Technical and economic assessment of information and communication technologies for smart grids

Abstract

El concepto de smart grid representa un cambio de paradigma hacia una modernización de las redes eléctricas para obtener un sistema eléctrico sostenible. El primer paso para aprovechar las ventajas de las smart grids es el diseño y despliegue de una infraestructura de comunicación robusta, segura y económicamente eficiente. Sin embargo, a día de hoy no existe una infraestructura estandarizada que haya sido ampliamente aceptada y utilizada para transformar la red eléctrica actual en una smart grid. En esta tesis, el rendimiento y el impacto de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (ICT) en las aplicaciones de smart grids existentes se analizan desde una nueva perspectiva técnica y económica para facilitar la toma de decisiones en su implementación.

De todas las tecnologías de comunicación empleadas en las smart grids, la comunicación por líneas eléctricas (PLC) se considera la solución más eficiente en costes, ya que permite reutilizar la infraestructura eléctrica como medio de comunicación. El PLC se utiliza especialmente para el despliegue de infraestructuras de medición avanzadas (AMI), pero el rendimiento de esta tecnología está muy afectado por las condiciones locales de la red. Entre los diferentes protocolos de PLC utilizados para AMI, PRIME proporciona el mejor rendimiento bajo condiciones favorables. Por esta razón, en esta tesis se ha desarrollado una metodología para analizar el rendimiento de las redes PLC PRIME, que se basa en un marco de simulación que tiene en cuenta las características del canal físico y el comportamiento de la red.

Los dos Indicadores Clave de Rendimiento (KPIs) utilizados para el análisis anterior son el número de nodos registrados y el tiempo de lectura de todos los contadores, que han demostrado la fuerte influencia del proceso de registro y de la densidad de usuarios en el rendimiento de las comunicaciones. La metodología desarrollada ha sido aplicada con éxito en una gran variedad de redes de distribución con topologías en árbol de diferentes tamaños. Para ello, se ha propuesto un algoritmo basado en teoría de líneas de transmisión para calcular la función de transferencia del PLC entre cualquier par de nodos. Adicionalmente, se han utilizado Modelos de Red de Referencia (RNMs) para crear redes representativas que pueden ser posteriormente analizadas con la metodología propuesta, evitando el uso de datos confidenciales de los operadores de red (DSOs). La combinación del marco de simulación y los RNMs ha dado como resultado una forma muy efectiva de analizar el rendimiento de las comunicaciones de las redes de PLC a nivel regional.

Otro reto para el despliegue de las smart grids es identificar el valor añadido que aportan unos mejores sistemas de información y comunicación en la red. Por tanto, se ha presentado una nueva metodología para analizar el impacto de estos sistemas en una aplicación de control centralizado de tensiones basada en los intercambiadores de tomas en carga (OLTC) de los transformadores y los inversores de los paneles fotovoltaicos. Dado que este tipo de aplicación de control de tensión tiene como objetivo enviar consignas de control desde la unidad central a los inversores y el OLTC para optimizar el funcionamiento del sistema, la metodología presentada se centra en el impacto de la precisión de las predicciones utilizadas para calcular las consignas de control, y el intervalo de tiempo utilizado para actualizar dichas consignas en los inversores fotovoltaicos. En este caso se han elegido KPIs económicos el coste de los desvíos de tensión, el coste de los cortes de energía renovable y el coste de las pérdidas en la red.

Todas las conclusiones obtenidas en esta tesis ofrecen una mejora significativa para el análisis del rendimiento de las smart grids, y animan al uso de las metodologías desarrolladas así como a su extensión a otras tecnologías de comunicación y aplicaciones.

The smart grid concept represents a change of paradigm that implies the modernization of current electricity networks to obtain a sustainable power system. The first step to achieve the potential advantages of the smart grid is the successful design and implementation of a reliable, secure and cost-effective communication infrastructure. However, at the present time there is no existing standardized communication infrastructure that has been widely accepted and used to transform the current electric power grid into a smart grid. In this thesis, the performance and the impact of Information and Communication Technologies (ICT) in current smart grids applications are analysed from a novel technical and economic perspective to support decision-making in their implementation.

From all the smart grid communication technologies, Power Line Communications (PLC) is considered the most cost-effective solution because it allows the reutilization of the power infrastructure as communication channel. PLC is especially used for the deployment of Advanced Metering Infrastructures (AMI), but the performance of this technology is highly affected by the local network conditions. Among the different PLC protocols used for AMI, PRIME provides the best performance under favourable conditions. For this reason, a methodology to analyse the performance of PLC PRIME networks has been developed, which is based on a simulation framework that takes into account the characteristics of the physical channel and the network behaviour.

The two Key Performance Indicators (KPIs) used for the previous analysis are the number of registered nodes and the time to read all meters, which have shown the strong influence of the registration process and the user density on the communication performance. The developed methodology has been satisfactory applied to a wide range of distribution networks with a tree topology of different sizes. For this purpose, an algorithm to compute the PLC transfer function between any pair of nodes has been proposed, which is based on transmission line theory. Additionally, Reference Network Models (RNMs) have been used to obtain representative networks that can be later analysed with the proposed methodology avoiding the use of confidential data from Distribution System Operators (DSOs). The combination of the simulation framework and the RNM has resulted in a very powerful way to analyse the communication performance of PLC networks at a regional level.

The added value provided by better information and communication systems in smart grids is another open issue for the smart grid development. Then, a new methodology to analyse the impact of these systems in a centralised voltage control application with On-Load Tap Changers (OLTC) and PV based on inverters has been presented. Since this kind of voltage control application aims to send set-points from the central unit to the OLTC and PV inverters to optimize the system operation, the presented methodology is focused on the impact of the accuracy of the forecast used to calculate the set-points and the time interval used to update these set-points in the PV inverters. The voltage deviation cost, the energy curtailment cost, and the energy losses cost have been chosen as economic KPIs.

All the conclusions obtained in this PhD provide a significant improvement for the analysis of the performance of smart grids, and encourage the use of the developed methodologies and their extension to other communication technologies and applications.