunicación ya existentes como TCP/IP o interfaces serie.
Cada uno de estos grupos de trabajo se ha encargado de definir y mantener un estándar de
comunicaciones en función de las necesidades de comunicación en cada punto de la red eléctrica.
Así, cabe destacar:
IEC60870-5 para comunicar maestros SCADA y subestaciones eléctricas para el control y
adquisición de datos sobre líneas serie o TPC/IP (perfiles 101 y 104 respectivamente).
Desarrollado por el grupo de trabajo WG3.
IEC60870-6, también conocido como TASE-2 para comunicaciones entre centros de control
sobre redes WAN. Desarrollado por el grupo de trabajo WG7.
IEC61970 para interconectar aplicaciones de gestión de energía o EMSs en el entorno de los
centros de control. Desarrollado por el grupo de trabajo WG13 de distribución. Desarrollado
por el grupo de trabajo WG14.
IEC61334 para comunicaciones sobre líneas de distribución PLC. Desarrollado por el grupo de
trabajo WG9.
IEC62325 que define una nueva interfaz entre utilidades locales y el mercado energético
liberalizado. Desarrollado por el grupo de trabajo WG16.
IEC62351 para definir perfiles de seguridad a utilizar en todos los anteriores a nivel
TCP/MMS/61850… Desarrollado por el grupo de trabajo WG15.
IEC61850 para automatización en el entorno de subestaciones eléctricas (buses de estación y
proceso) y comunicación entre sus IEDs (Intelligent Electronic Devices). Desarrollado por el
grupo de trabajo WG10.Teniendo como referencia IEC61850 se han desarrollado otras
normativas similares en otros ámbitos de aplicación:
- IEC61400-25 que hereda un subconjunto de servicios de comunicaciones definidos en
IEC61850, aporta un nuevo mapping de comunicaciones a Servicios Web y extiende el modelo
de datos
modelando las funcionalidades, datos y atributos presentes en un aerogenerador.
- IEC61850-7-420, que extiende el modelo de datos modelando las funcionalidades, datos y
atributos presentes en sistemas de generación distribuida tales como sistemas fotovoltaicos,
sistemas de almacenamiento, generadores diesel y sistemas de intercambio de calor.
- IEC61850-7-410, idéntico a IEC61850-7-420 para centrales hidroeléctricas.
Para poder enfrentarse a los retos ya mencionados anteriormente, como la detección en tiempo real
de averías, la mayor eficiencia, modelos nuevos de mercado energético, uso de vehículos eléctricos,
etc. es necesario un desarrollo principalmente en 3 puntos:
Debido a la mayor necesidad de comunicación entre los distintos puntos de la red (en
contraposición al sistema centralizado tradicional) es necesario uniformizar los protocolos de
comunicación a todos los niveles de la red (transporte, distribución, subestaciones, generación y
usuarios finales). Esto facilitará la generación distribuida y posibilitará el nuevo sistema de
compra/venta de energía.
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Para poder llevar a cabo lo anterior es necesario la el desarrollo de equipos inteligentes IEDs
(contadores inteligentes, protecciones...) que implementen la capacidad de comunicación entre
los distintos puntos del sistema.
Para lograr una independencia del medio físico cada equipo necesita ofrecer un nuevo modelo
de datos que sea capaz de comunicarse a todos los niveles de la red con un protocolo común,
por lo que es urgente estandarizar esos modelos.
Figura 6- Estandarización de los dominos. Fuente: thenewnewinternet.com
4. Contadores inteligentes (Smart Meter)
El Smart Meter está diseñado para un HAN (Home Area Network) y es un dispositivo
programable que establece un control de la energía. Los elementos principales son el
sistema de medida, la memoria y el dispositivo de información principal. Además, para que
cumpla con los nuevos requisitos se le añaden los siguientes elementos: sistema de
alimentación, procesador de cálculo, procesador de comunicaciones y un dispositivo de
accionamiento o control.
Figura 7- Smart Meter. Fuente: theoildrum.com
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En el siguiente esquema se puede apreciar con claridad el papel del SmartMeter en el nuevo modelo
de red eléctrica:
Figura 8- El concepto de Smart Metering en el nuevo escenario de distribución
eléctrica. Francisco Casellas
Dentro de los principales fabricantes de contadores inteligentes cabe destacar a los siguientes:
Figura 9- Fabricantes de CI. Fuente: Fedit
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5. Sistemas asociados
5.1 Microrredes
Las microrredes son uno de las avances más significativos dentro del smartgrid. El paradigma del
modelo energético cambia y ahora en vez de constituir el clásico generación-transportedistribución-consumo,
la red constará de miles de nodos interconectados, cada uno de ellos se
convertirá tanto en carga como generador de la red.
Figura 10- Cambio en el modelo energético. Fuente: Fedit
Se entiende por microrred como un conjunto de cargas y generadores a pequeña escala que actúan
como un conjunto único, suministrando o consumiendo energía. La microrred en principio actúa de
manera independiente a la red, "conectándose" a ella en caso de falta o excedencia de energía.
Pueden entenderse como las partes de las que consta el smartgrid, por lo que deben de ser capaces
de incorporar las tecnologías de comunicación necesarias.
La incorporación de las microrredes debe de tenerse en cuenta a la hora de desarrollar nuevos
planes urbanísticos, a pesar de necesitar una nueva y novedosa infraestructura. Todo esto ayudará a
cumplir con los objetivos energéticos, del medio ambiente, seguridad y mejora de la calidad de
vida.
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A continuación se muestra un ejemplo de microrred y su papel en el smartgrid:
Figura 11- Papel de las microrredes en el SmartGrid. Fuente: vid-e.es
5.2 Vehículos eléctricos
La implantación de los vehículos eléctricos está experimentando un gran crecimiento, y se prevé
que en 2014 haya 250000 vehículos eléctricos. Si tenemos en cuenta el consumo energético de cada
vehículo y nos situamos en el peor de los casos (en un pico de demanda por ejemplo), los vehículos
eléctricos pueden llegar a exigir de la red 1GW a la vez (equivalente a lo que produce una central
nuclear). Para ello requeriría que todas las plantas estuvieran activas, incluso las menos deseables
como las más contaminantes o ineficientes. No sólo eso sino que habría incluso que instalar más.
Por lo tanto, es necesario crear un sistema inteligente que lidie con estos problemas. Para ellos sería
necesario que la red detecte las cargas en tiempo real y escalone la carga de los vehículos
dependiendo de la demanda y la oferta. Así, por ejemplo, aunque todos los coches estén conectados
a la red por la noche, unos cargarían a las 11 y otros a las 3. Incluso se puede regular el precio, para
que en caso de falta de energía el precio sea más caro o en caso de excedencia más barato.
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5.3 Sistemas domóticos
Para que usuario se comporte como un agente activo debe de tener los medios necesarios para poder
hacerlo en su vivienda. Por lo tanto, es necesario una instrumentación en el hogar que sea capaz de
medir el consumo total y de actuar sobre las cargas en caso de que la red lo requiera. Existen
algunos proyectos que contemplan esto, como el GAD, que usan la tecnología EIB-KNX y BPL
para el control inteligente de los electrodomésticos. En la figura siguiente se muestra las tecnologías
usadas y los dispositivos, como electrodomésticos inteligentes, enchufes inteligentes, etc.:
Figura 12- Tecnologías y comunicaciones GAD. Fuente: Proyecto GAD
La tecnología Zigbee y sus dispositivos presentan una solución eficaz a la hora de monitorizar y
controlar la eficiencia energética en la vivienda. Esta tecnología incluirá estándares globales de TI
del IETF, lo que facilitará su implantación en las aplicaciones de redes smartgrid. Además, será
capaz de incorporar la conectividad a Internet de cada producto. Así, Zigbee Smart Energy
funcionará como un grupo de dispositivos cooperativos que permitirá gestionar a los servicios
públicos de forma inteligente las cargas de energía para así optimizar su consumo.
6. Seguridad en los SmartGrids
La seguridad es algo a tener muy en cuenta a la hora de diseñar un sistema. Podemos destacar dos
ámbitos: el de la privacidad, integridad y fiabilidad de los datos y el de acceso a la red, con la
autentificación de las máquinas y usuarios conectados. Las VPN son muy populares para proteger la
transmisión de datos, a través del encapsulado de datos para conexiones tunneling. Para el caso en
el que no baste saber si un dispositivo está autorizado a usar un recurso sino que también haya que
identificar a la persona que realiza la petición, existen varios métodos, entre los que podemos
encontrar: RC4, PAP (Password Authentication Protocol), CHAP (Challenge Handshake
Authentication Protocol), SPAP (Shiva Password Authentication Protocol), etc.
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En este documento se especifican 7 dominios dentro de la Smart Grid entre los cuales existirá un
tráfico de información susceptible a ataques: generación energética, transmisión, distribución,
cliente, mercados, centro de operaciones, y proveedores de servicios. Estos dominios, las
conexiones en la comunicación y los diferentes ataques que pueden sufrir se resumen en las
siguientes figuras:
Figura 13- Agentes en SmartGrid. Fuente: emileglorieux.blogspot.com
Figura 14- Posibles riesgos ante ataques. Fuente: Fedit
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7. Conclusiones
Debido al gran desarrollo que estamos experimentando y a la gran demanda de energía que eso
conlleva, es urgente y necesario cambiar el paradigma del modelo energético del siglo XX. Para
ello hay que introducir paulatinamente un nuevo modelo basado en el SmartGrid. El SmartGrid
permite, a través de la tecnología de las comunicaciones, reducir costes, ahorrar energía e
incrementar la fiabilidad. En este modelo se introducen a los usuarios como agentes activos, que a
través de unos dispositivos inteligentes llamados smartmeters son capaces de informar del precio de
la energía y de las cargas. Además, pueden constituir una microrred, capaz de generar su propia
energía y en caso de falta o excedencia contar con la red. Así, el usuario se conciencia más con el
medioambiente, siendo capaz además las energías renovables de tener una mayor aceptación, ya
que el SmartGrid tiene en cuenta su variabilidad. Por último, el SmartGrid ayudará a incorporar
nuevas tecnologías como los vehículos eléctricos o casas domóticas con gran facilidad.
Bibliografía
Ideas generales y esquema del proyecto: SMART GRIDS Y LA EVOLUCIÓN DE LA RED
ELÉCTRICA. Fedit. Última consulta: 30/04/2012
Ideas generales e introducción: http://www.jeuazarru.com/docs/SmartGrid.pdf Última consulta:
30/04/2012
Plan 20-20-20: http://actualdigital.blogspot.com.es/2008/12/eu-lanza-el-ambicioso-plan-
202020.html Última consulta: 30/04/2012
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