tesis valdivieso sarabia

7/25/2019 Tesis Valdivieso Sarabia

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MODELADO Y SIMULACIN DE LA DISTRIBUCIN DE

ENERGA ELCTRICA EN SISTEMAS GENRICOS

CONSISTENTES EN DIVERSAS FUENTES Y MLTIPLES

MODOS DE TRANSMISIN.

OPTIMIZACIN DEL USO DE LAS FUENTES CON CRITERIOS

DE SOSTENIBILIDAD

Rafael Jess Valdivieso Sarabia
http://www.eltallerdigital.com/http://www.ua.es/


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UUnniivveerrssiiddaaddddeeAAlliiccaanntteeDDeeppaarrttaammeennttooddeeTTeeccnnoollooggaaIInnffoorrmmttiiccaayyCCoommppuuttaacciinn

TESIS DOCTORAL

MODELADO Y SIMULACIN DE LA DISTRIBUCIN DEENERGA ELCTRICA EN SISTEMAS GENRICOS

CONSISTENTES EN DIVERSAS FUENTES

Y MLTIPLES MODOS DE TRANSMISIN.OPTIMIZACIN DEL USO DE LAS FUENTES CON CRITERIOS

DE SOSTENIBILIDAD.

Autor:RAFAEL JESS VALDIVIESO SARABIA

Dirigida por:DR.JUAN MANUEL GARCA CHAMIZO

Alicante, noviembre de 2013


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iii

a Ana, mi contexto


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v

Hay suficiente en el mundo

para las necesidades del hombre,

pero no para su avaricia

Mahatma andhi


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vii

Agradecimientos

Esinevitableecharlavistaatrsyagradeceraquieneshan

permitido,contribuido,apoyadoymotivadoestetrabajo.

JuanmayJavi,porilustrarmeconsurigor,pacienciaydedicacin

infinita.

Mispadres,porinculcarmelosprincipiosyvaloressubyacentesa

todadecisin.

Mi hermana, cuado y sobrinos, por su apoyo y motivacin

incondicional. Sobre todo, mi ahijado, Jess, cuya curiosidad

naturaleinsaciablemehapermitidocompartirconllasgrficas

delcaptulosexto.

Ana,porsuspalabrasdealientoycalor.

Compaerosyamigosdeldepartamento,porcompartirilusiones

disfrazadasconcaf.

Amigosyfamiliares,cuyosimpletratoinfluenciaestetrabajo.


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ix

Resumen

Estainvestigacinabordaelproblemadeladistribucinelctricaensistemas

genricoscompuestosporvariasfuentesdeenerga(hidroelctrica,elica,solar,

etc.), mltiples medios de transmisin (lneas de transmisin, medios de

almacenamiento, convertidores, etc.) y varios centros de consumo (edificios,

viviendas,lavadoras,porttiles, telfonosmviles,etc.), concretamente,haciendo

uso de criterios sostenibles que aprovechen las bondades de las fuentes de

energa renovables. Losaspectos de universalidad y de escalabilidad requieren

especialatencinenlosproblemasdedistribucinelctrica,precisamente,porsu

faltadelinealidadinherente.Deahlarelevanciadelrecursoalrigorformalyala

coherenciametodolgicaparaalcanzarpropuestascompatiblesconlacondicinfuertementeaplicadadelosproblemasdeestanaturaleza.

La propuesta se concreta, por tanto, en una solucin que, partiendo del

modelado formal de los sistemas elctricos, proporciona sucesivos niveles de

verificacinemprica,desdelasimulacinsobreprototiposdetecnologasoftware

hasta la potencial experimentacinmediante prototipos electrnicos, los cuales

tendrsentidovalidarbajodemandadebidoasucoste.

Especficamente,los objetivosplanteadosen la investigacinson:proponer

unmodelo formal de sistema elctrico capaz utilizarse sistemticamente en la

obtencinde solucionesarquitecturalesenproblemaspertenecientesadiversos

mbitos,contextosonivelesdeabstraccin;especificarydisearunaestrategia


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x

degestin elctrica integrable enelmodelo, que optimice la distribucin de la

electricidaden funcindelosrequerimientosyquepermitagestionarcargascon

elobjetivodepreservarelmedioambienteygarantizarlasostenibilidadenergtica

medianteel fomentode fuentesdeenerga renovables; disear ydesarrollar un

prototipodeentornodeayudaaldiseoderedesysistemaselctricosquefacilitelavalidacindelmodeloylasestrategiasdegestingraciasalasventajasdela

insercindeunaetapadesimulacinpreviaaladeprototipado.

La revisin del estado del arte aborda las tcnicas de distribucin de

electricidad,modelosdesistemasmultiagenteylasmetodologasdedesarrollode

sistemasmultiagente.

Alahoradeaplicarlossistemasdegestindeladistribucinelctrica,se

distinguendiversoscontextos:redesdetransporteydistribucin,barrios,edificios,

viviendas,vehculos,robticamvil,dispositivoselectrnicosubicadosyportables.

Los sistemas de gestin de la distribucin elctrica estn diseados y

desarrolladosdeacuerdoa lascaractersticasconcretasdelsistemaagestionar.

Estoconllevaquelasestrategiasdegestinsedefinandeformaparticularpara

cadacasoy,generalmente,secaracterizanporlafaltadedinamismo.Adems,la

falta de compatibilidad entre sistemas de gestin de la distribucin a distintos

niveleslimitalacoordinacinentreellos.Lacapacidaddecmputoesunodelos

factores que gana relevancia en funcin de la talla del problema, ya que las

alternativasdedistribucincrecendeformaexponencialconelnmerodenodos.

Lautilizacindesistemasmultiagentetantoenlaetapademodeladocomo

enladedesarrollopermiteplasmarlascaractersticascomunesenelmodelode

sistemamultiagente para la gestin de la distribucin elctrica que pueda ser

empleado independientemente del contexto de aplicacin. Los modelos de

sistemas multiagente no permiten disear agentes recursivos, entendiendo

agentes recursivoscomoaquellosqueson capacesdeconteneraotrosistema

multiagente.Existeunaampliadiversidaddemetodologasparaeldesarrollode

sistemas multiagente pero ninguna de ellas ha alcanzado un alto grado de

utilizacincomoparaconvertirseenunestndardefacto.Estosedebe,enparte,a

lafaltadeunadefinicinuniversaldeagenteosistemamultiagente,yqueadems

se ve acentuado por los diversos tipos de arquitecturas de agentes, los

frameworks para el desarrollo de sistemas multiagente y la gran variedad de

contextosdeaplicacinquedeterminanlaidoneidaddeunasmetodologassobre

otras.


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xi

La propuesta de solucin del problema de la gestin de la distribucin

elctrica en diversos contextos est en consonancia con el paradigma de

arquitecturasdirigidaspormodelosyhaceusodesistemasmultiagentetantopara

el modelado como para el desarrollo y la construccin de prototipos. Se ha

propuesto un modelo formal de sistema multiagente recursivo y se haparticularizadoparaelframeworkJADE,dandocomoresultadounalibrerajava,,quepermitecrear instanciasde lasclasesdeagentesdefinidosen elmodeloyejecutardichosagentessobreelframeworkJADE.Conelfindefacilitar

eldiseodelossistemasmultiagenteapartirdel,sehadesarrollado,deforma

independiente,elentornodeprototipadodenominado .Permitedisearyconfigurarelsistemamultiagenteparaelsistemaelctricoconcretoagestionar,

estableciendoloscriteriosdeoptimizacindeseados.Graciasalasimulacintanto

de la generacin como del consumo, se puede evaluar la bondad de la

distribucin elctrica obtenida y realizar los cambios pertinentes. El

desacoplamientoentremodelo, frameworkde agentes yentornodeprototipado

permiteutilizarunnicoentornodeprototipadoparacreardeformaautomatizada

lossistemasmultiagenteparacadaunodelosframeworksdeagentesqueden

soportealmodelodeagentes. Paraellos,se requiereportarelmodelo formal a

cadaunodelosframeworksquesequieranutilizar.Enestetrabajonicamentese

harealizadoconJADE.

Lasclasesdeagentesquecomponenelmodeloformalsepuedenagrupar

en aquellos que manipulan electricidad y los que proporcionan servicios. El

subgrupo de agentes que manipulan electricidad est compuesto por: agente

fuentedeenergaelctrica,,querepresentaatodoslosagentesquenicamentesoncapacesde suministrar electricidad; agente centro de consumode energa

elctrica,, que representa a todoslosagentesque requieren electricidad pararealizarsucometido;claseagentetranspondedordeenerga,,representaatodoslosagentesquesoncapacesderecibiry/osuministrar,almacenarotransportar

energa elctrica,pudiendo llegar a alteraralguna de lasmagnitudeselctricas.

Porsuparte,elsubgrupodeagentesqueproporcionanserviciosestformadopor:

agente bsqueda de agentes, ; agente interfaz de usuario, ; agente deoptimizacin global, ; agente de simulacin de potencia,; y agente deprediccinmeteorolgica,.

La tcnica propuesta para distribuir de forma optimizada la energa se

diferenciadelassolucionesyaexistentesprincipalmenteenqueanalasventajas

de la computacin distribuida y centralizada. Adems, es capaz de gestionar


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xii

cargas,conelfindereducirelconsumoenergticodelosagentesdetipoquesean capaces de deshabilitar funcionalidades que no sean crticas. La

optimizacin de la distribucin elctrica basada en el modelo de sistema

multiagente sedescomponeendosfases: localy global.Laprimera, totalmente

distribuida, establece el intercambio de mensajes dando lugar al conjunto deinteracciones que permiten elegir a los mejores agentes para proporcionar

suministroelctricoyelconjuntodeinteraccionesquepermitengestionarlacarga,

solicitando quese reduzcael consumoantepotenciales situaciones crticas.En

cambio,lafasedeoptimizacinglobal,queescentralizada,partedelasolucin

anterior e intenta mejorarla buscando caminos alternativos considerando el

sistema completo. La optimizacin global se realiza de forma acotada en el

tiempo,porloquesebuscansolucionesmejoresmientrashayatiempodisponible.

Laexperimentacinrealizadahapermitidovalidartantoelmodelocomolas

estrategias dedistribucin elctricaendoscasosdeestudiobiendiferenciados.

Una red de distribucin metropolitana y un computador porttil dotado de uncargadorsolarybatera.Laeleccindelosescenariosantagnicoshapermitido

comprobarlaviabilidaddelapropuestaparaadaptarseadichoscontextos.

Laaportacinglobaldeestetrabajoeslageneralidaddelmodeloformalde

sistema elctrico y de las estrategias de gestin parametrizadas que permiten

obtener sistemas de gestin de la distribucin particulares para un problema

concreto. En consecuencia, esta investigacin abre una lnea metodolgica e

instrumental para la obtencin de soluciones al problema de la distribucin

elctrica a todos los niveles, desde las redes de alta energa, hasta el

microabastecimientoquerequierenlosdispositivoswearable,desdelassencillas

redes con fuente nica de suministro, hasta las configuraciones hbridasmultifrecuencialeseinclusomultimedia(coexistenciadetransportedeenergacon

datoseinformacindecontrol).Hastaelpresente,eltratamientodelproblemase

hallevadohastaelniveldedesarrolloprecompetitivo,elcualsehamaterializado

enlasolicituddelapatenteP201101361cuyottuloesSistemaymtodoparala

distribucinygestindeenergaelctrica


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xiii

Abstract

This research addresses the problem of electricity distribution on

heterogeneous networks (subnets supporting different voltage), with several

energysources(hydropower,wind-power,sun-power,etc.),multiple transmission

media(transmissionlines,storagedevices,converters)andvariousconsumption

centres (buildings, houses, washing machines, laptops, mobile phones), using

sustainable criteria that exploit the benefits of renewable energy sources. The

aspects of universality and scalability require special attention in electrical

distributionproblemspreciselybyits inherentnonlinearity.Hencethe importance

offormalcorrectnessandmethodologicalconsistencytoachieveproposalsthatis

compatiblewithstronglypracticalnatureoftheseproblems.

Therefore, the solution is based on the formal modelling of the electrical

systems, which provides empirical verification through successive ways, from

simulation on software prototypes to potential experimentation with electronic

prototypes,whichwillmakesensetovalidateundermarketdemandduetoitscost.

Specifically,theresearchobjectivesare:

Develop a formal model capable of representing components of electrical

networks.Themodelshouldbegeneralenoughtobeusedroutinelytosolve

problems that arise at different levels of abstraction. These solutions must

address theproblemsrelated topower distributionbetween theconstituentelementsusingitsintrinsiccharacteristics.


15/401

xiv

Specifyanddesignpowermanagementstrategiesthatbelongtothemodel.

The features of the strategies are: distributed, modular, autonomous and

scalable.Theaimis tomakethebestuseofpowerdistributionfromsources

toconsumptioncentresdependingontherequirementsofthefacility,users,

generation capacity and consumption needs. The aim is to preserve theenvironmentandensureenergysustainabilitybypromotingrenewableenergy

sources.

Design and develop a prototype design aid environment of networks and

electrical systems, which makes easier the validation of the model and

managementstrategies.Theenvironmentallowscyclicrefinementprocessin

order to feedback the prototype design. Also, the ability to simulate the

electrical distribution over the model instance facilitates the economic and

temporarily evaluation of the solution by taking advantage of inserting a

simulationstagepriortoprototyping.

The stateof the art reviewaddresses theelectricitydistributiontechniques,multi-agent system models and methodologies for development of multi-agent

systems.

Powermanagementsystemscanbeappliedtoseveralcontexts:powergrids,

neighbourhoods,buildings,homes,vehicles,mobilerobotics,electricalappliances

andportableelectronicdevices.Powermanagementsystemsarecontext-aware,

so they are designedand developedaccording to the particular featuresof the

system to handle. This means that management strategies are defined in a

particular way for each case, usually characterized by a lack of dynamism to

changes or impacts on the environment. Moreover, the lack of compatibility

betweenmanagementsystemsondifferentcontextslimitsthecoordinationamongthem. Computing performance is a relevant factor depending on size of the

problem,sincethedistributionpathshasanexponentialgrowthduetothenumber

ofnodes.

Theuseofmulti-agentsystemsappliedinmodellinganddevelopmentstages

allowsdeterminingcommonfeaturesonmulti-agentsystemmodelformanaging

power distribution, which can be applied regardless of the application context.

Existingagentmodelsdoesnotallowdesigningrecursiveagent,definingrecursive

agent like agents that can be composed by a multi-agent system, establishing

differentabstraction levels. There isawide variety ofmethodologies todevelop

multi-agentsystems,butnonehasachievedahighdegreeofutilizationinorderto


16/401

xv

becomeafactostandard.Thisisdue,inpart,tothelackofauniversaldefinitionof

agent or multi-agent system, and also is accentuated by some types of agent

architectures, several development frameworks and a variety of application

settingsthatdeterminethesuitabilityofaparticularmethodology.

Theproposedsolutiontotheproblemofelectricalmanagementisfoundedon

the conceptsproposedby the paradigmofmodel-driven architecture and uses

multi-agentsystemsformodelling,developmentandprototyping.Aformalmodel

ofrecursivemulti-agentsystemhasbeenproposedanddevelopedfortheJADE

framework like a Java library named . This library can be used forinstantiatingagentclassesandagentsdeployingonJADEframework.Inorderto

facilitate the design ofmulti-agent systems, it has been developed a prototype

designaidenvironment,named,independentlyfrom .Itallowsdesigningandconfiguringthemulti-agentsystem,givingvaluestotheparameters

and establishing the optimization criteria. Once it is configured, maximum

generationforecastsandpowerconsumptioncanbesimulated.Simulationresultsallowevaluating the solutiongiven bythemulti-agentsystemand changing the

valuesoftheparametersisordertoimprovethesolution.Decouplingamongthe

model, framework and prototyping environment allows the use of a single

prototypingenvironmenttocreateautomatedmulti-agentsystemsforeachmulti-

agentsystemframeworkintegrated.Itrequiresadaptingtheformalmodeltoeach

frameworkwillbeintegrated.ThisworkwascarriedoutwithJADEframework.

Themodel is composedofseveral agent classes that can beclassified in:

electrical agents and providing services agents. The subset of agents that

manipulates electricity is made by power source agents,

, which represents

agents that are able to supply electricity; power consumption centre agents, ,which represents agents that require electricity to perform its duties; electricitytransponderagents,,whichrepresentsagentsthatarecapableofreceivingandsupply power, being able to store or transport electricity or to alter any of the

physicalmagnitudes of electricity.The subsetof agents that provide services is

madeby:searchagents,;userinterfaceagents,;globaloptimizationagents,;powersimulationagents;andweatherforecastingagents,.The proposed technique to optimallydistribute energy differs from existing

solutions mainly in combining advantages of distributed and centralized

computing.Moreover, it performs loadmanagement, in order to reduce energy

consumption of the agents, which are able of disabling non-critical


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xvi

functionalities.Theoptimization of electricaldistribution is decomposed into two

phases: the local and global. The first, which is fully distributed, establishes the

exchange ofmessages leading to the set of interactions for choosing the best

agentstoprovidepowerandthesetofinteractionsthatallowsloadmanagement.

Theloadmanagementinteractionsaskforreducingpowerconsumptiondisablingsomefunctions.Instead,theglobaloptimizationphase,whichiscentralized,starts

withthesolutiongiveninthepreviousphaseandtriestoimproveit,lookingfor

alternativepathsconsideringthecompletesystemtoimprovethegoodnessofthe

solution. Global optimization isperformed in timebounded,so itlooks for better

solutionswhilethereisavailabletime.

Experimentationhasmadeitpossibletovalidateboththemodelandpower

distribution strategies into two diverse case studies. A metropolitan grid and a

laptop equipped with a solar charger and battery. The choice of antagonistic

scenarioshasrevealedthefeasibilityoftheproposaltoadapttothesecontexts.

Themain contribution of this work is the generality of the formal model of

electricalnetworksandparameterizedmanagementstrategies,whichcanobtaina

particulardistributionmanagementstrategyforaspecificproblem.Therefore, this

researchopensamethodologicalandinstrumentallineforobtainingsolutionsto

problem of power distribution at all levels, from electrical grids, to low power

supply, which requires wearable devices, from the simple network with single

power source to hybrid multi-frequency configurations and even multimedia

(energy,dataandcontrolinformation).Todate,thetreatmentoftheproblemhas

ledtothelevelofpre-competitivedevelopment,whichhasresultedintheSpanish

patentapplication "P201101361"entitled"Systemandmethod forthe distribution

andmanagementofelectricalenergy.


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17

Contenido

Captulo1. Introduccin ........................................................................... 23

1. Motivacin ........................................................................................................................25

1.1.

Anlisisdelaevolucindelconsumoelctrico

................................28

1.2. Sostenibilidadenergtica ..............................................................................30

2.

Objetivos

........... ........... .......... ............ ........... .......... ............ ........... .......... ............ ........... ...47

3. Antecedentes ..................................................................................................................50

3.1. Redesinteligentes ..............................................................................................50

3.2.

Viviendasresidenciales

..................................................................................62

3.3. Vehculos .................................................................................................................66

3.4.

Robticamvil

.....................................................................................................68

3.5. Dispositivoselectrnicos ...............................................................................70

4.

Formulacindelproblema

......................................................................................74

4.1.

Propuestadesolucin ........... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ........76

Referencias...85


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18

Captulo2. Metodologa de Modelado y Prototipado

basado en Agentes .......................................................... 101

1. Agentesysistemasmultiagente ........... ............ .......... ........... ............ .......... ......103

2.

Metodologasdemodelado

..................... ........... .......... ............ .......... ........... ......107

2.1.

Comparativaentremetodologas

........... ............ .......... ........... ............ ...107

3. Metodologafuncionalidad-estructura-tecnologa(FET) ....................118

3.1.

Fasedeanlisis

................................................................................................119

3.2. Fasedediseo ..................................................................................................126

3.3.

Fasedeimplantacin

....................................................................................132

3.4.

ResumendelametodologaFET ...........................................................138

Referencias..141

Captulo3. Modelado de Sistemas Elctricos ............................. 147

1. Introduccin .......... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ......149

2.

Modelofuncional

.......... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ............ .......... ......150

2.1. Clasesdeagentes .......... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ............ ...150

2.2.

Roles

.......................................................................................................................158

2.3.

Objetivos

...............................................................................................................162

3.

Modeloestructural

........... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ............ .......... ..166

3.1.

Modelodeagente

...........................................................................................166

3.2. Particularizacin del modelo de agente para sistemas

dedistribucinelctrica

........... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ..181

3.3. Protocolosdeinteraccin ...........................................................................209

Referencias..217


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19

Captulo4. Gestin de la Distribucin Elctrica

.......................... 221

1. Introduccin ..................................................................................................................223

2.

Fasedeoptimizacinlocal

...................................................................................227

2.1.

Gestindesuministro

...................................................................................229

2.2. Gestindecarga .............................................................................................231

3.

Fasedeoptimizacinglobal

................................................................................235

4. Resumen .........................................................................................................................242

Referencias..245

Captulo5. Prototipado basado en el Modelo

Tecnolgico .................................................................. ...... 247

1. Introduccin ..................................................................................................................249

2.

Modelotecnolgico

..................................................................................................254

2.1. PlataformaJADE ..............................................................................................254

2.2. RelacionesentremodeloestructuralyJADE ..................................257

2.3.

Frameworkparael desarrollo de sistemasmultiagente

paraladistribucinelctricaU

..............................................259

3.

Entornodeprototipado U.......................................................................268 3.1. Descripcinde U..............................................................................269 3.2. IntegracindepSMADEy U......................................................278 3.3.

Simulacin

..........................................................................................................282

3.4. Implantacin ......................................................................................................283

Referencias..285


21/401

20

Captulo6.

Casos de Estudio

.............................................................. 291

1. Introduccin .......... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ......293

2.

Reddedistribucinmetropolitana

........... ............ .......... ........... ............ .......... ..297

2.1.

Microgriddeunaciudadtipo

....................................................................299

2.2. Arquitectura del sistemamultiagente en el framework U.................................................................................................................303

2.3. Capacidaddegeneracinyrequerimientosenergticos ........311

2.4. Distribucinelctrica .....................................................................................314

3.

Dispositivoselectrnicosportables

........... ........... .......... ............ ........... .......... .326

3.1. Ordenadorporttil ...........................................................................................326

3.2.

Arquitectura del sistemamultiagente en el framework

U

.................................................................................................................328

3.3. Capacidaddegeneracinyrequerimientosenergticos ........337

3.4.

Distribucinelctricadeshabilitandolagestindecarga

.......339

3.5. Distribucinelctricacongestindecargadisparadaal

alcanzarelniveldereservamnima .....................................................343

3.6.

Distribucinelctricacongestindecargadisparadaal

superarlamediadeconsumo .................................................................347

3.7.

Comparativaentrelastresestrategiasdedistribucin ..............351

Referencias..355

Captulo7.

Conclusions

............................................................... ......... 357

1. Contributions .......... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ............ .......... ........... ....359

2. Futurework ............ ........... .......... ............ ........... .......... ............ ........... .......... ............ .....364


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21

List do de Figuras .. ................................................................... ................ 365

Listado de Tablas ....................................................................................... 373

Anexo A Sistemas de Medicin de Fasores ...... ...... ...... ..... ...... .... 377

1. Introduccin ..................................................................................................................379

2. Aplicaciones ..................................................................................................................381

Referencias..383

Anexo B Modelo Weyns-Holvoet ..................................................... 385

1.

Introduccin

..................................................................................................................387

2. Sistemadinmico ......................................................................................................388

3.

Modelodeagenteubicado

..................................................................................391

4. Modelodesistemamultiagenteubicado .....................................................394

Referencias..399


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24/401

23

Captulo uno

1.

Introduccin

El captulo presenta las motivaciones, tanto personales como

profesionales, que han guiado el trabajo recogido en este

documento, y los objetivosmarcados. Seguidamente, seanaliza el

estado del arte relacionado con sistemas de gestin de la

distribucin elctrica aplicados a distintas reas, con el fin de

identificarlosaspectoscomunesysusceptiblesdemejora.Elcaptulo

finaliza con una especificacin formal del problema y con la

propuestadesolucin.


25/401


26/401

Motivacin

25

1. Motivacin

El inicio deun trabajo,comnmentese tiende a relacionar con laprimeratareaplanificadaoinclusoconlapropiaplanificacin.Encambio,sireflexionamos

durante unos instantes, seguramente, llegaremos a la conclusin de que el

germen qu lopropici seencuentra inmersobajo las experiencias vividasa lo

largodelosaos.

Taleselcaso,queestainvestigacinprobablementetengasurazndeser

enunviajerealizadohacealgunosaos,msdelosquemegustara,atravsde

variasciudadesitalianas.Amedidaqueelviajeavanzaba,meibaimpregnandode

losdiferentesestilosartsticosyarquitectnicosalosquepertenecancadaunade

las obrasy monumentos visitados.Cadauno deellosestdeterminadopor los

conocimientos,tcnicasysituacinsocialdesusrespectivaspocas,noobstantesepuedenobviardichosfactorestemporalesconel findeestablecerundominio

comnquepermitacompararlossistemticamente.Especialmentemeimpactel

antagonismo entre el estilo clsico romano y la corriente renacentista,

generosamente apreciable en Florencia. El estilo romano se caracteriza por el

pragmatismollevadoallmite,muestradeellosonlasgrandesconstruccionesde

arquitectura civil:acueductos, puentes, carreteras, templos, etc. evitando a toda

costa los detalles superfluos e innecesarios para sucometido funcional.Es por

tanto,envidiablelacapacidaddeplanificacin,organizacinygestinderecursos

llevada a cabo para la construccin y perduracin de las obras a lo largo del

tiempo.Elrenacimiento,encambio,desprendeeseairedeopulenciamediantela

bsquedadelidealclsico,inspiradotantoenlanaturalezacomoenelpropioserhumano, la incorporacindeperspectivay eluso deproporciones asociadas a

cnones de belleza -proporcin aurea 1

1Nmeroirracionalrepresentadopor cuyovalores(1 + 5)/2.Dadounsegmento

delneadivididoendossegmentos,unodemayortamaoqueelotro.Sedefinecomola

relacinentrelalongitudtotaldelsegmentoyladelsegmentodemayortamaoqueesasuvezigualalarelacinentreelmayoryelmenorsegmento.

o divina (Dunlap, 1997)-. El estilo

renacentistafavorecelabsquedadelaperfeccinestticaenlasobrasencontra

delausabilidad,quequedapostergadaaunplanosecundario.Lamagnituddelas

obrasrenacentistaseratalquenecesitabangrandescantidadesderecursos,tanto

econmicos como temporales, para acometerlas. El modelo de gestin de


27/401

Captulo1.Introduccin

26

recursosasociadoalrenacimiento,quepersiguelamaximizacindelabellezasin

importar los recursos necesarios para alcanzar la perfeccin, contrasta con el

modelodegestinclsico,caracterizadopormaximizarlausabilidadinvirtiendola

cantidadmnimaorazonablederecursos.Esteltimomodeloinducesutilmenteel

concepto de sostenibilidad asocindolo a una gestin ptima de recursos encontradelmodelorenacentista,quedejadeladoloscriteriossosteniblessiendo

nicamentelasciudades-estadoeconmicamentemspoderosaslasprincipales

exponentesdedichoestiloartstico.

Lasostenibilidadasociadaalagestinadecuadaderecursosnosiemprese

hatenidoencuentacomouncriteriodediseo,yaqueenfuncindelosaspectos

socio-econmicos,culturalesytcnicosdecadapocahanprimadounoscriterios

sobre otros. La popularizacin de la produccin en serie, que se llev a cabo

durante la revolucin industrial, es una muestra de optimizacin, en la que se

aumentalaproduccindisminuyendoloscostestemporalesyeconmicosdelos

procesos productivos industriales. Otro factor ligado a la sostenibilidad, es laracionalizacin del consumo de recursos en general. Las personas

mayoritariamenteconsuman en funcinde susnecesidades, aunqueamedida

quedichaspersonashanidoaumentandosupoderadquisitivoygracias,enparte,

alascampaasdemarketing,elconsumohapasadoadependerdelacapacidad

econmica,sintenerencuentalasnecesidadesrealesdedichosrecursos.Esta

tendencia consumista basada en la concepcin de que los recursos eran

ilimitados sugiere la ausencia de criterios sostenibles. A medida que las

sociedadeshanidoadquiriendoconcienciadeque losrecursossonlimitados,el

conceptodesostenibilidadhaadquiridociertarelevancia,especialmenteenloque

serefiereasostenibilidadenergtica.Estemodelodedesarrollorepresentalaidea

quesubyaceymotivaestainvestigacin,quehasidosoportadaeconmicamente

por una beca y contrato de formacin de profesorado universitario (FPU),

destinados a la formacin de doctores en temticas relacionadas con el uso

racionaldelaenerga,lasenergasrenovablesylaproteccindelmedioambiente,

quehedisfrutado.Labecamarcaunaseriedelneasdeactuacin,entreellas,la

de Ahorro y Eficiencia Energtica es la que circunscribe este trabajo,

concretamentelosaspectosdeGestindelaDemandayControlyEstrategias

deReduccindelConsumoFinal.

A lo largo de los aos, he ido recibiendo la formacin que me ha

proporcionadounasbasessobrelasquesustentarlosnuevosconocimientosque

he ido adquiriendo. Entre los hitosms significativos, destacarmicolaboracin


28/401

Motivacin

27

con el grupodeDomtica y Ambientes Inteligentes (DAI)del departamento de

TecnologaInformticayComputacin(DTIC)delaUniversidaddeAlicante(UA).

DichacolaboracinsematerializarazdelaasignaturaSistemasInformticos

delltimoaode IngenieraenInformtica,quefuedirigidaporelCatedrticode

Arquitectura y Tecnologa deComputadores, y codirector de esta investigacin,Juan Manuel Garca Chamizo. En ella, comenc a vislumbrar tanto el Mtodo

CientficocomoelsignificadodeInvestigacin,DesarrolloeInnovacin.Conceptos

que he ido asimilandode formapaulatina amedida quemi vinculacin con el

grupoDAIsehaidoconsolidandoatravsdelasdiversasbecasdeinvestigacin

quehedisfrutado.Duranteestaetapadeformacin,hetenidolaoportunidadde

colaborarendiversosproyectos.Algunosdeellosenlalneadeestetrabajoyotros

complementarios, en los que he aplicado el mtodo cientfico y tcnicas de

inteligenciaartificialenreasdeconocimientoadyacentes.Eltrabajorealizadoen

estainvestigacinsehavistoinfluenciadode formaindirectaporlaparticipacin

enlossiguientesproyectoscomplementarios:

Sistemas de vigilancia visual para la identificacin y caracterizacin de

comportamientosanmalos(GV/2011/034).

Sistemadevisinparalamonitorizacindelaactividaddelavidadiariaenel

hogar(TIN2010-20510-C04-02).

Sistema de vigilancia visual para la identificacin y caracterizacin de

comportamientos anmalos en entornos restringidos bajo restricciones

temporales(GRE09-16).

Sistemadevisinparalamonitorizacindeactividadesdelaspersonasenel

hogar(TIN2009-14406-C05-02).

Soportesoftwareparalaprovisindeserviciosderivadosdelalocalizacinde

recursosmviles en escenarios no estructurados y tecnologas de acceso

inalmbricasheterogneas(GVPRE/2008/125).

En cambio, la participacin en proyectos de investigacin directamente

relacionadosconestetrabajomehapermitidoprofundizarenaspectosconcretos.

Lacolaboracin enelproyecto Especificacindedesarrollo tecnolgicodeun

sistema integral para el control y la monitorizacin del sistema trmico de la

vivienda (INSTALACIONESRIBERA2-09I)meha permitidodesarrollar un sistema

de control y monitorizacin de la instalacin de suelo radiante basado en

autmatasprogramables.Elalgoritmodecontrolhasidoimplementadocomoun

sistema experto en gestionar la utilizacin de las distintas fuentes de energa,

placas solar-trmica y bomba de calor reversible agua-agua, con el fin de


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28

minimizar el consumo energtico (Valdivieso-Sarabia et al., 2010). La lnea de

investigacinreferentealamonitorizacinycontroldediversasfuentesdeenerga

renovables ha sido posible gracias a la participacin en el proyecto Diseo y

desarrollo de vivienda modelo automatizada como laboratorio/espacio

demostrativo de innovacin (FEMPA1-09T) y a su continuacin Ampliacin demetaltic-hogar digital con la incorporacin de nuevas fuentes de captacin de

energaytecnologasparalavida(INNOMETALIA1-10I).Endichosproyectoshe

abordado, entre otras tareas, la instalacin, medicin y monitorizacin de las

distintasfuentesdeenerga,placasfotovoltaicas,aerogenerador,conexinared

elctricaybaterasinstaladasenunavivienda-laboratoriotipodeunos55m2.Las

mediciones realizadas en un contexto real me han permitido profundizar en el

conocimiento de los consumos y de extrapolar dichos consumosmediante la

elaboracindelmodelocorrespondiente.

1.1.

Anlisis de la evolucin del consumo

elctrico

El consumo energtico a nivel global ha ido aumentando de forma

progresiva.(White,2006)estableceunarelacindirectamenteproporcionalentreel

niveldedesarrollo/bienestardelassociedadesysuconsumoenergtico.

Figura1.1.Evolucindelageneracinelctricamundialdesde1971hasta2010enfuncinde

tiposdefuentesenergticas(IEA,2012)


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Laevolucindelageneracindeelectricidadmundialenfuncindelostipos

defuentesdeenergadesde1971hasta2010sepuedeobservarenlafigura1.1y

figura 1.2 (IEA, 2012). La categora de otras fuentes de energa incluyen la

fotovoltaica,geotrmica,termosolar,elica,biocombustibles,desechosorgnicos,

yaprovechamientodecalor.Endichasfigurasseapreciaelaumentosignificativode la electricidadgenerada, concretamenteun329%,durantedichoperiodo.La

evolucindelconsumoelctricomuestraunatendencialinealascendente,conla

excepcin del ao 2009, en el que se aprecia un descenso significativo a

consecuencia de la coyuntura econmica que ha tenido repercusin a nivel

mundial.Porlotanto,eldesarrolloybienestarexperimentadoporlassociedades

engeneraldurantelas4ltimasdcadasconstatalarelacindescritapor(White,

2006).Enelcasodequeestarelacincontinesiendovlida,llegarunmomento

enque los requerimientosenergticosmundialesseaninsostenibles,por loque

claramenteseevidencialanecesidaddecambiossustancialesatodoslosniveles.

Figura1.2Comparativadeporcentajesdeutilizacindefuentesdeenergaentre1973y2010

Sostenibilidadenergtica(IEA,2012)

Lafigura1.2muestralautilizacindelasdiversasfuentesenergticasen1973

yen2010.Sepuedeobservarcomoen1973las2principalesfuentesenergticas

para producirelectricidad eran:el carbn/turba y petrleo (63%)y lautilizacin

prcticamente nula de fuentes de energa renovables (0.6%). En 2010, el

carbn/turbacontinasiendolaprincipalfuente,aunqueseapreciaunimportante


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descensodeutilizacindepetrleo(4.6%)afavordelgas(22.2%)ydelaenerga

nuclear (12.9%). El uso de las renovables se ha incrementado (3.7%), aunque

todavarepresentaunporcentajebajoencomparacinconlasnorenovables.La

evolucindelusodelasdistintasfuentesdeenergaalolargodedichoperiodo

enfatiza la ausencia de criterios sostenibles y pone de manifiesto la grandependenciadefuentesdeenerganorenovablesquerepercutennegativamente

sobreelmedioambiente.Estatendenciaseestinvirtiendoenlosltimosaos

graciasaladifusinmediticadelasbondadesdeldesarrollosostenible,loqueha

permitido que las sociedades estn constatando la necesidad de utilizar

estrategiasquepermitanundesarrolloenergticososteniblealolargodeltiempo.

1.2. Sostenibilidad energtica

El trmino sostenibilidad, por s solo, nicamente hace referencia a la

capacidaddeunprocesodemantenerseporsmismoalolargodeltiempo,porlo

tanto al hablar desostenibilidad esaconsejable indicar el dominio del proceso

sobre el que hace referencia. (Brundtland and Khalid, 1987) define desarrollo

sostenible como satisfacer las necesidades de lasgeneraciones presentes sin

comprometerlasposibilidadesdelfuturoparaatenderlaspropiasnecesidades,

adems relacionaaspectossociales,econmicosy medioambientales de forma

queenlassituacionesenlasquesesatisfacenestostresrequerimientossepuede

hablardedesarrollosostenible(GoodlandandDaly,1996).

Social Econmico Medioambiental

Mejoradelbienestarde

lasociedad

Viabilidadeconmicade

losprocesosasociados

alamanipulacindela

energa

Conservacindel

entornonatural

Usoracionaly

responsabledela

energa

Preservacindelas

materiasprimas

Tabla1.1Requerimientosparaalcanzareldesarrollosostenibleenergtico

Situandoeldominiodelproblemaenelsectorenergtico,podemosdefinirla

sostenibilidad energtica como: satisfacer las necesidades energticas de las


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Motivacin

31

generacionespresentessincomprometerlasposibilidadesdelfuturoparaatender

las propias necesidades de energa. La tabla 1.1 muestra los principales

requerimientosparaalcanzareldesarrollosostenible.Dichatablaalbergafactores

sociales,econmicos ymedioambientales.El factor social seentiendecomo la

mejora del bienestar y la concienciacin ciudadana para el uso racional yresponsable. El factor econmico se refiere a la rentabilidad econmica de los

procesosasociadosalaobtencin,transformacin,almacenamiento,distribucin

yconsumo.Yel factormedioambientalhacealusinalaconservacindelmedio

ambiente,yaseamediantelapreservacindelasmateriasprimas,elbalancede

emisionesdeCO2neutro(Krner,2003)yotraspolticas.

Las sociedades modernas tienen ante s el reto de alcanzar el desarrollo

energticosostenible.Paraconseguiresteobjetivotanambicioso,sehanrealizado

variosacuerdos,convencionesypolticasglobales.En1992,secrelaConvencin

MarcodelasNacionesUnidassobreelCambioClimtico,bajoelamparodela

OrganizacindelasNacionesUnidasdonderepresentantesdetodoslospasesasociados se renen para hacer frente a los problemas asociados al cambio

climtico.Dichaconvencintieneunaperiodicidadanualyentreellasdestacarla

cumbre celebrada en 1997 en Kyoto. Seplanteaba el objetivo dedisminuir las

emisionesdegases2

Paralelamente, los lderes del G8 trataron los retos que plantea el cambio

climtico:garantizarunaenergalimpia yundesarrollo sostenible en lacumbre

celebrada enGleneaglesen elao 2005.La

queproducenelefectoinvernaderoyparaelloseaprobel

protocolo de Kyoto (Organizacin Naciones Unidas, 1997), donde los pases a

favordeestamedidasecomprometieronareducirsusrespectivasemisiones.Alo

largodeestosaoscadanacinhatenidolalibertadtantoderatificarcomode

cumplir con dicho acuerdo. El protocolo de Kyoto se ratific en la convencin

realizadaenelao2009porlamayorpartedelasnacionesaexcepcindeunode

los mayores productores de este tipo de gases, Estados Unidos de Amrica,

(OrganizacinNacionesUnidas,2009).En2012,seratificunsegundoperiodode

vigenciadel Protocolo deKyoto desde2013 hasta2020,aunque los pases con

mayorpesocomoEstadosUnidosdeAmrica,Rusia,JapnyCanadrechazaron

lapropuesta.

tabla1.2 recoge elplandeaccin

elaboradoconlaparticipacinporlaAgenciaInternacionaldelaEnergadurante

2

dixido de carbono (CO 2), gas metano (CH4) , xido nitroso (N2O),Hidrofluorocarbonos(HFC),Perfluorocarbonos(PFC)yHexafluorurodeazufre(SF6).


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lacumbre.Dichoplandeaccinsecentraenseismbitosgenerales(IEA,2005):

estrategias y escenarios de energa alternativos; eficiencia energtica en los

edificios, los electrodomsticos, el transportey la industria; combustibles fsiles

mslimpios;capturayalmacenamientodelcarbono;energasrenovablesymayor

cooperacin internacional.Ladiversidadde mbitosquepresentaen elplandeaccinanteriormuestraquenoexisteunanicalneadeaccinenlaquesedebe

avanzar en profundidad, sino que se debe de avanzar en cada una de ellas

razonablementeparaquedeformaconjuntaseconsiganlosobjetivosmarcados.

LosmbitosgeneralesdefinidosenlacumbredeGlenagles,estnorientadosa

evitarelcambioclimtico,porloqueporssolosnotienenlapotenciasuficiente

paraalcanzareldesarrolloenergticosostenible.Condichosobjetivosenmente,

espertinenteidentificarlosretosodesafosquesedebenmejorarparaalcanzarla

sostenibilidadenergtica.

mbitos

Estrategiasyescenariosdeenergaalternativos

Eficienciaenergticaenlosedificios,los

electrodomsticos,eltransporteylaindustria

Combustiblesfsilesmslimpios

Capturayalmacenamientodelcarbono

Energasrenovables

Mayorcooperacininternacional

Tabla1.2mbitosgeneralesdelplandeaccindefinidoenlacumbredeGleneagles

Elprocesollevadoacaboparaladeduccindelosretossebasaenpartirde

un conjunto finito de elementos, donde cada uno representa un reto todava

desconocido. La siguiente accin es definir relaciones de equivalencia para

obtenersubconjuntosdel inicial,yassucesivamentehastaquelossubconjuntos

resultantesseansuficientementesencilloscomoparaidentificarcadaunodelos

retosdeformaordenadaysistemtica.Enelcasodequelossubconjuntossean


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disjuntosentres,seobtienecomoresultadounrbol,yenelcasocontrarioun

grafo.

Id Accin Reto

R1 Generacin Agotamientodemateriasprimas

R2 Generacin Contaminacindelmedioambiente

R3 Consumo Eficienciaenergticadeaparatos

R4 Consumo Distribucintemporaldelconsumoenergticoirregular

R5 Consumo Consumosinnecesariosdeenerga

R6 Manipulacin Almacenamientodeenerga

R7 Manipulacin Transportedeenerga

R8 Manipulacin Transformacindeenerga

R9 Manipulacin Distribucinenergtica

Tabla1.3Retosidentificadosparaalcanzarlasostenibilidadenergtica

Partiendodelconjuntode retos, seestableceuna relacinde equivalencia

basadaenlasaccionesquesepuedenrealizarsobrelaenerga,obteniendocomo

resultado tres clases de equivalencia: Generacin, Manipulacin y Consumo.

Asociadosa lageneracinse identificanel agotamiento de lasmateriasprimas

utilizadas como combustibles y la contaminacin del medio ambiente como

consecuenciade laobtencindeenerga.El subconjuntode retos asociadosal

consumoestformadopor: el consumo innecesario e irracionalde energaque

presentanlassociedades,porejemplocuandosedejanlosaparatoselctricosen

standby, o encendidos mientras no se utilizan; la distribucin temporal del

consumoenergticoirregulara lolargodeltiempodeterminaqueexistenfranjas

horarias que requieren mayor cantidadde energa que otras; y la cantidadde

energaquenecesitanlosaparatoselctricosy/oelectrnicosparadesempear

susfuncionalidades,yaquelatecnologaavanzahaciaaparatosenergticamente


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ms eficientes. Por ltimo, dentro del subconjunto de retos asociados a la

manipulacin de energa se dan: el almacenamiento, bateras,

supercondensadores,volantesdeinercia,;eltransportedesdeelemplazamiento

donde segenera hastadondeseconsume; la transformacinde laelectricidad

AC/DC,DC/ACoaotrosnivelesdetensin;ylagestindeladistribucinelctricaengrandes redes elctricasen lasquese sueleteneren cuenta principalmente

criterios econmicos. La tabla 1.3 resume el resultado deaplicar dichomtodo

para la identificacin de los retos o desafos que deben ser mejorados para

alcanzar la sostenibil idad energtica. La propia naturaleza de los retos

identificadoshaceconvenienteanalizardetalladamentecadaunodeellos.

1.2.1. Agotamiento de materias primas

Lastcnicastradicionalesdeobtencindeenergarequierenlautilizacinde

diversasmateriasprimas,principalmentecombustiblesfsiles.Elagotamientode

losrecursoscomoelpetrleo,carbn,gasnatural,etc.nosedebeentenderseen

sentidoliteral,sinoquedebemosentenderlocomoquellegarunmomentoenel

que no ser energticamente rentable. La rentabilidad de la extraccin de los

recursos energticos depender de la cantidad de energa necesaria para su

extraccin. No ser energticamente rentable la extraccin de recursos

energticoscuandosuextraccinnecesiteunacantidaddeenergaigualomayor

alaobtenida.

(EUROSTAT,2012)categoriza la produccinelctricade la Unin Europea,

distinguiendo entre centrales trmicas convencionales, centrales nucleares,

centraleshidroelctricas,camposelicos,yotros,dondeseincluyelageneracin

fotovoltaica.Lafigura1.3muestraelporcentajedeusodecadaunadeellasenla

UninEuropeadelos27pasesdurante2012.Cabedestacarquenicamenteun

21% de la electricidad que se utiliz fue renovable. Aunque este porcentaje ha

aumentadoenlosltimosaos,todavasetieneunaaltadependenciadelusode

combustibles fsiles y fuentes deenerga no renovables.Lautilizacindel79%

restante est determinada en orden decreciente por las centrales trmicas

convencionalesynucleares.

UnavezmostradoelpanoramaactualdeconsumoenergticoenEuropayel

altogradodeutilizacindelasdistintasfuentesdeenergaesmenesterplantearse

la idoneidad decada una de las fuentes. Laenerga nuclear es una fuente de


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energa no renovable y contaminante, ya que los residuos resultantes de su

utilizacin presentan un volumen reducidopero son altamente dainos para la

vida durante largos periodos de tiempo. El principal problema derivado de su

utilizacineselalmacenamientodelosresiduoscongarantasdeaislamientoas

comolaseguridadenlascentrales.Porsuparte,laenergaqueseobtieneapartirde los combustibles fsiles como carbn, gas natural y petrleo presentan

principalmente dos problemas: son limitados y producen sustancias

contaminantes.Llegarunmomentoenquenosepodrnextraerdebidoaqueno

serenergticamenterentable.

Figura1.3ProduccinelctricaenEU27enbasealafuentegeneradoraen2012(EUROSTAT,

2012)

Segn(BP,2013)las reservasprobadasde petrleomundiales en2012se

estiman en unos 1668,9 miles de millones de barriles, lo que permite una

produccin actual constante de hasta 52,9 aos. El citado nmero de aos es

irreal, aunque intuitivo, yaquesuponeunconsumoconstantedurante todoese

periodo.Elconsumoenergticotiendeaaumentarconeltiempo,apesardelas

mejoraseneficienciaenergtica,principalmentedebidoalosgrandespasesen

vasdedesarrollo,yalaumentodelapoblacinmundial.Porlotanto,elnmero


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real de aos resulta ser menor de los 52,9 obtenidos a partir del ratio

reservas/produccin.Porotrolado,taly comosepuedeobservarenlafigura1.4,

lasmayoresreservasseencuentranenOrienteMedioyelcontinenteAmericano,

lo que propicia la dependencia energtica del resto de pases. Estos factores

evidencian la necesidad debasar las sociedades actuales en otras fuentes deenergaalternativas.

Figura1.4Distribucindelasreservasmundialesdepetrleoen2012(BP,2013)

1.2.2. Contaminacin del medioambiente

Lautilizacindecombustiblestantofsilescomonuclearesparalaobtencin

de energa, concretamente electricidad, ha repercutido directa y negativamente

sobreelmedioambiente.El cambio climtico sedebe enparte a los gasesdel

efecto invernadero; eladelgazamiento dela capadeozono,por loque algunas

zonasdelplanetaseencuentranmsexpuestasalasradiacionespertenecientes

alespectroultravioletaeinfrarrojo;ylluviacida,comoresultadodelacombustin

decombustibles fsiles, que hace viable la reaccinqumicaque origina cido


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ntrico y sulfrico que se precipitan sobre la tierra al llover (Dincer and Rosen,

2007).

Laevolucin de las emisiones deefecto invernadero en laUninEuropea

duranteelperiodocomprendidoentre1990y2011esmostradaenlafigura1.5(DG

CLIMA, 2013).Dichaevolucin escomparada con los objetivosmarcadosen el

Protocolo de Kyoto para 2008-2012. Se puede observar la reduccin de las

emisiones enla UninEuropeaconformea los objetivosmarcados. Estehecho

muestra la tendencia decreciente, aunque, en parte, se deba a la coyuntura

econmicaenEuropadurantedichoperiodo.Anas,esconvenienteintensificar

los esfuerzos con el objetivo de reducir en la medida de lo posible dichas

emisiones.

Figura1.5Emisionesdegasesdeefectoinvernaderoprocedentesdelospases

pertenecientesaEuropa-15comparadasconlosobjetivospara2008-2012(DGCLIMA,2013)


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1.2.3. Eficiencia energtica

Las sociedades desarrolladas utilizan a diario multitud de aparatos o

dispositivosquerequierenelectricidadparaproporcionarsusservicios,loqueha

repercutido en un aumento del consumoelctrico. La electricidad suministradaduranteelperiodocomprendidoentre2003y2012enlaUninEuropeade los27

pasesesmostradaporlafigura1.6(EUROSTAT,2012).Seapreciaunacreciente

demanda hasta 2008. En 2009, aparece unpuntode inflexin con una notable

reduccindelconsumo.Enelperiodo2010-2012,aumentarespectoa2009,pero

se establece una tendencia de reduccin de consumo. Dicha reduccin de

consumo,tan drstica,efectuadaapartir de2009,se debe, principalmente,a la

coyuntura econmica de la zona Euro. Sin tener en cuenta este periodo, se

observa que el consumo elctrico aumenta.Entre lagran cantidadde factores

socioeconmicosqueintervienenenelconsumoenergtico,seprocedeaanalizar

laeficienciaenergtica.

Figura1.6Evolucindelconsumoelctricodesde2003hasta2012(EUROSTAT,2012)

Cada vez seutiliza unmayornmero dedispositivosdurante nuestra vida

cotidiana,quevanincorporandonuevasymspotentesfuncionalidades.Asuvez,

los fabricantes disean productos de bajo consumo y/o que permiten ahorrar

energa. Los trminos de bajo consumo o ahorro energtico se suelen usar


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alegremente aunque no sean suficientemente claros, ya que por s solos no

presentan una informacin til. nicamente hacen referencia al consumo

energtico sin tener en cuenta otros factores, como pueden ser las

funcionalidadesofrecidas,o simplemente se cuantifica el ahorro energtico sin

especificar respecto a quien, ni las condiciones utilizadas para evaluar dichoahorro.Existentrminosmspropiciosparaevaluarelconsumoenergticoentre

diversosaparatos,comola eficienciaenergtica,definidacomoelcocienteentre

los servicios ofrecidos y la energa requerida (Patterson, 1996), o su inverso,

denominado indicador de consumo definidocomo el consumo de energa por

unidad,serviciooproducto.Elhechodequecadaaparatoproporcionediferentes

servicios o funcionalidades hace que se utilice arbitrariamente el trmino de

eficiencia energtica en funcin de la naturaleza delaparato. (Patterson, 1996)

enumeracuatrofamiliasprincipalesdeindicadores:

Termodinmicosbasadosenla leyesdelatermodinmicayqueestablecen

ratiosentrelasumadelaenergatildelasalidayentradaalproceso. Fsicos-termodinmicos que relacionan unidades fsicas obtenidas con la

energarequeridaparasuprocesamiento.

Econmicos-termodinmicos que relacionan el precio demercado de los

productosobtenidosylaenergarequeridaparamanufacturarlos.

Econmicos que relacionan elprecio enel mercadodelos productos yel

costeeconmicodelaenerganecesariaparasuobtencin.

Lautilizacinde diversos factoressepuede veren lossiguientes ejemplos.

Losvehculossuelenutilizarelindicadordeconsumodefinidocomoloslitrosde

combustibleque necesitan para desplazarsea una velocidad constante de100

km/h, en cambio para luminarias se define la eficiencia energtica como elcociente entre el producto de la superficie iluminada e iluminancia media y la

potenciarequerida.

A medida que nos encontramos con productos que ofrecen una gran

cantidaddeserviciosheterogneossevuelvemscomplejoobtenerindicadores

de la eficiencia energtica realistas, ya que en el fondo es el usuario el que

determinasuutilizacinalolargodeltiempo.Sehandetenerencuentafactores

subjetivos a cada uno, porque si el usuario mantiene un aparato siempre en

marcha,aunquesetengaunaeficienciaenergticaextraordinaria,alolargodel

tiempo el consumo total puede ser superior a otro energticamente menos

eficiente utilizado por un usuario durante menos tiempo. En cualquier caso,


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aunquelaeficienciaenergtica,porssolanoseacondicinsuficiente,presenta

una especial relevancia, debido a que es necesaria para reducir el consumo

energtico y, adems, permite establecer relaciones de orden entre diversos

aparatosdelamismafamilia.

1.2.4. Consumo energtico innecesario

Existen multitud de ocasiones en que los aparatos elctricos estn

consumiendoenergaynoestnproporcionandoningnserviciooel serviciono

est siendo disfrutado.Un ejemplodeelloeslo que sedenomina consumoen

standbydeloselectrodomsticosdeunavivienda.Segn(Gram-Hanssen,2010)el

consumoenstandby deuna vivienda supone el10% del totalconsumido. Otra

situacinpuedesercuandolatelevisinestencendidaynohayningunapersona

frenteaella.Estetipodeconsumoselctricossepuedenenglobarenloquese

puede denominar consumos innecesarios, debido a que no producen ningn

beneficioyrepresentanungastoenergticointil.Losresponsablesdeestetipo

desituacionesson,enlamayoradecasos,lospropiosusuarios,yaqueobienno

sonconscientesdelconsumoenergticoonolesimportaqueseproduzcaneste

tipode situaciones,porqueeconmicamentese lopuedenpermitir.El consumo

innecesariodependedeloshbitosdelosusuarios,loqueindicalaidoneidadde

concienciary/oayudaralosusuariosaevitarlosconsumosinnecesarios.

1.2.5. Distribucin temporal del consumo

energtico irregular

Este aspecto, al igual que el anterior, tambin est condicionado por los

hbitos de uso de los propios usuarios. El consumo energtico muestra una

distribucin temporalparticular adichousuario.Se puedeobtenerunpatrnde

consumoenergticopor usuariospertenecientesaundeterminadoperfil,porlo

que,deestaforma,sepuedeobtenerunaprediccindeconsumoenergtico.

Elprincipalproblemaderivadodeestasituacinsedaalintegraratodoslos

consumidoresdeelectricidad.Lasconsecuenciasdeesta integracinsedanpor

partidadoble.Enprimerlugar,existendeterminadasfranjashorariasconmayores

requerimientosenergticosqueotras,loquerepercuteenelcosteeconmico.En


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segundolugar,lainfraestructuraenergticahadesercapazdesoportarlospicos

decargaenundeterminadomomento,loqueindicaquelainfraestructuraest

parcialmenteinfrautilizada.Estasituacinsepuedeobservaren lafigura1.7(Red

Elctrica de Espaa, 2013), que representa el patrn de consumo elctrico en

Espaaenlosdasdemximademandahorariadeelectricidadduranteelperiodocomprendidoentre2008y2012.

Figura1.7Comparativadelascurvasdecarga(MWh)delosdasdemximademanda

horariadurante2008-2012(RedElctricadeEspaa,2013)

1.2.6. Transporte, distribucin,

transformacin y almacenamiento

Laimportanciadeltransporte,distribucin,transformacinyalmacenamiento

de energa depende del contexto en el que est situado el sistema energtico

objetodeestudio,porlotantocadaunadeestasaccionestendrnundiferente

gradodeincidenciasobreelcomportamientodelsistemaenfuncindeltipode

contexto.

La utilizacin de cada una de estas acciones se debe a la naturalezadistribuidatantodelageneracincomodelconsumodeelectricidad,porlotanto


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surgelanecesidaddetransportarenergadesdedondeseobtienehastadondese

consume. Este supuesto es vlido en mayor o menor medida para todos los

contextos, aunque sugiere el contextode redeselctricas degran envergadura

interconectadasentres.

Figura1.8Intercambioelctricoentrepaseseuropeosylimtrofes(RedElctricadeEspaa,

2013)

Unejemploeslareddeintercambioelctricoentrelospasesmiembrosde

Europa y los pases limtrofes. La figura 1.8 muestra los intercambios elctricos

mayores a 100kV entre pases vecinos del continente europeo en 2012 (Red

ElctricadeEspaa,2013)loqueresaltalainterconexindelasredeselctricasde

dichospases,conelfindeimportaroexportarenfuncindedondeseoriginen

situaciones de congestin (Kumar et al., 2005). El transporte de la electricidad


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Motivacin

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originaprdidasde corrienteelctricadebidas al efecto Joule3

Otra tcnica comnmente utilizada es la transformacin de la tensin

aplicada,bienincrementndolacuandovayaarecorrergrandesdistanciasobien

decrementndola cuando vaya a ser consumida. Esto es as debido a que el

efecto Joulees inversamenteproporcional a latensindela corriente que est

circulando. En tercer lugar, la tarea que tiene una gran repercusin sobre los

sistemaselctricosdistribuidoseslaplanificacindeladistribucin,yaquedebe

aportarlainteligenciaparadecidirdedondeobtenerlaelectricidadyplanificarelrecorridoptimohastallegaraldestino,cumpliendounaseriederestriccionesque

garanticenlosobjetivosmarcadosylaintegridaddelsistema.Eltrabajoplasmado

en esta investigacin se encuentra bajo el amparo de este ltimo campo de

accin,laplanificacindeladistribucinelctrica.

,porloquepara

minimizarlassepuedenutilizardiversasaccionesaisladasocombinadasentres.

Enprimerlugar,siexistecapacidaddealmacenamientosepuedealmacenarla

energa para disponer de ella cuando sea necesario. Esta alternativa, en la

prctica, suele aplicarse en sistemas que requieran una capacidad dealmacenamientobaja-media. Lasexpectativas parasistemasque requieranuna

grancapacidaddealmacenamientopasanporconsolidacindelastecnologas

asociadasalaspilasdecombustibleohidrgeno(Dyer,2002).

1.2.7. Planes de accin

Losretosplanteadosanteriormentenosonindependientesentres,sinoque

existenrelacionesentreellos,igualmentelasaccionesquedebendarsolucina

dichosretosnodebenconcebirsedeformaaislada,sinoquesehandeorquestar

deformaconjunta.El7programamarcoparalafinanciacindeinvestigaciny

desarrollo de actividades cientficas entre los aos 2007 y 2013 de la Unin

Europea,defineunprogramaespecficoparalainvestigacinenenerga,queest

dotado con 2.35 billones de euros. Las reas de accin definidas en dicho

programa son: hidrgeno y pilas de combustible, generacin de electricidad a

partir energas renovables, produccin de combustibles a partir de energas

renovables, energas renovables para la calefaccin y refrigeracin, captura de

3Fenmenoporelcualunaparteproporcionaldelacorrienteelctricaquecirculapor

unconductorsetransformaencalordebidoalascolisionesentreloselectronesylostomosdelconductor.


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CO2ytecnologasdealmacenamiento,tecnologasparaunusolimpiodelcarbn,

redeselctricasinteligentes,eficienciaenergticayahorroyconocimientoparael

desarrollo de polticas energticas (European Comission, 2011). Las lneas de

accin definidas son mayoritariamente tecnolgicas, pero no abordan las

cuestionesrelacionadasconloshbitosdeusoyconcienciacindelosusuarios.Losaspectossocialespuedeninfluenciarenmayoromenormedidalaviabilidad

del desarrollo energtico sostenible. Un ejemplo de la importancia de la

concienciacinsocialsepuedeobservaren elreciclajedevidrio,papel,envases,

etc.Esnecesariodesarrollarlatecnologayprocedimientosqueeconmicamente

permitan reciclar dichos residuos, aunque el xito est subordinado a que los

ciudadanos hagan el esfuerzo de clasificarlos y llevarlos a los contenedores

habilitados.

Una disminucin del consumo energtico o aumento en la eficiencia

energtica de los aparatos no es condicin suficiente para obtener un ahorro

energtico efectivo,ya que segnenuncia laparadojade Jevons formulada enplena revolucin industrial El aumento de la eficiencia disminuye el consumo

instantneopero incrementasuuso,loqueprovocaunincrementodelconsumo

total(Jevons,1866).Dichaparadojaevidenciaelpapelactivoydeterminanteque

tienenlosusuariossobreelconsumoenergtico,alserelloslosresponsablesde

un uso racional. Esto no es siempre as, por lo que surge la necesidad de

concienciar a los usuarios para que adquieran unos hbitos energticamente

racionales.

Por lo tanto se pueden diferenciar dos familias de soluciones: las

tecnolgicas, orientadas al desarrollo tecnolgico; y las sociales que hacen

referencia a la concienciacin de los ciudadanos. Respecto a las solucionestecnolgicaslaslneasdeaccindefinidasenel7programamarcodelaUnin

Europea en el rea de Energa se generalizan en: el desarrollo de fuentes de

energa renovables y no contaminantes; mtodos para la preservacin y

conservacin del medio ambiente; ofrecer productos con mayor eficiencia

energtica,sobretodoaquellosquemayorrepercusintienensobreelconsumo

global;mejorarlastcnicasycomponentesparaelalmacenamiento,transportey

transformacin de la energa; y por ltimo mejorar las estrategias para una

distribucin inteligente de laenerga.En cambio, las solucionessociales,hacen

referenciaalaconcienciacindelosusuariosparaunusoracionaldelosaparatos

yportantodelaenergaqueconsumen;yfomentarloscriteriosecolgicosparala

preservacindelmedioambienteydesusrecursosnaturales.


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Motivacin

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Familia Solucin

Tecnolgicas

Fuentesdeenergarenovables

Preservacindelmedioambiente

Aumentodelaeficienciaenergtica

Almacenamiento,transporteytransformacin

Estrategiasdedistribucin

Sociales

Usoracionaldelosaparatos/energa

Concienciacinecolgica

Tabla1.4Familiasdesolucionesparaabordarlosretosasociadosaldesarrolloenergtico

sostenible

Ambas familias de soluciones no deben ser aisladas sino que es

recomendablequese complementenunasconotras, con elfindeobteneruna

mayor repercusin, trascendencia y realimentacinmutua. Es por ello, que se

pueden obtener soluciones tecnolgico-sociales mediante el solapamiento de

ambosconjuntos,deformaqueseobtienensolucionestecnolgicascuyoobjetivo

es fomentar los hbitos de consumo racionales en la sociedad. A su vez, se

puedendistinguirentredossubtiposdesoluciones.

Enprimer lugar, activas,que persiguen concienciar a los ciudadanospara

que adquieran dichos hbitos de consumo.Y en segundo lugar, transparentes,

orientadasa facilitar de formadesatendida lasaccionesparaconseguir reducir

consumos innecesarios, picos de consumo instantneos y gestionar

eficientementelaenergadisponible,intentandoenlamedidadeloposiblequeel

usuariose involucrenicamenteensituacionespotencialmentecrticas.Lafigura

1.9muestraelsolapamientodelasfamiliasdesolucionestecnolgicasysociales,

dandolugaralassolucionestransparentesyactivas.Parailustrarambostiposde

solucionessedefineunproblemasencilloycmoseabordaraencadacaso.El

problemaencuestinsedaenlosvehculos,concretamentealapagarelmotor

del cochedejandoaccidentalmente las lucesencendidas. Unasolucinde tipo


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46

activa, implantada comnmente, podra ser emitir un sonido, para alertar al

conductor y que l decida lo que hacer. En cambio, el enfoque transparente

tendra capacidad de decisin para apagar automticamente las luces, por

ejemplosipreviamenteseharealizadounamaniobradeaparcamiento,odejarlas

encendidasyavisaralusuarioparaquesealquiendecida.

Figura1.9Taxonomadesolucionestecnolgico-socialestransparentesyactivasquepersiguenelconsumoenergticosostenible

Tecnolgicas Sociales

Transparentes

Activas


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Objetivos

47

2. Objetivos

Elobjetivogeneralde lainvestigacinesavanzaren lalnea del desarrollo

sostenible,concretamenteenloqueserefiereadesarrolloenergticosostenible(DincerandRosen,2007),enfocandolosesfuerzosenlosproblemasasociadosa

lagestindeladistribucinelctricaindependientementedelapropianaturaleza

delsistemaacontrolar.Elmbitodelproblemaabordadoenestetrabajosepuede

observarenlafigura1.10,dondesemuestranlasdistintaslneasdeaccinparala

mejora de la sostenibilidad energtica. Una vez identificado el mbito del

problema, se concibe unmodelo de sistema elctrico desde el punto de vista

funcionalconlapotenciasuficientegestionarladistribucinelctricaencualquier

contexto.Dichomodelodebeproporcionarestrategiasparalatomadedecisiones

alahoradedistribuirlaelectricidad,porloquedebesoportarlageneracinde

estrategiaspropiasenfuncindelosrequerimientosparticularesdecadasistemaelctrico.Lassolucionesaportadasdebenminimizarelimpactomedioambiental

asociadoalusodefuentesdeenerga,ademsdemaximizar,enlamedidadelo

posible,lasatisfaccindelosusuariosdelospotencialescentrosdeconsumode

dichaenerga.Paraalcanzartalobjetivosepretendefomentarelusodefuentesde

energarenovables,endetrimentodelasquemayorrepercusintienensobreel

medio ambiente y gestionar activamente la demanda energtica, con el fin de

reducir los picosde consumoymantenerun consumoconstante a lo largodel

tiempo.Sepersigue,adems,laintegracindelsistemagestordelaelectricidad

enuncontextoreal,porloquelainvestigacinadquirirunafuertecomponente

aplicada. Para ello, se hace patente la necesidad de particularizar el modelo

generalparalaobtencindearquitecturasorientadasagestionarladistribucin

desistemasconcretos.

Figura1.10mbitodelproblemaabordado


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48

Se propone el desarrollo de un entorno de ayuda al diseo que permita

validarelmodelohaciendousodesimulacionesenlasetapasiniciales.Estoes

viable gracias a que las soluciones se obtienenparticularizando elmodelo, de

formaqueseconsigadelimitarlaexperimentacindentrodeunrangoacotado.El

entornodeayudaaldiseopermitedisearsistemaselctricosdeunaformagil,modular y escalable, facilitando la simulacin del comportamiento del sistema

bajo una serie de premisas. Una vez validada la simulacin, o en su defecto

subsanado el diseo, se inicia el proceso automatizado de concepcin de la

solucin tecnolgica que permita gestionar la distribucin elctrica en dicho

sistema. Establecida la hiptesis de partida se procede a la validacin y

verificacinmedianteunaexperimentacinincremental,basadaensimulacin.

Especficamente,losobjetivosplanteadosenlainvestigacinson:

Concebirunmodeloformaldesistemaelctricocapazde representarredes

de componentes capaces de manipular electricidad. El modelo debe ser

generalparapoderutilizarsesistemticamenteenlaobtencindesoluciones

arquitecturalesenproblemaspertenecientesadiversosmbitos,contextoso

niveles de abstraccin. Las soluciones concebidas deben tratar los

problemas asociados a la distribucin elctrica entre los elementos

constituyenteshaciendousodesusrespectivascaractersticasintrnsecas.

Disearunaestrategiadegestinelctricadistribuida,modular,autnomay

escalable,que sea integrableenelmodelo yoptimicela distribucin dela

electricidaddesdelasfuenteshastaloscentrosdeconsumoenfuncinde

losrequerimientosy/ocriteriosdediseodedichainstalacin.Sepersigue

preservar el medio ambiente y garantizar la sostenibilidad energtica

medianteelfomentodefuentesdeenergarenovables. Disear y desarrollar un entorno de ayuda al diseo de redes y sistemas

elctricos,quefacilitelavalidacinyverificacindelmodeloylaestrategias

de gestin, mediante un proceso de refinamiento cclico que permita la

retroalimentacin mutua hasta alcanzar un estado plenamente maduro.

Asimismo,lacapacidaddesimularladistribucinelctricaenlaarquitectura

particularizadadelmodeloenelentornofacilitaeconmicaytemporalmente

laevaluacindedichasolucingraciasalasventajasdelainsercindeuna

etapapreviadesimulacinaladeprototipado.

Porlotanto,laaportacinfundamentaldeestetrabajoeslageneralidaddel

modelo de sistema elctrico que permite implementar un entorno de ayudaal


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Objetivos

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diseodearquitecturasparalagestinelctricadistribuidadesistemasconcretos

por particularizacin. El entorno facilita el prototipado de dicha arquitectura

mediantelavalidacinyverificacinpreviaqueofrecelaetapadesimulacin.


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3. Antecedentes

La recopilacin detrabajos seharealizado enbasea la relacinexistenteentre los objetivos de dichos trabajos y los propuestos anteriormente. La

naturalezadelasrelacionespermitediscernirentredistintasfamiliasdesoluciones

aplicablesaesteproblema.Enprimerlugar,secentralaatencinensoluciones

orientadashacialadistribucinptimadeenergaenredesquemanejangrandes

cantidadesdeenergaelctrica.Elanlisisaestemacro-nivelvaapermitirreducir

el nivel de abstraccin paulatinamente para profundizar en el modelado de la

gestin energtica a menor nivel, como el que se produce en viviendas

residenciales, vehculos, robticamvil, hastaalcanzar a pequeos dispositivos

mvilesquepresentanmicro-demandasenergticas.

La comprensin y abstraccin de cada uno de los niveles determina losrasgoscaractersticoscomunesatodoslosnivelesylaspropiasdecadafamiliade

soluciones. Llegandoa laconclusinde queestetipo deproblemasse pueden

resolvermediantetcnicasdeinteligenciaartificialsiempreycuandotengamosen

cuentaunaseriederestricciones,comopuedenser:satisfacerlaspeticionesen

tiempo real, equilibrio entre la generacin y demanda, coste econmico de la

distribucin de la energa, la distinta naturaleza del comportamiento de la

demanda,multituddeconsumidores,clientesyservidores,marcolegal,etc.

3.1. Redes inteligentes

Las soluciones empleadas en el modelado de gestin de cantidades del

orden demegavatios y kilovatios prestan especial atencin a la distribucin y

transmisindelaelectricidad.Estasfasessondeterminantesyaquelaenergaes

consumida a una gran distancia de donde fue generada. La distribucin es

importante porque determina el recorrido que va a realizar la electricidad

intentandoencontrarelcaminomscorto,minimizandocostestantoeconmicos

comotemporales.Eltransporteseencargadellevarlaelectricidaddesdeelnodo

origenhastaelnodofinalatravsdelrecorridoestablecidoenladistribucin.Los

nodosquepermitenlatransmisindelaelectricidadtienenunlmitedecantidad

deelectricidadmximaa transferiren unmomentodeterminado(Christieet al.,2000).Ademslatransmisinelctricarepercuteenuncosteeconmicomediante


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Antecedentes

51

prdidasdeenergaelctricadebidoal efectoJouley situacionesdecongestin.

Lacongestinseproducecuandoungeneradornoescapazdeproporcionartoda

laenergaelctricaquerequiereelcircuitoalqueestconectadoyporlotanto

necesitaobtenerlaenergaelctricadeunsegundogenerador,elcualpresentaun

costesuperioralprimero.Esteltimofactoresdeespecialimportanciaalahorade distribuir la energa elctrica ya que algunas situaciones de congestin

conllevan que el segundogenerador pueda incrementarel precio por MWh de

formaindiscriminada.Existendistintasestrategiascadaunadeellasconventajasy

desventajas, aunque todas tienen en cuenta las interacciones entre las

limitacionesdelossistemasdedistribucinylaeficienciaeconmicadelmercado

energtico. La gestin de los mercados elctricos se puede realizar mediante

diversas tcnicas y algoritmos determinados por la legislacin vigente en cada

continente, pas, estado, regin, etc. Es por ello que en general los sistemas

elctricospresentancomplejosrequerimientosquenosiemprelleganacumplirse

como la estabilidad y la regulacin del voltaje, que han sido considerados

problemasimportantesdeenlaseguridaddelossistemas(Bevranietal.,2008).

Acontinuacinserealizaunanlisisdedosmodelosdemercadoselctricos

descentralizados.Modelobasadoentransacciones,ymodelobasadoenelprecio

derea.

Figura1.11EsquemadelflujodelaelectricidadenEstadosUnidos(NorthAmericanElectric

ReliabilityCouncil,2008)

Elmodelo basado en transacciones est implantado entreotrospases en

algunosestadosdeEstadosUnidosyEspaa.Lafigura1.11muestraelesquema

deflujodeelectricidaddeEstadosUnidos,enelquesediferenciantresetapas:

generacin,transmisinydistribucin(NorthAmericanElectricReliabilityCouncil,

2008).Lageneracinincluyelasinstalacionesenlasquesegeneralaelectricidadascomolacentraltransformadoraqueelevala tensin.Laetapade transmisin


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52

est formadapor las lneas dealta tensinque portan laelectricidad hasta las

subestaciones transformadoras. La etapa de distribucin est formada por las

subestacionestransformadorasubicadascercadencleosurbanosoindustriales,

paradisminuirlatensinyporlaslneashastaloscentrosurbanoseindustriales.

LaestructurainternadeEstadosUnidosbasadaenestadosyelliberalismo

econmico llev al gobierno a introducir una serie de requerimientos para

fomentarlacompetenciayanimaraldesarrollodelasestructurasdelasregiones.

UnagrancantidaddelaenergaelctricageneradaenEstadosUnidospertenece

aempresasprivadasqueutilizansuspropiasinstalaciones.LaComisinFederal

Reguladora de la Energa (FERC) de los Estados Unidos establece el acceso

abiertoe indiscriminadoalosserviciosdetransmisinyaccesoabiertoalmismo

tiempoalsistemadeinformacin(OASIS)(Kimetal.,2008).Estopermitequetodas

las compaas tengan la misma oportunidad de proporcionar servicios de

transmisin de energa entre sus generadores y sus clientes. Para ello cada

operadorde sistema independiente (ISO) se encargademonitorizar su sistemaregional de transmisin y de calcular la capacidad de transferencia disponible

(ATC).(NorthAmericanElectricReliabilityCouncil,1996)defineelATCcomouna

medidadelacapacidaddetransferenciadisponibleenlareddetransmisinfsica

paralafuturaactividadcomercialporencimaopordebajodelaqueyaexiste.De

formaprcticaelATC esunamedida de lacantidaddeenerga que sepuede

transportardesdeunnodoinicialhastaotrofinal.Estosvaloressonpublicadosen

elsistemade informacinOASISparala siguiente horaenunapginaweb,as

antes de realizar una transaccin se podr consultar si es posible realizarla y

reservarlasise dael caso.EstesistemabasadoenATCpresenta problemas ya

quelacongestinaparecerpidamente(Christieetal.,2000).

El mercado elctrico espaol se encuentra dentro del modelo basado en

transacciones. La liberalizacin del mercado elctrico ha repercutido en la

separacindeempresasdistribuidorasycomercializadoras,siendolasltimaslas

que se encargan de vender la energa a los clientes finales. Las principales

entidades que intervienen son: la Comisin Nacional de la Energa (CNE),

operadordemercado(MO)yeloperadordelsistema(SO).

LaCNEeselentereguladordelossistemasenergticos.Susobjetivosson

velarporlacompetenciaefectivaenlossistemasenergticosyporlaobjetividady

transparenciadesufuncionamiento,enbeneficiodetodoslossujetosqueoperan

en dichos sistemas y de los consumidores. A estos efectos se entiende por


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Antecedentes

53

sistemas energticos el mercado elctrico, as como los mercados de

hidrocarburostantolquidoscomogaseosos(CNE,2013).

LaCompaaOperadoradelMercadoEspaoldeElectricidad(OMEL)esel

operadordemercadoquerecibelaprediccindelageneracinenergticaydela

demandaparacadaunadelashorasdeldasiguiente,yasestableceelmercado

conformeacriterioseconmicos.

LaRed ElctricadeEspaa secorrespondecon eloperador de sistema y

determinalaviabilidadtcnicadeladistribucindelaenergagenerada.Paraello

detectayeliminalasrestriccioneselctricasdespusdequeelmercadohayasido

establecido.

Elfuncionamientodelmercadoelctricoespaolestdescritoen(Furiand

Meneu,2010),(Ciarretaaetal.,2012).Elmercadoestcompuestoporelpool,que

esdondesecruzanlasofertasdeproduccinylassolicitudesdecompradelos

agentes demercado y externospara cada una de las horasdel da. LaOMELrealiza unaprediccin denecesidades energticasen funcin deconsumosde

aos anteriores, previsiones climticas y posibles eventos. En funcin de las

necesidadesenergticas, entran enelpool cadauna de las distintas empresas

generadorasendistintosinstantesdetiempoenfuncindesunaturaleza.Deesta

forma, seprioriza lautilizacindedeterminados tiposde fuentes deenerga,al

subastarlas de forma ordenada. En primer lugar entran las fuentes de energa

nuclear y renovable. Las renovables suelen ofertar su produccin a precio

0/MWh,yalasnucleares,tambinlesconvieneponerdichoprecioenalgunas

horas, por la ineficiencia del apagado y encendido debido a la gran inercia

trmica.Laventadelaproduccinnuclearyrenovableestaseguradaaunprecio

todavadesconocido.Seguidamente,vanentrandoalpoolelrestodeproductores

deformaordenadaenfuncindelpreciodeventa,demenoramayor,hastaque

sevendatodalaenergarequeridaparacadahoradeldasiguiente,conformeala

prediccinrealizadaporlaOMEL.Seestablececomopreciomarginal,eldelltimo

productor en entrar al pool, lo que supone que toda la energa que se haba

subastadoinicialmentesecompraadichoprecio.

Una vez que sehaestablecido dichasubasta, el operadordel sistema,se

encarga de determinar la viabilidad tcnica, teniendo en cuenta restricciones

elctricas. Las principales elctricas en el mercado espaol son de dos tipos:

sobrecargaenlasramasdela redyrestriccionesdetensin.Lassobrecargasen

ramas de la red son poco comunes en el mercado espaol, en cambio las


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restriccionesdetensinsonmscomunes.Sedebenabajastensiones,porloque

lasolucinpasaporconectargeneradoresautnomosenlaszonasenlasquese

producenparaqueayudenconpotenciareactivayactivaalsistema(Miguelezet

al.,2004).Lasrestriccioneselctricassonsubsanadasmedianteelincrementooel

decremento de la electricidad de las unidades de generacin conectadas yconectandonuevasunidadesdegeneracinautnomas.Esimportanteteneren

cuentaelcosteeconmicoquesuponeconectarnuevasunidadesdegeneracin,

porloqueesunavariablemsaconsideraralahorademaximizarlaeficiencia.

Una vez que se ha asegurado la viabilidad tcnica de la subasta del da

siguiente,enocasionespuedesucederquenosecumplatalycomosepredijoel

da anterior, por lo que aparece un mercado intradiario, en el que se realizan

procesos de subasta en 6 sesiones cada 4 horas, en las que se refina el

casamientodelademandaconlaoferta.Enltimolugar,existenproductoresque

noentranenelpool,quegarantizanladisponibilidad,deformaquesiesnecesario

sepuedenutilizarparaequilibrarlademandaconlaproduccin.

El modelo actual presenta inconvenientes derivados de que todos los

productoresvendenlaenergaalmismoprecioindependientementedesuscostes

reales,favoreciendoaaquellasquetienensusinstalacionesamortizadas.

Elmodelo basado enel precio dereaest implantadoconjuntamenteen

Noruega, Suecia, Finlandia y Dinamarca. Una caracterstica relevante es que

alrededor delamitadde lacapacidaddegeneracinestbasadaencentrales

hidroelctricas (Amundsen and Bergman, 2006) y que el uso principal de la

electricidad es la calefaccin,quedependede lasvariaciones climticas. Dicho

trabajoenfatizaenqueelmodelonoesaconsejableenotrospasesdebidoa las

caractersticaspropiasdelaregin.

Loselementosclavedelmodeloparalacomercializacindelaelectricidades

elNordPool,queeselmercadoqueestableceelpreciodelsistemamediante

subastas para cada hora, y cuatro operadores de sistema asociado a la red

nacional de cada pas. La distribucin es responsabilidad de cada una de las

compaasgeneradoras.Ladistribucinlarealizancadaunodelosagentesque

participanenelmercadobasndoseenelaumentodelosbeneficiospropios.Esto

hace que sea el modelo que ms se asemeja a un mercado libre real. La

congestin se solucionamediante distintas tcnicas: tarifas, precio de reas y

adquisicin.Latcnicabasadaentarifasdeconexinsecaracteriza,enquelos

generadores y los consumidores pagan una tarifa a la red a la que estn


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Antecedentes

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conectados.Existentresnivelesdered:nacional,regionalylocal,dondecadared

pa

tesis valdivieso sarabia

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