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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/7/25/2019 Tesis Valdivieso Sarabia
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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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a Ana, mi contexto
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Hay suficiente en el mundo
para las necesidades del hombre,
pero no para su avaricia
Mahatma andhi
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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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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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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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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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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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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.
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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
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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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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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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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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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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
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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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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.
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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
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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
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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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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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Captulo1.Introduccin
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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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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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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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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
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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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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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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
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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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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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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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conectados.Existentresnivelesdered:nacional,regionalylocal,dondecadared
pa