Hardware y software avanzado en la construcción de analizadores inteligentes para consumo y calidad eléctrica e internet de las cosas
- Autores: Eduardo José Viciana Gámez
- Directores de la Tesis: Francisco Gil Montoya (dir. tes.), Raúl Baños Navarro (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Advanced Hardware and Software to Create Smart Analysers for Power Consumption and Power Quality and Internet of Things
- Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Alameda Hernández (presid.), Francisco Manzano Agugliaro (secret.), Alberto Jesús Perea Moreno (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnología de Invernaderos e Ingeniería Industrial y Ambiental por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: riUAL
- Resumen
Las medidas de calidad eléctrica y de consumo de energía permiten a proveedores y usuarios conocer la información necesaria sobre su suministro en el ámbito residencial, comercial, doméstico e industrial. Esta información es obtenida por medio de distintos elementos de medida que analizan las señales eléctricas que viajan por la red, sin embargo, el concepto de este tipo de equipos ha sufrido pocos cambios y no ha sido objeto de interés hasta que las necesidades recientes del modelo energético lo han requerido.
En la actualidad, el cambio climático, las tendencias del mercado eléctrico, la eficiencia, la promoción de las energías renovables, entre otros factores, han originado un cambio drástico en el modelo energético, pasando de ser un sistema con control centralizado a una red con multitud de actores, de generación, transporte y consumo, que deben de coordinarse de manera descentralizada. Para esta gestión es necesario una serie de medidores inteligentes que sean capaces de proporcionar más información que un medidor convencional, permitiendo además una comunicación con los puestos de control.
La estabilidad de la red depende en gran medida de la coordinación entre las diversas fuentes de generación y consumo, y ésta solo puede llevarse a cabo conociendo el estado real de la red. No obstante, existen otros factores de relevancia, como la red de distribución en sí misma, que debe de ser capaz de detectar fallos, proporcionar rutas alternativas para el suministro, establecer políticas de mantenimiento o incluso almacenar excesos de producción para su posterior uso o para compensar picos de demanda. El aumento de cargas no lineales en los últimos años ha dado lugar a que la distorsión armónica se convierta también en un nuevo reto para las redes de distribución, al aparecer transitorios, sobrecalentando transformadores o provocando subidas, bajadas o incluso interrupciones de suministro en puntos concretos de la red.
No obstante, diversos estudios resaltan las ventajas de este nuevo paradigma descentralizado, aunque señalan la necesidad de nuevos dispositivos que sean capaces de facilitar la información necesaria para una correcta gestión de la red.
Por otro lado, el aumento de complejidad en la red eléctrica, afecta de manera muy directa al consumidor final ya que, a pesar de todos los cambios citados anteriormente para la red de generación y distribución, en la mayoría de casos este solo tiene acceso valor de consumo de energía.
En determinadas instalaciones industriales, las compañías suministradoras pueden incluso penalizar al cliente por conceptos que en muchos casos no se dispone de herramientas para medir y/o corregir, como es el caso de la energía reactiva. También, la presencia en casi todos los dispositivos domésticos e industriales de componentes electrónicos de conmutación hace a estos dispositivos más sensibles a eventos, como subidas o bajadas de tensión, de las que el cliente no dispone de información y pueden originar averías o el acortamiento importante en la vida útil de los equipos. Por estos motivos, el usuario final necesita de herramientas que les faciliten el acceso a distintos parámetros de la red, incluyendo valores de calidad eléctrica, más allá del total de consumo energético que facilite la compañía suministradora.
En el mercado existen multitud de equipos de medida, enfocados tanto a su uso en una instalación real como en un laboratorio, y diseñados para realizar distintos tipos de medidas. No obstante, su elevado coste y su dificultad de uso restringe su acceso al consumidor final, que no dispone de herramientas para evaluar el suministro que recibe.
Como herramienta para este propósito se ha diseñado “openZmeter”, que bajo la supervisión del grupo de investigación TIC221 de la universidad de Almería, se ha convertido en una completa plataforma accesible para el análisis de redes eléctricas. En la actualidad está compuesta por un software, que realiza las funciones de análisis de señal, almacenamiento de datos, presentación al usuario y comunicación con otros dispositivos, y de dos dispositivos de captura diseñados hasta el momento, que son los responsables de tomar información de las ondas de tensión y corriente, para que el software pueda procesarlas y obtener todos los parámetros de utilidad.
Un punto clave de esta plataforma ha sido elaborar un dispositivo de bajo coste, con gran funcionalidad y adaptable a multitud de rangos de medida, que permita una fácil instalación y sea usable tanto para un consumidor medio como para un usuario avanzado. Cuenta con una interface WEB, que hace uso de las últimas tecnologías para mostrar la información de una manera clara e intuitiva, tanto en un dispositivo móvil como en un ordenador y todo esto en tiempo real. Por supuesto el dispositivo puede comunicarse para presentar los datos de varios equipos de medida de forma centralizada.
Al ser un dispositivo enfocado a incorporar las últimas técnicas de análisis disponibles, pensando en la investigación, ha sido desarrollado completamente usando software libre, con una interface de aplicación (API) abierta y documentada, donde toda la información es accesible y exportable.
El buen rendimiento de estos dos dispositivos de captura y la continua mejora del software de análisis ha llevado al desarrollo de un tercer modelo, con diversas funciones enfocadas a un usuario más avanzado y al plano de la investigación.
Los cambios descritos en la red eléctrica en los últimos años han sido tan profundos que no solo han afectado a productoras, redes de distribución y usuarios, desde un punto de vista meramente económico o de calidad eléctrica, si no que han hecho que las propias teorías matemáticas que se aplican tradicionalmente para la determinación de los flujos de energía y potencia deban ser revisadas. Los estándares comúnmente aceptados para el cálculo de potencias en redes de corriente alterna parten del supuesto de que las señales siguen un patrón senoidal de onda.
Aunque en la realidad esto no es cierto, normalmente se han aceptado por suponer una aproximación bastante precisa, sin embargo la proliferación de microgrids, la incorporación de fuentes renovables y el aumento de cargas con electrónica de potencia han supuesto un aumentado considerablemente de los armónicos presente en la red haciendo que las teorías clásicas no permitan un análisis correcto, hasta el punto de que el uso de estas técnicas para el diseño de filtros y optimización de flujos de energía pueda desencadenar el efecto contrario por la cantidad de información no contemplada.
Como respuesta a esta limitación, se ha desarrollado una nueva teoría de cálculo de energía en circuitos no senoidales, que con la aplicación del algebra geométrica permite obtener de forma precisa la potencia en un circuito, incorporando al cómputo la información contenida en los distintos armónicos de tensión y corriente, además aporta un significado físico al método de calculo que no esta presente en las teorías habituales.
