Introducción a las redes inteligentes: redes de distribución que admiten el flujo de energía bidireccional con una capa de información.

La red de distribución tradicional se diseñó partiendo de la premisa de que la electricidad fluye en una sola dirección, desde la central eléctrica hasta el consumidor. La función del transformador montado en el poste era simplemente reducir la alta tensión a la baja tensión utilizada en los hogares; nunca se diseñó para que la corriente fluyera en sentido contrario. Sin embargo, una vez que los paneles solares en los tejados, las baterías domésticas y los vehículos eléctricos se conectan a la línea de distribución, aparecen tramos donde, en una tarde soleada, la electricidad fluye en sentido inverso, desde el consumidor hacia la red. Una red inteligente es una red de distribución que puede gestionar de forma segura este flujo de energía bidireccional mediante la incorporación de una capa de información que incluye medición, comunicación y control. El funcionamiento de las subestaciones y las líneas de transmisión que transportan la energía —el «esqueleto» del sistema— se explicó en la Introducción a las subestaciones y líneas de transmisión. Este artículo analiza los cambios que se producen más allá de esto, a nivel de distribución, a través de cuatro pilares: contadores inteligentes, protocolos de comunicación, gestión de la demanda y automatización de la distribución con capacidad de autorreparación.

Resumen en 30 segundos

• La red de distribución tradicional tenía un diseño unidireccional, de arriba hacia abajo. Con el aumento de los recursos energéticos distribuidos (solar, baterías, vehículos eléctricos), aparecen tramos donde la electricidad fluye en sentido inverso, desde el consumidor hacia la red, lo que genera problemas —como el aumento de voltaje— que el diseño anterior no preveía.

• El contador inteligente (AMI: Infraestructura de Medición Avanzada) no es solo un dispositivo que automatiza la lectura del contador. Es un terminal de comunicación bidireccional que gestiona datos de uso detallados, como lecturas cada 30 minutos, conexión/desconexión remota y detección de cortes de suministro. En Japón, se afirma que el despliegue para el segmento de baja tensión (hogares, etc.) se completó prácticamente a finales del año fiscal 2024.

• Existen tres rutas de comunicación: la ruta B, que conecta el contador inteligente con el HEMS (sistema de gestión de energía doméstica); la ruta A, utilizada por la compañía eléctrica; y la ruta C, que transmite datos a los minoristas y terceros, cada una con un método y propósito de comunicación diferentes. ECHONET Lite y OpenADR son protocolos estándar internacionales que abarcan diferentes niveles: control doméstico y respuesta a la demanda entre empresas, respectivamente.

• La respuesta a la demanda (DR) es un mecanismo que controla remotamente los equipos del lado de la demanda para ajustar la oferta y la demanda como si la producción de una central eléctrica se hubiera incrementado o reducido. No se trata tanto de una tecnología específica, sino de un término general que engloba una operación que combina comunicación, contratos y diseño de mercado.

• La automatización de la distribución con capacidad de autorreparación, que aísla automáticamente una sección defectuosa y restablece el suministro eléctrico a las secciones en buen estado mediante una ruta alternativa, ya se utiliza ampliamente en las empresas de servicios públicos japonesas. La novedad de la red inteligente no reside tanto en la restauración automatizada en sí, sino en la granularidad y la velocidad de los datos disponibles para tomar esa decisión.

1. Por qué la red eléctrica debía volverse "inteligente"

La red de transmisión es un mundo de cientos de kV, alta tensión y alta capacidad, donde el flujo de energía se ha gestionado tradicionalmente de forma centralizada mediante relés de protección de subestaciones y operadores de red. La red de distribución, en cambio, es un mundo de baja tensión en el extremo más alejado del sistema, diseñado originalmente bajo la premisa de que "la electricidad fluye de arriba hacia abajo". Lo que rompió con esa premisa fue el rápido auge de los recursos energéticos distribuidos (RED) a pequeña escala: paneles solares en tejados, baterías domésticas y vehículos eléctricos.

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Figura 1: La dirección del flujo de potencia varía según la sección a medida que cambia el equilibrio entre la demanda y la generación de recursos energéticos distribuidos (RED). Los medidores inteligentes y los sensores de los alimentadores envían telemetría a la distribución y a la gestión de RED, que devuelve comandos de voltaje, carga y respuesta a la demanda.

A medida que aumenta el flujo de potencia inverso, el voltaje a lo largo de la línea de distribución puede elevarse, lo que genera preocupación por el posible incumplimiento de las obligaciones de mantenimiento de voltaje establecidas en la Ley de Negocios Eléctricos de Japón (101 ± 6 V a baja tensión, 202 ± 20 V, etc.). Tradicionalmente, el voltaje se gestionaba mediante un cambiador de tomas bajo carga (OLTC) en la subestación o mediante reguladores automáticos de voltaje (SVR) a nivel de sección, pero estos sistemas de control se basan en el flujo de electricidad de arriba hacia abajo. Cuando la variación de la producción solar y la variación de la demanda ocurren simultáneamente en la misma línea de distribución, el simple control de tomas ya no es suficiente. La red inteligente es el término general que engloba el esfuerzo por integrar la medición, la comunicación y el control distribuido en la red de distribución en respuesta a este cambio físico.

2. El medidor inteligente (AMI): De la lectura del medidor a una plataforma de datos bidireccional

Un medidor inteligente no es solo un dispositivo que mide el consumo de electricidad en lugar de un lector de medidores. Funciona como el punto final de toda una red de comunicación denominada AMI (Infraestructura de Medición Avanzada), con funciones que incluyen las siguientes:

• Medición por intervalos finos: registra los datos de consumo a intervalos, por ejemplo, de 30 minutos, y los envía a la compañía eléctrica, conformando así los datos básicos para la tarificación por franjas horarias y la medición del efecto de la gestión de la demanda.

• Conexión/desconexión remota: permite controlar el suministro o la interrupción de la electricidad a distancia, sin necesidad de una visita presencial, por motivos que van desde cambios en el contrato y facturas impagadas hasta la seguridad durante un desastre.

• Detección de cortes de suministro: al enviar el contador una señal final de "último aliento", la compañía eléctrica puede determinar la magnitud de un corte de suministro sin esperar llamadas de los clientes.

En Japón, siguiendo la política establecida por el Ministerio de Economía, Comercio e Industria, las compañías eléctricas han avanzado en la transición a contadores inteligentes, y se estima que el despliegue se completó prácticamente en su totalidad para el segmento de alta tensión (fábricas, etc.) en 2016 y para el segmento de baja tensión (hogares, etc.) a finales del año fiscal 2024. Esto ha dado como resultado una extensa red nacional de medición. La Agencia de Recursos Naturales y Energía también está estudiando la siguiente fase: un sistema de "contadores inteligentes de próxima generación", que servirá de infraestructura para nuevos servicios (transformación digital del sector energético) basados en datos de consumo eléctrico.

Los datos de los contadores inteligentes se transmiten a través de tres rutas de comunicación distintas, utilizadas para diferentes fines.

Con los datos de consumo transmitidos al HEMS a través de la ruta B, se posibilitan servicios que gestionan la energía solar, la batería y el aire acondicionado de una vivienda como una sola unidad, visualizando el consumo energético y controlándolo automáticamente.

3. Las capas de protocolos de comunicación: el control en el hogar y la coordinación entre empresas son capas separadas

La comunicación en redes inteligentes no se basa en un único protocolo. El control de dispositivos en el hogar y la comunicación entre empresas de servicios públicos/agregadores requieren propiedades diferentes.

• ECHONET Lite: un protocolo para controlar equipos dentro de una casa inteligente, establecido por el Consorcio ECHONET. Basado en UDP/IP, define más de 90 clases de dispositivos, incluyendo aires acondicionados, calentadores de agua, baterías y cargadores de vehículos eléctricos. Estandarizado internacionalmente como estándar ISO/IEC, gestiona la "última milla" entre el sistema de gestión de la demanda en el hogar (HEMS) y los dispositivos domésticos.

• OpenADR (Open Automated Demand Response): un protocolo estándar internacional para el intercambio automático de señales de respuesta a la demanda entre empresas de servicios públicos/agregadores y consumidores (o sus pasarelas). OpenADR 2.0b es una especificación representativa utilizada para automatizar la respuesta a la demanda entre empresas.

• Protocolos de red y subestación: la protección y el control dentro de una subestación utilizan IEC 61850 (consulte la Guía básica de subestaciones y líneas de transmisión para obtener más detalles). La monitorización y el control del sistema de distribución a veces utilizan estándares de comunicación como IEC 60870-5-104 o DNP3, empleados en SCADA.

En resumen, ECHONET Lite gestiona la comunicación doméstica, OpenADR gestiona las señales de respuesta a la demanda entre empresas, y los protocolos de la familia IEC 61850 gestionan la red troncal de transmisión/distribución. La red inteligente es un sistema donde múltiples protocolos con diferentes propósitos se apilan en capas. A menudo se cree erróneamente que existe un único "protocolo de red inteligente"; no es así.

4. Respuesta a la Demanda (RD): Utilizando la Demanda como una "Central Eléctrica"

La respuesta a la demanda (RD) es un mecanismo que controla los equipos de los consumidores para lograr en la red el mismo efecto que aumentar o disminuir la producción de una central eléctrica. Existe la "RD descendente", que reduce la demanda cuando la energía tiende a escasear, y la "RD ascendente", que la aumenta cuando la energía tiende a ser excedentaria, como durante los picos de radiación solar al mediodía.

Institucionalmente, se divide en dos categorías principales:

• RD basada en incentivos: una empresa de servicios públicos o un agregador controla de forma directa y remota los equipos de los consumidores contratados, pagando una compensación proporcional a la respuesta.

• RD basada en tarifas: las tarifas eléctricas varían según la hora del día o durante periodos de alta demanda, permitiendo a los consumidores decidir cómo modificar su consumo.

La agrupación de la RD para que pueda comercializarse en el mercado como si fuera una sola central eléctrica es lo que hace la VPP (Central Eléctrica Virtual), tema que se aborda en el siguiente artículo. La forma en que se comercializa la respuesta a la demanda (DR) como producto de mercado se explica en detalle en la Introducción a las Centrales Eléctricas Virtuales (VPP).

5. Redes de Distribución Autorreparables

El mecanismo que aísla rápidamente solo la sección afectada durante una falla en la línea de transmisión es precisamente la función de los relés de protección, que se describe en la Introducción a las Subestaciones y Líneas de Transmisión. Un concepto similar existe a nivel de distribución, denominado automatización de la distribución. Ya se utiliza ampliamente en las empresas de servicios públicos japonesas; por ejemplo, el sistema de control automático de líneas de distribución de Kyushu Electric Power Transmission and Distribution detecta automáticamente la sección afectada y restablece rápidamente el suministro eléctrico a las secciones en buen estado mediante una ruta alternativa.

Un esquema representativo es la restauración secuencial con retardo de tiempo. Cuando se produce una falla, el interruptor de la subestación primero corta completamente el suministro eléctrico; luego, los interruptores automáticos instalados en cada sección se cierran secuencialmente desde la subestación, uno tras otro, con un retardo de tiempo preestablecido. Si se detecta nuevamente una corriente de falla en una sección determinada, el interruptor justo antes de dicha sección permanece abierto, aislando únicamente la sección afectada. La energía hacia las secciones en buen estado aguas abajo se canaliza entonces a través de una ruta alternativa (una línea de distribución adyacente e interconectada).

Figura 2 — La automatización de la distribución abre automáticamente los interruptores a ambos lados de una sección defectuosa para aislarla y, a continuación, redirige la energía desde una línea de distribución adyacente en buen estado (el sistema de otra subestación), minimizando así el tiempo de interrupción fuera de la sección defectuosa. El mecanismo que permite que esta decisión y conmutación se produzcan rápidamente sin intervención humana se denomina «autorreparación».

Este tipo de automatización existía antes de la red inteligente, pero la incorporación de la detección de interrupciones mediante contadores inteligentes y los datos de sensores en tiempo real ha mejorado tanto la precisión en la estimación de la sección defectuosa como la velocidad de restauración. La novedad del término «red autorreparable» no reside tanto en la restauración automatizada en sí misma. Dado que los datos que sustentan dicho juicio ahora incluyen datos obtenidos del lado del consumidor.

6. Aumento de tensión y regulación de tensión del inversor

El primer desafío técnico que surge con el aumento de los recursos energéticos distribuidos es el aumento de tensión en la línea de distribución. Representando la impedancia de la línea de distribución como R+jX, la potencia activa emitida como P y la potencia reactiva como Q, la diferencia de tensión entre los extremos emisor y receptor se puede aproximar como:

Cuando la generación solar supera la demanda, P apunta desde el lado del consumidor hacia la red (el signo cambia), lo que tiende a elevar la tensión en el extremo de la línea de distribución. Para mitigar esto, se utiliza una combinación de medidas: funciones de regulación automática de tensión que permiten al acondicionador de potencia (PCS) ajustar automáticamente la potencia reactiva Q, revisiones a la lógica de control de los reguladores de tensión y los reguladores automáticos de tensión, y Limitación de la producción mediante baterías. Mantener el voltaje es «el desafío menos glamuroso, pero más fundamental, de la red inteligente», y la precisión con la que se puede realizar este control depende de la granularidad de los datos de la AMI.

7. Tecnología actual y enfoque de investigación

• Contadores inteligentes de próxima generación: se está realizando un estudio para revisar los estándares de comunicación y la funcionalidad de la AMI actual, con el objetivo de lograr una adquisición de datos de mayor frecuencia y una seguridad más robusta.

• Gemelos digitales de sistemas de distribución: simulación del flujo de potencia y el voltaje en las líneas de distribución para evaluar, de antemano, cuánta generación distribuida se puede interconectar.

• Mercados y control más sofisticados a nivel de distribución: análisis de una función tipo Operador del Sistema de Distribución (DSO) que tenga en cuenta las restricciones de voltaje y flujo de potencia.

• Ciberseguridad: con decenas de millones de contadores inteligentes y sus redes de comunicación, la superficie de ataque es grande, y el diseño de autenticación, cifrado y detección de anomalías es ahora un requisito previo para la operación.

• DERMS (Sistema de Gestión de Recursos Energéticos Distribuidos): una plataforma de software que Coordina y controla un gran número de instalaciones solares, baterías y vehículos eléctricos dentro de las limitaciones del sistema de distribución.

Resumen: La red inteligente es "una red de distribución con un sistema de información por capas"

La red inteligente no es una tecnología única; es un sistema compuesto por varios mecanismos por capas: medición mediante contadores inteligentes, múltiples capas de protocolo de comunicación, utilización de la demanda a través de la respuesta a la demanda y automatización de la distribución con capacidad de autorreparación. Lo que tienen en común es el intento de gestionar, mediante un flujo de información bidireccional, un flujo de energía que los recursos energéticos distribuidos ya han convertido físicamente en bidireccional.

Al analizar las iniciativas de red inteligente de una región, conviene verificar lo siguiente:

1. ¿Qué ruta y protocolo de comunicación intercambian qué datos?

2. ¿Quién gestiona la tensión (PCS, SVR, batería) y en qué plazo?

3. ¿La respuesta a la demanda se basa en incentivos o en tarifas, y a qué mercado o contrato se conecta?

4. ¿Qué porcentaje de la restauración automática durante una falla se completa sin intervención humana?

Teniendo en cuenta estos cuatro puntos Te permite ir más allá de un titular como "Aumentan los contadores inteligentes" y comprender la filosofía de diseño de la red de distribución que lo respalda.

Referencias

• Agencia de Recursos Naturales y Energía - Resumen del Grupo de Estudio del Sistema de Contadores Inteligentes de Próxima Generación
• Agencia de Recursos Naturales y Energía - Sobre la opción de exclusión voluntaria de los contadores inteligentes
• Especificación/Descripción general de ECHONET Lite
• Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica de Kyushu - Sistema de Control Automático de Líneas de Distribución
• Agencia de Recursos Naturales y Energía — Modernización de la Red Eléctrica
• Organización para la Coordinación Interregional de Operadores de Transmisión, Japón (OCCTO)
• IEC 61850 — Redes y sistemas de comunicación para la automatización de servicios eléctricos
• NREL — Modernización de la Red Eléctrica