8 de febrero de 2017 – Con una red de fibra óptica que brinda a los residentes y empresas de Chattanooga comunicaciones de alta velocidad excepcionales, la Junta de Energía Eléctrica (EPB) de la ciudad proporciona al Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) un banco de pruebas ideal para la investigación de redes inteligentes.

Con el apoyo de la Oficina de Suministro de Electricidad y Fiabilidad Energética (OE) del DOE, en 2014 se lanzó una iniciativa para mejorar el estado de la red eléctrica en Tennessee. La intención era que los científicos del personal de Oak Ridge, trabajando en estrecha colaboración con EPB, utilizaran su experiencia para probar nuevas tecnologías, examinar el uso de microrredes, desarrollar nuevos análisis que permitan a EPB aprovechar el poder de sus datos de red inteligente para mejorar las operaciones y utilizar la informática de alto rendimiento para realizar modelos y simulaciones.

A través de su asociación, ORNL y EPB están aprendiendo cómo aplicar mejor sensores, controles, comunicaciones seguras y otras tecnologías que permiten que una red eléctrica funcione de manera más autónoma y confiable a medida que crece y se vuelve más compleja.

Este esfuerzo aprovecha los avances que EPB ha logrado en el fortalecimiento de su red mediante la implementación de tecnologías de red inteligente para hacer que su sistema de distribución sea más robusto y mejorar las operaciones, gracias en parte a los $111,5 millones en fondos de estímulo otorgados por la Oficina de Suministro de Electricidad y Fiabilidad Energética del DOE. Esa inversión ha permitido a EPB proporcionar un servicio eléctrico confiable y continuo y responder de manera más efectiva a tales eventos. EPB ha estimado que la mayor confiabilidad vale aproximadamente $50 millones al año para las empresas y los residentes del área de Chattanooga, y que la cantidad de minutos que los clientes pierden debido a cortes de energía ha disminuido en un 50 por ciento.

Por ejemplo, la implementación y la integración de recursos energéticos distribuidos, como fuentes de energía renovables como la eólica y la solar, plantea nuevos desafíos operativos y tecnológicos para las empresas de servicios públicos de todo el país en muchos frentes, incluido el de seguir brindando un servicio seguro y confiable a sus clientes.

Según el Departamento de Energía, se estima que el consumo de energía renovable procedente de fuentes distintas de la hidroeléctrica creció un 11,8 por ciento en 2016 y aumentará otro 11,1 por ciento en 2017. Las empresas de servicios públicos deben garantizar la protección de la red y la continuidad del suministro eléctrico incluso cuando no brille el sol o no sople el viento.

Ahora, a través del Consorcio de Laboratorio de Modernización de la Red (GMLC) del DOE, ORNL lidera otros ocho laboratorios nacionales para trabajar en el próximo proyecto de EPB: recopilar datos de sensores en tiempo real para que el sistema detecte inmediatamente las fluctuaciones y pueda equilibrar la carga eléctrica.

Los sensores recopilan datos ambientales y mejoran la seguridad

No solo se recopilan nuevas mediciones del funcionamiento del sistema eléctrico a partir de los sensores, sino que también se ha desarrollado e implementado una amplia gama de parámetros adicionales (desde ambientales hasta ciberseguridad de la red) en este laboratorio operativo vivo.

En una fase de prueba de concepto, ORNL ha trabajado con EPB para instalar conjuntos de sensores ciberseguros en varias ubicaciones en el territorio de servicio de 600 millas cuadradas de la empresa municipal, principalmente en subestaciones. Los dispositivos proporcionan datos en tiempo real sobre todo, desde la irradiación solar, la temperatura, la humedad y el viento hasta la presencia de sustancias químicas como el metano y el hidrógeno. También controlan entradas como vibraciones, frecuencias de radio y descargas coronales, y capturan imágenes térmicas de cámaras infrarrojas enfocadas en transformadores de subestaciones. Al tiempo que controlan las condiciones ambientales, los sensores también proporcionan conocimiento de la situación física y de ciberseguridad a través de la medición y el control de parámetros que incluyen señales de teléfonos celulares, presencia de drones, intentos de ciberintrusión en la red de sensores, así como detección de intrusiones físicas.

La información adicional sobre el entorno operativo de la red se puede introducir en el sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) de EPB. Los sistemas SCADA de las empresas de servicios públicos proporcionan la información necesaria para controlar la red de una empresa de servicios públicos, ya que capturan y analizan datos como la corriente y el voltaje de la línea y utilizan esa información para mantener el flujo de electricidad. La red de fibra hace que la comunicación de esos datos a la sala de control de EPB sea casi instantánea.

La detección, clave para la integración de las energías renovables

“Los sensores instalados hasta ahora captan principalmente las condiciones ambientales asociadas con la distribución de electricidad”, dijo el investigador Peter Fuhr de la Dirección de Energía y Ciencias Ambientales del ORNL. “No medimos voltios y vars ni campos electromagnéticos, aunque podríamos hacerlo. Nos interesa saber cómo es el entorno ambiental en la actualidad”.

"Las pruebas que estamos haciendo ahora con estos sensores nos ayudarán a determinar cuáles tienen más sentido implementar a mayor escala", dijo Jim Glass, gerente de desarrollo de redes inteligentes de EPB.

Los sensores forman un perímetro alrededor del área de servicio de EPB y “nos ayudan a tener una idea de lo que va a pasar no sólo con nuestra propia generación, sino con la de los demás”, dijo Glass. Por ejemplo, unos 16 megavatios de generación solar ya están conectados al sistema de EPB, y 11,6 megavatios de esa cantidad pertenecen a dos grandes clientes: una planta automotriz y el aeropuerto de la ciudad. Otros 4,4 megavatios provienen de instalaciones más pequeñas en tejados principalmente residenciales y comerciales.

"Si recibimos solo entre 15 y 30 minutos de advertencia sobre la cobertura de nubes que se acerca con los sensores, eso nos dará una mejor idea de qué esperar de la generación solar durante la próxima hora aproximadamente", dijo Glass.

Con ese conocimiento previo, la empresa de servicios públicos puede determinar cuál es la mejor manera de inyectar esos megavatios adicionales en su sistema cuando hay sol o, si hay nubes, cómo manejará los megavatios que necesitarán los clientes si los paneles solares no producen, explicó Fuhr.

La red de fibra de EPB “es una gran ventaja para la forma en que operamos nuestro sistema y brinda a científicos como los de Oak Ridge la oportunidad de probar sus tecnologías”, dijo Glass. “No hay interferencias de radio de las que preocuparse. Se obtiene alta velocidad y confiabilidad”.

Velocidad de red, confiabilidad, intercambio de datos avanzados, controles

Estos atributos son particularmente importantes ya que el funcionamiento de las redes inteligentes depende cada vez más de la Internet de las cosas (IoT), señaló Fuhr. En este caso, la IoT se refiere a la conectividad de la red y a la incorporación de sensores, actuadores, software, dispositivos electrónicos y otros dispositivos para recopilar e intercambiar datos de manera más eficiente que permitan controlar los flujos de electricidad.

Un motivo de especial preocupación para las empresas de servicios públicos es el potencial de ciberintrusiones que presentan los dispositivos inteligentes conectados a la web. Los recientes ataques de denegación de servicio presentados a la Internet en general por dispositivos de IoT como cámaras web, botnets e incluso tostadoras inteligentes ejemplifican la necesidad de un cambio de paradigma de las políticas de ciberseguridad actuales a un diseño de ciberseguridad de integración de redes y comunicaciones de red fundamentalmente diferente, dijo Fuhr. Con el objetivo de "sacar la red eléctrica de Internet", los investigadores de ORNL que trabajan codo a codo con los ingenieros de redes y redes de EPB están logrando este objetivo con un proyecto en marcha que demuestra los objetivos de diseño en la infraestructura de servicios eléctricos, de comunicaciones y de datos de una empresa de servicios públicos en funcionamiento.

Mientras tanto, continúa el trabajo de integración de energías renovables. EPB instalará más capacidad solar (1,35 megavatios) el próximo verano en un proyecto piloto en su centro de operaciones, en el marco de un proyecto con la Autoridad del Valle de Tennessee. La empresa de servicios públicos también instalará pronto un sistema de almacenamiento de energía con baterías de flujo de vanadio de 100 kilovatios/400 kilovatios hora. El sistema de baterías permitirá a la empresa de servicios públicos almacenar electricidad y ayudar a equilibrar sus cargas.

“Una de las cosas que más hemos valorado al trabajar con la gente de Oak Ridge es comprender las implicaciones no solo de la energía solar, sino de toda la generación distribuida en nuestro sistema: qué tipo de cosas debemos esperar a medida que crezca y cómo abordarlas”, dijo Glass. “No tenemos ni de lejos la penetración de las energías renovables como en California o Hawái, por lo que no tenemos la experiencia propia. Por eso es maravilloso tener a los investigadores en Oak Ridge para intercambiar ideas, preguntarles cómo funcionará esto y qué han visto. Esto será extremadamente valioso, en mi opinión, para prepararnos para el futuro”.

De hecho, una de las primeras tareas que ORNL emprendió para la empresa de servicios públicos fue un estudio de caso para evaluar el beneficio económico de las tecnologías de automatización que han dado como resultado cortes de energía más breves y menos frecuentes. El estudio se concentró en el desempeño de la red después de una gran tormenta y descubrió un beneficio de poco más de 23 millones de dólares para los clientes de EPB, dijo Glass.

Sensores móviles diseñados para facilitar las inspecciones y la confiabilidad

Además de los conjuntos de sensores fijos, EPB y ORNL están estudiando cómo los sensores instalados en drones pueden ayudar a mejorar la confiabilidad del sistema. Por ejemplo, los sensores móviles pueden medir campos electromagnéticos y coronales; detectar otros drones; detectar sustancias químicas y humo; e inspeccionar líneas de transmisión, estructuras y otros equipos de manera más fácil y segura que los sensores y métodos de inspección estándar.

“Consideramos que los drones son más que simples cámaras. Los consideramos como mecanismos de entrega para una amplia variedad de sensores”, dijo Fuhr. En ORNL, la investigación sobre aplicaciones de drones para una amplia variedad de trabajos, incluida la inspección y evaluación de redes, se realiza en su Centro de Investigación de Sistemas Aéreos No Tripulados (UAS), donde Fuhr también se desempeña como director de tecnología.

En EPB, las mediciones de los sensores tomadas durante un vuelo con un dron podrían comunicarse sin problemas al sistema SCADA de la empresa de servicios públicos, proporcionando a las operaciones de la red datos en tiempo real e imágenes visuales y térmicas, lo que les permite ver literalmente lo que el dron ve a kilómetros de distancia.

Fuhr destacó que es necesario mejorar fundamentalmente la ciberseguridad de los sistemas de la red eléctrica. “Es difícil exagerar el papel importante que desempeña la ciberseguridad en el vínculo de comunicaciones entre los sistemas de sensores desplegados (ya sean fijos en una subestación o móviles en un vehículo o un dron) y la seguridad básica de los sistemas integrados. Las interrupciones eléctricas debidas a ciberataques, como la sufrida en Ucrania en 2015, son un recordatorio constante de la necesidad de una infraestructura cibersegura general y sólida para nuestra empresa de servicios asociada, EPB, así como para las miles de otras empresas de servicios públicos de todo el país que pueden beneficiarse de los sensores y sistemas que se están demostrando en Chattanooga”, afirmó Fuhr.

EPB está creando procedimientos, planes y capacitación antes de probar drones a mayor escala. “Por ejemplo, siempre se debe notificar adecuadamente a los clientes cercanos. Tenemos que asegurarnos de que se respeten los límites de elevación y de que tengamos un plan establecido para todos los eventos”, dijo Glass. “La tecnología y la actividad física son las partes fáciles”.

Además, el papel que desempeñan los sensores en el sistema de EPB puede ampliar la gestión de la red eléctrica externa. Por ejemplo, los sensores de irradiancia podrían proporcionar datos para otros trabajos y clientes en áreas como la iluminación exterior y la seguridad, señaló Lilian Bruce, directora de planificación estratégica de EPB . Además, los sensores de humedad y temperatura serán cada vez más importantes en los hogares y las empresas a medida que las envolventes de los edificios se sellan más herméticamente, agregó.

Bruce afirmó que el trabajo en materia de detección y redes inteligentes desempeña un papel fundamental en EPB. “Me recuerda a la instalación de nuestro sistema de fibra óptica. Una vez que estuvo en funcionamiento, pudimos aprovechar muchos servicios a su alrededor. Todas las tecnologías con las que trabajamos parecen estar alineadas”, añadió. “Están fortaleciendo la propuesta de valor de cada una”.

'100 doctorados'

"He disfrutado trabajando con mucha gente muy inteligente", dijo Glass sobre la colaboración con ORNL. Describió su reciente asistencia a una conferencia nacional en la que el vicepresidente de programas de redes inteligentes de una importante empresa de servicios públicos describió cómo "había aumentado su personal en los últimos años, incluida la contratación de 3 doctores para trabajar en su sistema de aproximadamente 4 millones de clientes". Glass dijo que se presentó diciendo que tenía "175.000 clientes y 100 doctores" trabajando en sus problemas de redes inteligentes a través de su conexión con ORNL.

En el futuro, EPB seguirá sirviendo como banco de pruebas para el trabajo de redes inteligentes con ORNL y otros laboratorios nacionales como parte del GMLC. Para la empresa de servicios públicos, el objetivo general es crear un sistema que utilice detección inteligente, medición avanzada, interruptores inteligentes, software para clientes y otras soluciones que puedan identificar y aislar problemas y redirigir automáticamente la energía para reducir o evitar cortes de energía.

El Consorcio de Laboratorios de Modernización de la Red Eléctrica (GMLC, por sus siglas en inglés) es una asociación estratégica entre el Departamento de Energía y los laboratorios nacionales para reunir a expertos líderes, tecnologías y recursos para colaborar en el objetivo de modernizar la red eléctrica del país en el marco de la Iniciativa de Modernización de la Red Eléctrica (GMI, por sus siglas en inglés). La GMI es un esfuerzo integral para ayudar a dar forma al futuro de la red eléctrica de nuestro país y resolver los desafíos de integrar fuentes convencionales y renovables con el almacenamiento de energía y los edificios inteligentes, al tiempo que se garantiza que la red sea resistente y segura para soportar los crecientes desafíos de ciberseguridad y climáticos.

La Oficina de Suministro de Electricidad y Fiabilidad Energética del Departamento de Energía (DOE, por sus siglas en inglés) lidera los esfuerzos del DOE para garantizar un sistema eléctrico resistente, confiable y flexible. La OE logra esta misión a través de la investigación, las asociaciones, la facilitación, el modelado y el análisis, y la preparación para emergencias.