OPF per a xarxes intel·ligents: del concepte a la realitat

Gràcies als recents  avenços en la potència de la computació informàtica i de les  formulacions, el temps de solució dels grans i complexos problemes dels Optimal Power Flow (OPF) han millorat significativament. Això crea moltes oportunitats en el context de les futures xarxes de distribució elèctriques on l'OPF es pot utilitzar per instrumentalitzar recursos energètics distribuïts (per exemple, parcs eòlics, sistemes fotovoltaics solars, bateries) i qualsevol actiu de la xarxa. En particular, l'aplicació en temps real (és a dir, la pressa de decisions necessàries en qüestió de segons o minuts) dels esquemes de control Smart Grid basats en un OPF, s'està convertint en un concepte més plausible que aviat podria implementar-se en els centres de control de les xarxes de distribució.

La necessitat de la instrumentalització

La ràpida adopció de recursos energètics distribuïts (DER) durant l'última dècada ha alterat significativament les característiques de les xarxes de distribució elèctrica, introduint fluxos de potència bidireccionals i un major grau d'incertesa, fent que la planificació i l'operació siguin més difícils. L'enfocament tradicional,  ja no serà més rendible ni adequat per satisfer les necessitats de les futures xarxes de distribució. D'altra banda, instrumentalitzar el funcionament d'aquests DER (així com els actius de la xarxa) a través d'esquemes de control avançats serà clau per facilitar la seva adopció sense patir impactes negatius a la xarxa, ja que, aquest enfocament actiu també obre les portes als operadors de xarxes de distribució per explorar altres oportunitats i així, assolir millors objectius de rendiment per millorar la coordinació amb el sistema de transport, etc.

OPF per a xarxes intel·ligents: el concepte

El disseny dels esquemes de control (per a xarxes de distribució intel·ligents) presenta  una varietat d'opcions, que van des de simples regles d'operació fins a optimitzacions avançades, totalment centralitzades, totalment descentralitzades i basades en models  lliures. Entre aquests enfocaments, els que es bassa un OPF, han demostrat un gran potencial, a causa dels avantatges clau: capturen inherentment els fluxos de potència i les restriccions de la xarxa i permeten que les decisions de control s'incloguin com a variables d'optimització.

En un OPF clàssic, donat un problema d'optimització no reconegut, cal programar treballs i descàrrecs. No obstant això, el seu ús en temps real, és crucial per afrontar els impactes deguts a la variabilitat de la DER,  limitat principalment a causa de la dificultat de resoldre-ho amb prou rapidesa. A més, en el context de les xarxes de distribució, aquest problema es veu agreujat per la complexitat afegida de la mida (molts més nodes), els desequilibris (cada fase ha de ser modelada), i els dispositius de control discrets com els trafos amb canviadors de toma i els bancs de condensadors.

Afortunadament, en els últims anys, s'ha invertit un considerable esforç  per millorar el temps de solució dels problemes de l'OPF. Això inclou altres formulacions  que són computacionalment més fàcils de resoldre (per exemple, les equacions DistFlow, que és una formulació equivalent de les equacions de flux de potència de CA per a xarxes radials, són més fàcils i també més robustes amb una aproximació lineal més simple), tècniques en línia que exploten els comentaris de la xarxa , i els algorismes distribuïts que descomponen una gran problemàtica d'optimització en parts més gestionables. Particularment, els recents treballs en controladors centralitzats que utilitzen les equacions DistFlow i les aproximacions lineals, han mostrat prometedors resultats  per a les xarxes de distribució desequilibrada amb diversos milers de nodes i dispositius de control discrets. De fet, el repte de trobar ràpidament una solució viable ja s'ha superant de forma gradual.

Prova de concepte amb el maquinari

A més de desenvolupar esquemes adequats de control i demostrar la seva viabilitat tècnica, és un altre ingredient clau que ajudarà a fer realitat els conceptes de la Smart Grid. Això implicaria anar més enllà de les simulacions off-line, basades en un ordinador de sèries temporals i avançant cap a simulacions en temps real. Les simulacions Hardware-In-the-Loop (HIL), ja són utilitzades àmpliament per moltes indústries, ja que permeten demostrar conceptes en un entorn extremadament realista.

Tot i que el disseny d'una configuració HIL pot variar, l'ús de simuladors en temps real (RTS) sovint es considera com l'estat de la tècnica en el context de les Smart Grids. L'RTS té dos avantatges clau: 1.- Actua com a representant d'una xarxa de distribució real
2.- Ofereix interfícies d'ús habitual,

Això, permet als controladors externs interactuar amb la xarxa simulada en temps real (com recopilar mesures i proporcionar punts de control). Aquesta configuració podria incloure la potencia en el maquinari a través de dispositius d'interfície especials. En canvi, aquestes funcions són generalment difícils d'aconseguir utilitzant simulacions basades en PC.

Aprofitant les capacitats de la Universitat de Melbourne, Austràlia (incloent dos RTS i un laboratori  de la sala de control), s'ha construït una plataforma HIL per demostrar esquemes de control avançats per a xarxes de distribució intel·ligents. A l'interior de la sala de control, un controlador de xarxa s'implementa en una computadora  usant programari disponible comercialment, amb un sistema SCADA i un esquema de control basat en un OPF; una connexió física Ethernet s'utilitza per representar la infraestructura de comunicació entre la xarxa simulada (dins de la RTS) i la sala de control; i, finalment es construeix una interfície d'usuari interactiva per proporcionar comentaris visuals i interaccions manuals amb la simulació HIL. Les proves realitzades fins ara que utilitzen aquesta plataforma, han demostrat que és realment possible orquestrar DER i actius de xarxa utilitzant AC OPF en temps real, proporcionant una base sòlida per ampliar la R + D en aquesta àrea. 

Que segueix?

Tot i rebre una atenció considerable en la comunitat d'R + D, l'adopció de sistemes de control en temps real per part de la indústria encara és limitada. No obstant això, a mesura que aquests conceptes maduren, els investigadors se'ls anima a realitzar demostracions similars utilitzant la simulació HIL. En definitiva, aquestes demostracions ajudaran a augmentar la confiança de la indústria en l'adopció d'aquests conceptes; i d'aquesta manera fer realitat l'ús real de l'OPF per a les Smart Grids.

Font: IEEE Smart Grids