TECNOLOGÍAS INNOVADORAS EN REDES INTELIGENTES-SMART GRIDS” Parte 2

1. TECNOLOGÍAS INNOVADORAS EN REDES INTELIGENTES-SMART GRIDS” Parte 2 Renato Céspedes RCONSULTING GROUP rcespedes@ieee.org Taller SMARTGRIDS XIII Jornadas de Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional. Quito Nov. 26, 2010

2. Señales de alarma.. (*) Propaganda Cursos Capacitación en transformadores

3. Parte 2: Temas • Nuevos Elementos • Elementos de las Smart Grids • “Situational Awareness” • Sistemas de Control • Desarrollo de AMI • Desarrollo de las Redes Inteligentes • Normas • Conclusiones

4. Nuevos elementos

5. News: Welcome to the Digital Utility..T&D World Jan. 2007,www.t&dworld.com • Substation Intelligence: subsynchronous resonance is mitigated by thyristor controlled capacitor banks. • Intelligent transformer: real-time monitoring of oil for gas chromatography, hot spots temperature, oil temperature.. • Power Electronics: • Super Var high-temperature 10 Mvar Synchroneous condenser TVA • SVC Light: STATCOM ABB • Advanced phase shifting transformer of GE replacing HVDC, first in Hydro Quebec another Texas-Mexico • High Temperature Superconducting (HTS) cables: • 350 mts in Albany New York, 10x capacity of copper • 2nd Generation of HTS in development

6. News: Welcome to the Digital Utility..T&D World Jan. 2007,www.t&dworld.com • Intelligent Distribution: many initiatives • 90% of the outages occur at distribution • 19% of the power go to ground due to unbalances in typical US feeders • Reported 600 pilots automation pilots from 1995-2005= “pilotitis” in the USA, “Analysis Paralysis” • Distribution Vision 2010 iniciative: Alliant Energy, Salt River Project, Oklahoma G&E, AEP, BCHydro, etc.: micro-grid industrial demonstration park. • DOE, Modern Grid Initiative • EPRI Intelligrid Consortium • SMART Energy Alliance (SEA) CISCO, GE energy, HP, Intel focusing on communication

7. News • Xcel Energy (Minneapolis) electricity and natural gas company with • regulated operations in 8 Western and Midwestern states. • portfolio of energy-related products and services to 3.3 million electricity and 1.8 million natural gas customers. • Announces First Smart Grid City In The Nation (19-03-2008) in Boulder Colorado • Who: “..established the Smart Grid Consortium, bringing together leading technologists, engineering firms, business leaders and IT experts • Where: ..it is home to the University of Colorado and several federal institutions… • Funds: “Xcel Energy anticipates funding only a portion of the project, ….,could be up to a $100 million effort”. • Information: www.xcelenergy.com/smartgrid

8. Esta es una de las primeras acciones News…XCEL Energy • What: • Transformation of existing metering infrastructure to a robust, dynamic electric system communications network, providing real-time, high-speed, two-way communication; • Conversion of substations to "smart" substations capable of remote monitoring, near real-time data and optimized performance; • At the customer's invitation, installation of programmable in-home control devices systems to fully automate home energy use; and • Infrastructure Integration to support • dispatched distributed generation technologies (such as plug-in hybrid electric vehicles with vehicle-to-grid technology; battery systems; wind turbines; and solar panels). Fundamento de SG Fundamento de SG Clave, incentivar participación Impacto importante, poco definido

9. Nuevos Elementos

10. Transmisión Inteligente (II) • High Temperature Superconducting (HTS) cables: leaving the experimental and prototyping arena

11. Elementos de las Smart Grids

12. Las tecnologías Smart Grid impactan significativamente toda la cadena, en particular al consumidor Elementos de la cadena de valor Generación Transmisión Distribución Consumo Características Claves en la cadena de valor • “Secuestro de carbón” • Gasificación de carbón • Ciclo combinado • Diseño avanzado generación nuclear • Medición fasorial sincronizada (PMUs) • FACTS : “flexible AC transmission systems” • Corriente continua a alta tensión • AMI: automatic meter infraestructure • Sensores • Automatización distribución • Control automático de Volt/VAR • Almacenamiento energía • Home area networking • Gen. Distribuida y Renovables • Aparatos “Smart” • Edificios tipo “Green” • Vehículos eléctricos (Plug-in Hybrid Electric Vehicles) • Almacenamiento energía • Fotovoltaica • Sistemas prepago • Tarifas en períodos La implementación de las Smart Grids se estima en $100B en tecnología1 Grado de impacto Mínimo Moderado Importante Revolucionario Note 1: Department of Energy; The Reform Institute, “The Smart Alternative: Securing and Strengthening Our Nation’s Vulnerable Electric Grid”

13. US Recovery Act for Smart Grid • Estados Unidos esta desarrollando mas de 100 proyectos que incluyen • 40 million smart meters • 345 thousand smart thermostats and appliances • 850 PMUs • 700 automated substations • 200 thousand smart transformers • Plug in hybrid electric vehicles • Renewable Energy Resources • Etc

14. Situational Awareness

15. Situational AwarnessGlobal View • State Estimation: statistical analysis • Integration of applications and RT • Better operator support

16. Wide Area Situational Awareness Limited situational awareness Full transparency of the entire system in real time including all (dynamic) phenomena What’s necessary? • PMUs and WAMs may allow on-line detection of swing phenomena and the introduction of a system level protection scheme • New visualization concepts  Better understanding of system dynamics  Implementation of automated counter measures

17. GPS receiver Analog Phase-locked Inputs Modems oscillator Phasor micro-processor Anti-aliasing 16-bit filters A/D conv Visión General: Mediciones Sincronizadas • Una PMU en una subestación mide fasores de tensión y corriente • Sincronización muy precisa, exactitud de 1 ms que está llegando a ser un estándar • Calcula MW/MVAR y frecuencia • Las mediciones son reportadas a una tasa de 20-60 veces por segundo (en China estandar local 100/s) • Apropiado para seguir la dinámica de la red en tiempo real (recordar que la tasa de refrescamiento del SCADA/EMS es de segundos) • Cada empresa tiene su propio Concentrador de Datos Fasoriales (PDC) para agrupar y alinear datos de varias PMUs basado en la etiqueta de tiempo • Las Mediciones de cada PDC por empresa son enviadas al Dispositivo Central (p.e. SuperPDC de TVA, Nacional….)

18. Algunas reflexiones… • “This emerginig field has been made possible by some remarkable technological innovations in computers, signal processing, and satellite systems”. • “From the point of view of a University Professor this has been an idea subject with which to refute the misconception that electrical power engineering is an old, unglamorous field”. • “This type of measurement system can revolutionize the field of monitoring, protection, and control of power systems. • A.PHADKE, Virginia Tech,1993.

19. Status Displays Trend Voltage PMU1 Meter 1 Meter 2 Meter 3 Meter 4 Meter 5 PMU2 Meter 1 Meter 2 Meter 3 Meter 4 Formatting Options? Formatting Options? Meter 5 Sincronizando Señales Separadas Cientos de Km PMU 2 1 Fasores en el mismo diagrama 2 PMU 1

20. E I I I Un PMU proporciona información de Estados en multiples nodos Multiples mediciones por equipo

21. Medición típica en una subestación Se requiren transformadores de medida precisos

22. Posible evolución de aplicaciones básicas Estimador con PMUs Numero de PMUs Estimador Tradicional ISSUES • PMU Applications at each Stage • of Migration Path Monitoreo • How many PMUs are required? Tiempo

23. Ejemplo de Situational Awareness

24. Example of Use of PMUs GPS Signal IEEE C37.118

25. Power System Status Curve Geographical View (Google Earth based) Phasor diagrams Time charts Ejemplo del uso de PMUs Monitoring of - Online view or - Historic view (selectable) Phasor Data Concentrator: Collecting Phasor Measurement Data via IEEE C37.118 Protocol

26. PMUs offer Wide-Area Visibility

27. WAMS en China • 15% de crecimiento annual en consumo; Generación y líneas están siendo adicionadas: • La interconexión de seis redes regionales ha representado desafíos para las operaciones • Oscilaciones de baja frecuencia; problemas Volt/VAR • Las interrupciones en el servicio han representado costos económicos por 2 BUSD/año • Sistemas y Aplicaciones bajo desarrollo • 10 WAMS; PMUs--80 instaladas, 60 planeadas Sources: CEPRI, China

28. Estimación de Parámetros

29. Sistemas de Control

30. Evolución de Arquitecturas 30

31. Protocolos de Comunicacion Source: IEC TR 62357 - Power system control and associated communications– Reference architecture for object models, services and protocols

32. Weather forecast File Interface PFM / trading Price information Balancing groupschedule Smart meteringmanagement Terminal monitor VPP File Interface EDM Forecasts:Short term balancing group Short term network load Heat and gas demand PFM: Portfolio management EDM: Energy Data Management RTU: Remote Terminal UnitVPP: Virtual Power Plant DSM - Demand side management PV - Photovoltaic CIM-Database Remote Meterdata acquisition File Interface Actual status,power generations,availability SmartDistribution control center Proposal Multi- utility Control Centre HSE Set values forgeneration, on/off PC-based server Architecture, tests IEC Standards IEC Standards IEC-Converter Metering Management AIM RTU Data Concentrator RTU RTU RTU RTU RTU RTU RTU Multi-utility meters Residential storage Storage Wind CHP PV DSM Web2Energy Germany

33. KEMA abrió recientemente el laboratorioa “Flexible Power Grid Laboratory” en Holanda Mejor utilización de equipos y sistemas Conexión de generadores renovables distribuidos y a pequeña escala Confiabilidad y estabilidad de la red Conexión de aereogeneradores y fotovoltáicos Aplicaciones de FACTS and HVDC Mayor énfasis en estándares de calidad de potencia Desarrollo de tecnología e innovación Requisitos Emergentes • CARACTERÍSTICAS • Potencia nominal de 1 MVA operando en 4 cuadrantes (flujo bi-direccional) • Salida a 3.3 kV rms, 3 fases controlables independientemente • Frecuencia ajustable desde DC hasta 75 Hz • Distorsión armónica de tensión hasta 2400 Hz http://www.flexpowergridlab.com/ 33

34. Desarrollo de AMI

35. AMI proporciona un mecanismo de comunicación más efectivo entre empresa y consumidor Conexión AMI • Características AMI • Completamente bidireccional • Acceso a datos en tiempo real • Banda ancha, comunicaciones en red • Gestión robusta de datos para interfase con “back office” • Redes con comunicación Peer-to-peer • Control de generación distribuida • Integración múltiple con red troncal • Interoperabilidad de equipos • Protocolos de comunicación abiertos • Autodiagnóstico y programación • Gestión y administración automatizada • Medidor es el “PORTAL” del usuario MDM/ Back Office • Outage Mgmt. • Facturacion • avanzada Consumidor Acceso Remoto Soluciones Inalámbricas AMI Meter Soluciones Alambradas Medidores Gas o H2O AMR

36. El número de fabricantes está creciendo significativamente – todos esperan seguir el camino de los fabricantes de AMI Home Area Network Vendors • Intermatic • Leviton • RAM Industries • Baco Controls • Corporate Sys. Engineering • Invensys • Domosys Corp. • Dencor • Brayden Automation Corp. • Comverge • Invensys • Broadband Energy Networks • Intellicom Innovation AB • Vantage Controls In-Home Display Devices Load Control Switches • Johnson Controls, Inc. • Honeywell • Carrier • Domosys Corp. • Comverge • Delta Controls • HAI Smart Thermostats • Lighting Control and Design • Lightstat Inc. • Lutron • Douglas Lighting Controls Inc. • Powerline Control Systems, Inc. • Vantage Controls • Synergy Lighting Controls La clave del éxito de esta nueva generación de productos será el uso de protocolos abiertos e interoperabilidad 36

37. Smart Metering

38. Proyectos de medición inteligente

39. Fabricantes de medidores inteligentes

40. Reino unido

41. Reino unido BROGDEN Jason, Successful Delivery of Smart metering for Great Britain Version:1.0, Energy Retail Association, mayo 2010

42. Estados Unidos

44. Estados Unidos

45. Brasil

46. Colombia

47. Colombia

48. Desarrollo de las Redes Inteligentes

49. Pasos en el desarrollo de Smart Grids Fuente IEEE

50. Evolución hacia redes inteligentes