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MONITORIZACIÓN DE PARÁMETROS DINÁMICOS DE LÍNEAS ELÉCTRICAS
Iratxe Muga
ARTECHE Smart Grid
Iñaki Garabieta
ARTECHE Centro de Tecnología
RESUMEN
El incremento continuado de la demanda de consumo eléctrico, el cambio de la estacionalidad de la
misma con picos en épocas estivales, así como la dificultad de repotenciar o crear nuevas líneas por
diversos motivos (económicos, medioambientales y de controversia social), ha llevado a muchas líneas de
transmisión y distribución al límite teórico de su capacidad y con ello a las empresas del sector a
plantearse nuevas iniciativas que den solución a esta situación.
Este problema se da, además, en un entorno en el que los límites de explotación de las líneas
eléctricas se definen con criterios estáticos, y sin ninguna monitorización de su capacidad de transporte de
energía. Tampoco se suelen tener en cuenta las variables atmosféricas, que en ocasiones pueden influir en
la capacidad remanente de las líneas.
El trabajo descrito en este artículo tiene como objetivo presentar una solución para monitorizar el
estado de las líneas eléctricas y calcular la ampacidad de las mismas en tiempo real, teniendo en cuenta no
sólo las características del conductor y su carga, sino también los factores ambientales que también
afectan a su capacidad.
1. ESCENARIO ACTUAL
Al igual que sucede en otros muchos casos en el sector eléctrico, la situación actual es una
consecuencia de diseños y actuaciones realizadas en el pasado. Ha de tenerse en cuenta que la mayor
parte de las líneas de alto voltaje fueron concebidas hace años, y que actualmente no pueden abastecer las
necesidades que se les solicitan, por dos motivos principales:
-
Aumento progresivo de la demanda de energía eléctrica, que han desbordado las previsiones de
de hace 20 ó 30 años y llevado a una saturación progresiva de las infraestructuras.
-
Incremento de la demanda de energía eléctrica en épocas de altas temperaturas debido a los
consumos crecientes de equipos de aire acondicionado. En el mercado europeo este problema
es de reciente aparición, provocando que los criterios de diseño de líneas aéreas del pasado, en
los que la máxima carga de la línea coincidía con momentos de bajas temperaturas, provoquen
hoy situaciones críticas de funcionamiento al coincidir cargas elevadas con una alta
temperatura ambiente.
La práctica habitual actual es la de definir límites estáticos establecidos para la carga máxima de las
líneas, pudiendo darse el caso de existir dos umbrales dependiendo de la estacionalidad del consumo, y
algún criterio favorecedor en caso de darse fenómenos atmosféricos extraordinarios. De esa forma se
espera no superar la temperatura y la flecha límites del conductor establecidas para cada línea.
El conocimiento en tiempo real de factores como la temperatura o la flecha de los cables en los
vanos más comprometidos, e incluso la posible predicción a corto plazo (pocas horas), permitiría mejorar
la gestión de la red en el contexto actual, ya que dependiendo de sus valores se podría incrementar o
disminuir la carga de cada línea según fuera necesario y optimizar los flujos de energía evitando
saturaciones, desequilibrios e incluso apagones. Esta alternativa resulta mucho más favorable, desde el
punto de vista medioambiental y de costes, que el tendido de nuevas líneas de alto y muy alto voltaje que
podrían asegurar las necesidades del sistema global.
Aunque el interés por desarrollar soluciones en este ámbito no es nuevo, las restricciones impuestas
por el entorno de aplicación (líneas de alto y muy alto voltaje, bien a la intemperie o subterráneas,
requiriendo puntos de captación autoalimentados y telecomunicados), el desarrollo limitado de las
tecnologías requeridas y el coste de aquéllas disponibles, han frenado el avance de soluciones de
monitorización en áreas extensas cuyo interés es reconocido por las compañías eléctricas. En este
momento, el avance de las tecnologías electrónicas y de telecomunicación permite desplegar herramientas
avanzadas de monitorización y control que aportarán frutos importantes a medio plazo.
Partiendo de esta situación, ARTECHE ha desarrollado una solución capaz de monitorizar el
comportamiento en explotación de los conductores, realizar cálculos predictivos y estimar escenarios
teóricos teniendo en cuenta toda la información relevante.
Además de servir de soporte a la operación de las redes, esta herramienta puede ayudar en la
planificación de tareas de mantenimiento y de nuevos proyectos o inversiones en infraestructuras,
permitiendo conocer el grado de explotación de los activos existentes y estimando los límites de
explotación de los mismos. En definitiva, una solución avanzada que aporta información de gran valor
para mejorar la toma de decisiones.
2. AMPACIDAD Y SU ANÁLISIS
Se define la ampacidad de una línea como su capacidad máxima para transportar corriente eléctrica
sin superar los límites de seguridad definidos. La ampacidad viene determinada por dos parámetros de las
líneas eléctricas, como son la temperatura límite a la que pueden trabajar los conductores, y la flecha que
pueden alcanzar ciertos vanos críticos. La flecha es una variable asociada a la temperatura del conductor
en el vano a analizar.
El operador de la red dispondría de criterios mejor definidos para realizar su trabajo si dispusiera en
cada momento de una monitorización del estado de la línea y del cálculo en tiempo real del valor límite
de carga admisible. El análisis y la monitorización de la ampacidad de las líneas eléctricas es, por tanto,
una tarea que se considera importante para la operación eficaz del sistema eléctrico.
En la actualidad la capacidad de las líneas está limitada por valores estáticos o definidos de forma
estacional, pudiendo darse un límite de carga para verano y otro para invierno para una determinada línea,
sin tener en cuenta ningún otro parámetro o condición. Esto hace que los criterios con los que cuenta el
operador para realizar su trabajo sean poco flexibles y en muchos casos alejados de la realidad, resultando
además imposible conocer lo cerca o lejos que se está de los límites reales de carga soportables por las
líneas.
3. ARQUITECTURA FUNCIONAL DE LA SOLUCIÓN
La figura 1 presenta de forma esquemática la solución planteada.
SMT
Cable
Alimentación
Alimentaci
ón
Medida de temperatura
Sensor
Medida de intensidad
corriente
Otras medidas
Parámetros
Ambientales
Sistema
de
comunicaci ón
comunicación
Estaci ón
Estación
ógica
meteorológica
meteorol
Poste
Subestación,
Subestaci
centro de control, …
Servicio externo
meteorol ógico
meteorológico
SensART: de
Software
Software
monitorizaci
de monitorización,
n, cálculo
ó
Cálculo
y gesti
y gestión
de datos
Figura 1: Estructura de la solución
En primer lugar se necesitan una serie de sensores de campo que midan las variables siguientes:





Temperatura del conductor
Intensidad de la línea
Temperatura ambiente
Velocidad y dirección de viento
Radiación solar
Las dos primeras medidas (temperatura de conductor e intensidad) las aporta un sensor instalado en
el propio conductor. El resto de variables deben ser medidas bien por una estación meteorológica cercana
al punto a monitorizar, o bien por un servicio meteorológico externo. Además se precisa de un sistema
que reciba esta información de forma remota, monitorice las variables y las procese basándose en
algoritmos que calculen en tiempo real la ampacidad de la línea y otras variables relevantes.
3.1. Sistema de Medida de Temperatura (SMT)
Es el conjunto sensor encargado de medir la temperatura del conductor y la corriente de la línea. El
equipo se instala en la línea de alto voltaje, autoalimentado por medio de la corriente que circula por la
propia línea, y dispone de comunicación GPRS para poder transmitir las medidas realizadas al sistema de
monitorización.
3.2. Estación meteorológica
Puede tratarse de una estación dedicada instalada en uno de los apoyos del vano a analizar, de
manera que la precisión de los valores de viento, temperatura ambiente y radiación solar sean lo mas
precisas posible. Esta estación requiere un sistema de alimentación auxiliar que generalmente consiste en
una placa solar y una batería. Además incluye un data logger y un módem GPRS para poder transmitir los
datos al sistema de monitorización.
Como se ha mencionado más arriba, también es posible utilizar la información de una estación
meteorológica cercana o un servicio externo que pueda aportar los datos necesarios. Esta opción reduce la
complejidad del sistema pero irá en perjuicio de la precisión del conjunto, al no disponer de medidas tan
exactas. El compromiso entre precisión y coste vendrá determinado por las características de la aplicación
y restricciones del usuario.
3.3. Aplicación SenSART
Se trata de una herramienta software de ARTECHE. Los logaritmos de cálculo se desarrollaron en
un proyecto de innovación llevado a cabo entre ARTECHE, ENDESA y CIRCE, lo que aportó una
aproximación muy rica en conocimiento específico y en armonía con la problemática real.
Utilizando esta base de alto valor, ARTECHE ha desarrollado SensART, una potente herramienta
software para Centros de Control que cuenta tanto con interfaz de aplicación como con interfaz web.
Cumple dos funciones:
•
Monitorización de los valores medidos en campo para poder conocer en tiempo real la situación
de cada línea aérea en lo referente a sus condiciones de seguridad.
•
Cálculo de la ampacidad y otras variables para poder hacer predicciones o extrapolaciones del
comportamiento de los conductores en condiciones diferentes a las actuales.
En la figura 2 se muestra un ejemplo de pantalla de monitorización para una línea real de alta
tensión desde la aplicación en un Centro de Control.
Figura 2: Pantalla de monitorización de SensART desde la interface de la aplicación
En la figura 3 se muestra un ejemplo de pantalla de monitorización para una línea real de alta
tensión desde la interface Web.
Figura 3: Pantalla de monitorización de SensART desde la interface basada en Web.
3.3.1. Estimación de variables
No es objeto de este documento el profundizar en la resolución de las ecuaciones implicadas para
poder llevar a cabo las tareas anteriores, pero realizaremos una explicación básica de los fundamentos
utilizados en la aplicación que nos ocupa.
La temperatura de un conductor está ligada a la corriente que circula por él, y también se ve
afectada por otras variables como pueden ser la temperatura ambiente, la intensidad y dirección de viento,
la radiación solar, la humedad relativa, y el efecto de la lluvia o la nieve.
Se han realizado múltiples análisis de cálculo de ampacidad como los publicados por el WG22.12
de CIGRÉ ([1],[2],[3]), y en grupos de trabajo de IEEE [4] ó IEC, todos ellos encaminados a resolver la
ecuación térmica que gobierna la variación de temperatura del cable en cada momento. En todos ellos se
identifican cuatro factores principales a considerar para analizar la física del problema:
•
Aporte de calor por efecto Joule (Qj): Calor generado por la corriente que circula por la línea.
•
Aporte de calor por radiación solar (Qs): Energía aportada por el sol al conductor.
•
Refrigeración por convección (Qc): Ya sea natural si no existe viento, o forzada en caso de
viento.
•
Refrigeración por radiación (Qr): Debida básicamente a la diferencia de temperaturas entre el
conductor y su entorno.
La ecuación térmica queda definida de la siguiente manera:
Qj  Qs - Qc - Qr  T  M  Ce ,
donde M representa la masa del conductor, Ce su calor específico y ∆T el incremento de temperatura en
el cable.
Ha de tenerse en cuenta, además, que este cálculo es dinámico, es decir, que existen inercias
térmicas que complican la resolución de la ecuación en tiempo real y requieren la recolección y el
preprocesado de información de campo como datos de entrada. La ecuación en el caso dinámico pasa a
ser:
Qj  Qs - Qc - Qr  dT/dt  M  Ce
Tomando como base esta ecuación, y aportando las variables medidas, el objetivo seria calcular
una de las dos variables temperatura o intensidad (cuyo efecto está incluido en Qj ), prefijando la otra.
Aunque el carácter aproximado del modelo, la simplificación de algunos parámetros, la
variabilidad y el procesado de las medidas de campo constituyen fuentes de errores desde el punto de
vista de la exactitud de los resultados, éstos son siempre mejores que los obtenidos a partir de los métodos
estáticos utilizados actualmente, y resultan muy valiosos para la operación del sistema.
La aplicación desarrollada aporta una visión realista tanto del estado de la línea como de posibles
extrapolaciones o predicciones de variables relevantes, incorporando para ello en los cálculos una medida
global del error.
4. PRUEBAS EN CAMPO
Actualmente la solución se encuentra en explotación en 10 compañías eléctricas, aportando un
importante valor añadido a la operación de la red.
La solución incluye sensores de medida de corriente y temperatura ARTECHE, denominado SMT,
y una aplicación software, denominada SensART, basada en un método original para el cálculo y la
estimación de variables objetivo. Se han depurado los parámetros del sistema con las medidas de campo
obtenidas hasta alcanzar una solución óptima y fiable para su puesta en explotación. A continuación se
presenta brevemente el camino recorrido.
La figura 4 representa la corriente que el algoritmo calcula que está circulando por el conductor (en
azul) partiendo de la temperatura medida por el SMT, frente a la corriente medida en el propio conductor
(rojo).
Figura 4. Comparación preliminar de las corrientes calculada y medida
En la figura 5 se observan los resultados obtenidos al calcular la temperatura (en rojo) partiendo de
la intensidad medida, y se compara con la temperatura medida por el SMT (línea azul). Los errores
puntuales observados en ambos casos se han reducido a medida que hemos contado con un mayor número
de datos de campo, obteniendo un profundo conocimiento del comportamiento de los conductores y de
los procesos de calentamiento y refrigeración de los mismos.
La monitorización de las líneas, que es una de las funciones de la solución, constituye en sí misma
una función de gran valor en la operación del sistema. La estimación de la ampacidad de la línea a
alcanzado gran precisión con la depuración del algoritmo de cálculo.
Figura 5. Comparación preliminar de la temperatura calculada y la medida durante una semana
La figura 6 muestra el objetivo de la predicción o cálculo de ampacidad. El sistema permite
calcular restricciones de carga de la línea ante una limitación de temperatura de la misma, obteniéndose
resultados que pueden diferir considerablemente frente a los límites estáticos de carga actualmente
considerados.
En este caso se trata de una línea cuyo límite está establecido en un nivel estático de 486A,
mientras que calculando la ampacidad en tiempo real se observa cómo hay ocasiones en que el límite de
carga de la línea es muy superior a ese valor, pudiendo alcanzar los 550A, mientras que otras veces el
umbral a 485A pone en compromiso la seguridad de la línea.
Figura 6. Comparativa de la capacidad máxima de una línea en tiempo real con la capacidad máxima
estática predefinida
5. CONCLUSIONES
En la actualidad los umbrales estáticos de carga admisible en muchas líneas de transporte y
distribución están llegando a su límite. Además, se observa que los modelos de demanda están
evolucionando, tanto por la tendencia creciente de ésta como por su estacionalidad cambiante frente a la
de tiempos anteriores. En este contexto se considera de gran valor toda herramienta que pueda ayudar a
los responsables de operación a visualizar lo que ocurre en las líneas y a predecir cuál sería la situación de
las mismas en otras condiciones.
Estas herramientas también pueden ser de gran utilidad en tareas de mantenimiento, análisis de
situaciones críticas, análisis de los activos y planificación de cambios o nuevas inversiones en las redes
existentes.
En las páginas anteriores se ha mostrado un ejemplo de las soluciones de este tipo que se han
puesto en marcha. Los usuarios aprecian inmediatamente el valor de los sistemas instalados. La capacidad
de monitorización de las líneas, en concreto, supone una mejora apreciable desde el momento de la
instalación inicial, y la predicción de su comportamiento futuro, aunque se aplique con ciertos márgenes
de seguridad, constituye una novedad valiosa frente a las herramientas actualmente utilizadas para estas
tareas.
En las pruebas realizadas sobre instalaciones de campo existentes se ha podido estimar un aumento
de la ampacidad de las líneas de entre un 5% y un 20% en casos críticos frente a los criterios estáticos
establecidos. Estos resultados representan un gran beneficio para los explotadores de las infraestructuras
monitorizadas en el corto plazo, al tiempo que enriquecen con información clave la planificación y la
toma de decisiones en el medio y largo plazo.
6. REFERENCIAS.
[1] CIGRÉ WG12, “Description of state of the art methods to determine thermal rating of lines in realtime and their application in optimising power flow”.
[2] Working Group SC 22-12 CIGRÉ, “The thermal behaviour of overhead conductors Section 1 and
2 Mathematical model for evaluation of conductor temperature in the steady state and the
application thereof” (Electra n.144, October 1992, pages 107-125).
[3] B. Cauzillo, L. Paris y G. Pirovano: “Ampacity assessment of overhead line conductors as a
compromise between safety and deregulated market requirements” (CIGRÉ Report, Session 2002).
[4] IEEE Std. 738-2006, “IEEE Standard for Calculating the Current-Temperature of Bare Over-head
Conductors”.