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Optimización de la redes de distribución para la admisión de la nueva generación distribuida a través de la modelización de la red

Albert Estapé.Vicepresidente de Asociación de Empresas Eléctricas (ASEME)

Victoria Abad y  Jesús Sagredo. Dpto de Ingeniería Electromecánica de la Universidad de Burgos.

12/01/2022
Las redes de distribución eléctrica de las compañías en España son el fruto de 100 años de historia durante los cuales se han diseñado para atender la creciente demanda y transportar energía desde las grandes plantas de generación hasta los centros de consumo. Este diseño clásico de las redes basado en grandes generadores actualmente presenta inconvenientes para la incorporación de forma sencilla de las nuevas energías renovables cada vez más crecientes.
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La modelización de la red eléctrica es la herramienta base para simular su comportamiento ante una propuesta de incorporación o accesos de una nueva generación. En España hay registrados más de 300 distribuidores de energía eléctrica [1] y 5 grandes de ellos comprenden más del 90% del total de las instalaciones. Aunque puede decirse que todos los distribuidores tienen sus redes digitalizadas en algún sistema GIS, no todos los distribuidores de ámbito local, disponen de modelos de red y software que permita estudiar los flujos de cargas o estudiar los efectos de la conexión de nuevos generadores.

La tradicional palabra de 'crecimiento vegetativo' de la red, debe evolucionar a una visión más amplia incluyendo en estos dos vocablos la demanda y la generación. Las empresas y sus técnicos deben visualizar y diseñar la nueva red para ambas realidades.

De acuerdo con lo anterior, la modelización ha de servir para aumentar las respuestas positivas a esta incorporación pues muchas veces, con ciertas adaptaciones o cambios en la red es suficiente para dar paso a incorporar una generación.

La Asociación de Empresas Eléctricas (ASEME) es una organización empresarial de carácter estatal que tiene como misión representar y defender los intereses del colectivo de distribuidores locales de energía eléctrica [2]. Constituye un interlocutor de referencia con las autoridades reguladoras y estamentos del sector energético, tanto a nivel estatal como regional, y fomenta la cooperación y colaboración entre las empresas asociadas, con el fin de crear sinergias y fomentar la innovación tecnológica, el desarrollo económico y la electrificación en un escenario de transición energética. Actualmente está formada por casi 100 distribuidoras eléctricas.

Con la entrada en vigor de la resolución RDC/DE/001/21 de la CNMC [3], se solicita a las distribuidoras la publicación de las capacidades de conexión en sus subestaciones y la justificación de las capacidades de conexión a aquellos generadores que quieran verter su energía en las redes.

Para ello se establecen básicamente cuatro condiciones técnicas que se indicarán en otro artículo y que requieren del modelado de la red y del uso de software específico de flujo de cargas en sistemas de potencia. Dado que no es habitual que los distribuidores dispongan de dicho software se ha procedido a solicitar la colaboración del Departamento de Ingeniería Electromecánica de la Universidad de Burgos en la elaboración de dichos estudios.

ASEME y el Departamento de Ingeniería Electromecánica (con experiencia en asesorar a distribuidores de Castilla y León) han desarrollado una metodología simple y eficiente para que la modelización y digitalización de la red deje de ser un escollo o una dificultad para muchas empresas de distribución local de energía eléctrica.

Datos de partida. Módulo de pre-procesamiento

Dado que los distribuidores deben aportar anualmente una información técnica muy detallada en base a unos formularios, éstos se tomarán como base para modelar completamente la red de cada distribuidor. (ver tabla de formularios en la Ilustración 1).

La imágenes y formularios que aparecen en este artículo pertenecen a la información regulatoria correspondiente a la circular 4/2015 de la CNMC (4), la cual, recientemente ha sido sustituida por una nueva circular, la 8/2021 que con ligeros cambios mantiene la misma idea de archivos con formatos comunes para todas las empresas. Lógicamente la aplicación que se menciona, será actualizada a estos nuevos requisitos.

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Ilustración 1 Formularios de la circular 4/2015.

No todos los formularios enviados a la CNMC son necesarios para realizar los estudios de capacidad de conexión ya que corresponden a equipos y actuaciones necesarias para la retribución económica de la actividad. En la anterior tabla se muestran sombreados en verde aquellos archivos que realmente son necesarios para el modelado de la red. Por ejemplo, las características de conectividad, de impedancia, tensión e intensidad máxima de las líneas, se incluyen el formulario 10, que se codifican según muestra marca la circular 04/2015 como indica la Ilustración 2.
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Ilustración 2. Estructura del formulario 10, correspondiente a atributos de líneas.

Estos formularios de la circular, en formato de texto plano, se disponen de igual manera para todos los distribuidores con un nombre único, en el que sólo cambia el código de cada distribuidor, lo que facilita en gran manera la automatización del procesado de archivos.

El trabajo de modelado se ha dividido en dos partes, cada una con un módulo de software dedicado. La fase inicial ha consistido en el procesado de estos archivos de texto plano para genera una salida de nuevos archivos que permitan su visualización topológica. Posteriormente, se procede al modelado de la red para que el software de flujo de cargas realice los estudios de capacidad de conexión solicitados.

Para la visualización de las redes se ha escogido Google Earth© y el formato de lenguaje KML [5] por su gratuidad y universalidad, y para el flujo de cargas se utiliza el software Powerworld© por ser el que dispone la Universidad de Burgos. Google Earth representa los archivos “KML” generados y el software de flujo de cargas requiere de los archivos “pwb”. Ambos tipos de archivos son generados a partir de los datos de los archivos CIR de cada distribuidor.

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Ilustración 3. Esquema del proceso de conversión de archivos.

Modelado para Google Earth. Revisión gráfica de las redes

El módulo de software desarrollado para este objetivo es denominado “T0” (ver Ilustración 3) y sus resultados se denominan estudios “T1”. Permiten comprobar la validez y coherencia de los datos de los formularios, como por ejemplo la posición de los nudos, apoyos y CTs, el trazado y continuidad eléctrica de las líneas, etc. Para su visualización se crean varios grupos de elementos y éstos pueden mostrarse u ocultarse en grupo o individualmente para su visualización y estudio.

3.1 Nudos

Los nombres de las líneas se indican en el formulario 10 de la CNMC sin especificar sus coordenadas geográficas, mientras que su trazado es mediante pares de coordenadas X-Y en el formulario 9. A partir de las coordenadas de inicio y fin de línea se establecen las coordenadas de los nudos. En esos nudos se conectarán las líneas, y los centros de transformación.

La visualización de los nudos sobre una vista satélite permite comprobar, por ejemplo, como muestra la Ilustración 4, la correcta posición de los apoyos, o la duplicidad de nudos que rompe la comunidad eléctrica de una línea en la Ilustración 5.

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Ilustración 4. Nudo de apoyo con error de emplazamiento y sin error.

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Ilustración 5. Línea sin continuidad eléctrica al estar duplicados los nudos extremos.

3.2 Líneas

Las líneas están formadas por tramos de los cuales se dispone de las coordenadas de sus vértices en el formulario 11. La visualización de los tramos de línea permite identificar la introducción correcta de dichas coordenadas.
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Ilustración 6. Trazado urbano correcto por aceras y fachadas y errores en coordenadas de vértices de líneas.
Una de las comprobaciones que se realiza sobre la coherencia de datos de las líneas consiste en comprobar que la resistencia y reactancia característica de cada tipo de conductor es la misma en todas las líneas. Dado que en la tabla 10 se indica la impedancia total y la longitud de cada tramo, puede calcularse la impedancia característica y comprobar si se mantiene constante. Por ejemplo, una línea aérea codificada “JD” normalmente corresponde a un conductor LA-56. Este conductor, usualmente en tablas del fabricante, tiene una X de 0,4 /km y una R de 0,62/km. En la Ilustración 7 se aprecia como en la red comprobada, el tramo denominado”A1156” no tiene la misma reactancia y resistencia por km que el resto de tramos del mismo tipo, lo que puede deberse a un error de introducción de datos.
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Ilustración 7. Comprobación de impedancia característica.

3.3 Centros de Transformación

Los centros de transformación se obtienen del formulario 11 y se representan mediante triángulos rojos.

Una de las ventajas de usar de Google Earth, es que si un CT está ubicado en una calle/carretera donde esté activo Google Street View©, pueda visualizarse físicamente dicho CT, como muestra la.Ilustración 8.

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Ilustración 8. Uso de Street View en Google Earth© para visualizar un CT.

3.4.Fiabilidades y equipos de maniobra

Las fiabilidades y equipos de maniobra que se hayan reflejado en el formulario 15 se representan mediante un cuadrado sólido (verde si su estado está cerrado y rojo si está abierto) en el extremo de la línea que controle. En caso de que una línea esté desconectada por abrirla un equipo, se representa mediante el color negro, como muestra la Ilustración 9.
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Ilustración 9. Fiabilidades conectadas (25_15_1 y 25_16_1) y desconectada (34_4_1). El tramo A139 está desconectado.
En cada elemento de las redes representados (nudo, línea, CT, fiabilidad, etc..) se puede visualizar la información del mismo aportada en su formulario CNMC correspondiente para su comprobación.
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Ilustración 10. Información de una línea y de un CT.
Además de los elementos principales indicados, también se incluyen archivos KML de los generadores conectados a la red procedentes de los formularios 3 y 7, de las baterías de reactiva del formulario 16 y de los reguladores de tensión del formulario 17.

Resumen y conclusiones

Tras la aplicación del proceso a las redes de unas redes de unos 15 distribuidores (alguno con 230 kms de líneas, más de 2.300 líneas ó 230 MVA instalados en CTs) se puede afirmar que el trabajo desarrollado consigue plenamente los objetivos buscados:

- Una primera comprobación de los datos en Google Earth de los archivos KML de nudos, líneas, Centros de transformación, etc… permite visualizar gráficamente de forma cómoda y eficaz la gran cantidad de datos numéricos de los formularios de la CNMC de los distribuidores.

- La asignación de colores por secciones y de tramos desconectados permite determinar si los puntos de apertura de las fiabilidades y equipos de maniobra son correctos.

- El correcto modelado de la red es comprobado por los propios distribuidores.

- El modelo de la red es exportable a otro formato de datos para su aplicación con otros softwares distintos a Powerworld.

Con el software desarrollado, el procesado completo para la generación de los archivos KML y de PowerWorld puede, en casos sin errores de datos de partida, consumir un tiempo de unos 5 minutos, mientras que un estudio de capacidad de generación en un nudo simulando las condiciones indicadas en el apartado 4 puede consumir unos 20 minutos.

Referencias

[1] Listado de distribuidoras de electricidad, https://sede.cnmc.gob.es/listado/censo/1

[2] Asociación de Empresas Eléctricas. https://www.aseme.org/

[3] RDC/DE/001/21: Resolución por la que se establecen las especificaciones de detalle para la determinación de la capacidad de acceso a la red de transporte y a las redes de distribución. https://www.cnmc.es/expedientes/rdcde00121

[4] Circular informativa 4/2015, de 22 de julio, de la Comisión Nacional de los Mercados y la Competencia, de petición de información a las empresas distribuidoras de energía eléctrica para la supervisión y cálculo de la retribución de la actividad. https://sede.cnmc.gob.es/tramites/energia-electricidad/circular-informativa-42015

[5] Keyhole Markup Language Reference. https://developers.google.com/kml/documentation/kmlreference

[6] Trámite de información pública sobre la propuesta de Circular informativa de petición de información a las empresas titulares de instalaciones de distribución de energía eléctrica para la supervisión y cálculo de la retribución de la actividad. https://www.cnmc.es/consultas-publicas/energia/Circular-peticion-informacion-distribuidoras-electricas