Modelo de Arquitectura para la Red Eléctrica Inteligente

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Modelo de Arquitectura para la Red El�ctrica Inteligente

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Modelo de arquitectura

Primero revisemos, seg�n la Real Academia Espa�ola (RAE), el t�rmino "modelo", tiene varias definiciones, dos de ellas son muy adecuadas para usarlas en este an�lisis:

1. Arquetipo o punto de referencia para imitarlo o reproducirlo.
Es decir, se trata de "algo" que se puede usar como base de dise�o para aplicarse a un caso o casos espec�ficos.
2. Esquema te�rico, generalmente en forma matem�tica, de un sistema o de una realidad compleja, como la evoluci�n econ�mica de un pa�s, que se elabora para facilitar su comprensi�n y el estudio de su comportamiento.
Para no meternos en l�os, vamos a omitir la parte "generalmente en forma matem�tica", as� como el ejemplo "como la evoluci�n econ�mica de un pa�s" ya que no son una limitante estricta en la definici�n.
Entonces es un "esquema te�rico", es decir que se trata de algo abstracto o intangible.
Luego dice "de un sistema o de una realidad compleja", en nuestro caso, se trata justamente lo que queremos modelar del mundo real: La Red El�ctrica Inteligente.
Y termina indicando que sirve para "facilitar su comprensi�n y el estudio de su comportamiento", por lo que concluimos que su principal uso es apoyar a cualquiera a entender c�mo funciona el objeto del mundo real.

Por su parte, la palabra "arquitectura", tiene su principal enfoque en el "arte de proyectar y construir edificios", pero en nuestro caso real, estamos m�s cerca de "estructura l�gica y f�sica de los componentes de una computadora", por lo que, aplicaremos esta segunda definici�n para indicar que, en conjunto:

Modelo de arquitectura: Es un esquema te�rico que permite definir la estructura l�gica y f�sica de los componentes que conforman un sistema complejo, para facilitar su comcomprensi�n y estudio de su comportamiento, que se utiliza como base de dise�o para aplicarse a un caso espec�fico del mundo real.

Debe quedar claro que no se trata de la arquitectura del sistema complejo en s�, se trata de una referencia o esquema base, que puede ser imitada y adaptada para generar la arquitectura (ahora s�) de un caso del mundo real. Es como la "plantilla" o "gu�a" para elaborar los planos de lo que se quiere construir.

Esta definici�n tan amplia, completa y flexible, podemos aplicarla a casi cualquier sistema complejo del mundo real, por ejemplo:

Modelo de arquitectura de software en tiempo real.
Modelo de arquitectura organizacional para empresas del sector el�ctrico.
Modelo de arquitectura de seguridad de la informaci�n.

Red El�ctrica Inteligente (REI)

Uno de los sistemas m�s complejos que se ha construido en todas las regiones del planeta, es justamente la red el�ctrica, se trata de un gran conjunto de elementos, maquinaria, equipos, instalaciones, sistemas y subsistemas interconectados, que permiten la transformaci�n de la energ�a primaria* (t�rmica, mec�nica, radiaci�n, etc.), en energ�a el�ctrica, lo cual facilita su transporte, transformaci�n, adecuaci�n y uso.

* Energ�a primaria: Se entiende por energ�a primaria a las distintas formas de energ�a tal como se obtienen de la naturaleza, ya sea, en forma directa como en el caso de la energ�a hidr�ulica o solar, la le�a, y otros combustibles vegetales; o despu�s de un proceso de extracci�n como el petr�leo, carb�n mineral, geoenerg�a, etc�tera (actualizaci�n de la "Estrategia de Transici�n para Promover el Uso de Tecnolog�as y Combustibles m�s Limpios, en t�rminos de la Ley de Transici�n Energ�tica" ).

La modernizaci�n y evoluci�n de la red el�ctrica es la REI y se trata de una estrategia para la adici�n de tecnolog�as de la informaci�n, comunicaciones y procesamiento de datos a la red el�ctrica tradicional, para mejorar su uso y hacerla m�s eficiente, segura y confiable.

Es decir, la red el�ctrica ya es por s� sola, un "sistema complejo", al adicionarle sistemas de informaci�n, comunicaciones y procesamiento de datos, se vuelve, por as� decirlo, un "sistema mucho m�s complejo", incluso, se trata de un "sistema de sistemas complejos", cosa que excede por mucho la facilidad de comprensi�n natural y se hace muy dif�cil entenderla de un solo vistazo.

El problema...

Para enfocar esfuerzos en todo el planeta, que permitan avanzar de una manera ordenada y colaborativa en la implementaci�n de la REI, se han desarrollado documentaci�n, gu�as, est�ndares, leyes y reglamentos, muchos de ellos, con enfoques diversos que permiten, en su conjunto, integrar una estrategia com�n.

Por ejemplo, en Estados Unidos de Am�rica, el Instituto Nacional de Est�ndares y Tecnolog�a (NIST, por sus siglas en ingl�s), emiti� el "Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards" , o marco de referencia y hoja de ruta para est�ndares de interoperabilidad de redes el�ctricas inteligentes. Este marco de referencia ha sido muy usado por muchas empresas el�ctricas del mundo para establecer una visi�n unificada del alcance que quieren lograr en la implementaci�n de su REI espec�fica, as� como gu�a para la identificaci�n de los est�ndares que deber�a adoptar para el logro de los objetivos.

Figura 1. Modelo conceptual de la Red El�ctrica Inteligente
(fuente: NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards .
https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/SpecialPublications/NIST.SP.1108r3.pdf).

El documento incluye un modelo conceptual basado en siete dominios del sector el�ctrico, es gen�rico y aplicable en mayor o menor medida a casi cualquier empresa el�ctrica en cualquier pa�s.

Por otra parte, el Consejo de Arquitectura GridWise (GWAC, por sus siglas en ingl�s), desarroll� un modelo de referencia conceptual para la identificaci�n de est�ndares y protocolos necesarios para asegurar la interoperabilidad, la seguridad inform�tica y definir arquitecturas para sistemas y subsistemas en la REI.

En su modelo se identifican tres categor�as y ocho capas verticales, que comprenden el nivel de interoperabilidad necesario para permitir las interacciones y transacciones en la REI.

La capa de equipo f�sico y software para transmitir datos se encuentra en las partes m�s bajas, los protocolos de comunicaci�n y las aplicaciones residen en los niveles intermedios y los niveles superiores est�n reservados para la funcionalidad empresarial y objetivos de negocio.

A medida que las funciones y las capacidades aumentan en complejidad y sofisticaci�n, se requieren m�s capas del modelo de interoperabilidad para lograr los resultados deseados. Por lo general, cada capa depende de las que est�n debajo de ella, y en general, las requieren para su correcta operaci�n, es decir que no son completamente independientes.

De igual forma, otros esfuerzos relacionados se han desarrollado y pueden ser usados para integrar una soluci�n unificada en todas las �reas de una o varias empresas el�ctricas.

Figura 2. Categor�as y niveles del modelo de referencia de interoperabilidad del GWAC
(fuente: GridWise Interoperability ContextSetting Framework).

En este sentido, usar los diferentes marcos de trabajo, mapas de est�ndares, esquemas de arquitectura, modelos de madurez, metodolog�as, entre otros, se vuelve una tarea complicada y puede resultar implementaciones no unificadas, es decir, que no tengan la misma visi�n y estrategia que requiere una empresa el�ctrica, pa�s o regi�n del planeta.

La soluci�n... Modelo de Arquitectura para la Red El�ctrica Inteligente

El gran reto de unificar los esfuerzos realizados por diversas instituciones se concret� con el trabajo conjunto de organismos europeos de normalizaci�n, Comit� Europeo de Normalizaci�n (CEN), Comit� Europeo de Normalizaci�n Electrot�cnica (CENELEC) e Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI), quienes, en colaboraci�n con diversos expertos de instituciones y empresas el�ctricas, desarrollaron lo que se identifica como el Modelo de Arquitectura para la Red El�ctrica Inteligente (SGAM, por sus siglas en ingl�s).

El SGAM toma lo mejor de los trabajos previos e integra de una forma magistral, una gran visi�n de la REI, de forma que, cualquier empresa el�ctrica en el mundo, lo puede tomar como referencia para desarrollar su propia arquitectura de REI, espec�fica y adaptada a las situaciones reales de cada una. No tiene restricciones o l�mites, ya que puede ser ampliada o acondicionada para integrar todas las instalaciones, equipos, sistemas, tecnolog�as, redes, protocolos, �reas, zonas, dominios, niveles o estrategias que cualquier empresa el�ctrica puede requerir.

Este gran esfuerzo se formaliz� mediante su integraci�n en el est�ndar IEC 62357-1 TR Ed.2 "Power systems management and associated information exchange - Part 1: Reference architecture" o gesti�n de sistemas de potencia e intercambio de informaci�n asociada - Parte 1: Arquitectura de referencia, publicado en noviembre de 2016. Este documento, a trav�s del SGAM, proporciona un mapa claro y completo de los est�ndares que pueden apoyar las interacciones, de manera abierta e interoperable, entre actores, componentes y sistemas en el �rea de la REI, desde la generaci�n hasta los consumidores, incluyendo la transmisi�n y la distribuci�n.

La segunda edici�n del est�ndar incluye los siguientes cambios t�cnicos significativos con respecto a la edici�n anterior:

Proporciona actualizaciones y define la arquitectura de referencia en capas para ayudar a dirigir las metas y actividades a largo plazo, espec�ficamente para garantizar la compatibilidad de los nuevos est�ndares desarrollados en la IEC al beneficiarse de las lecciones aprendidas y su aplicaci�n a proyectos reales.
Permite asociar otros est�ndares IEC relacionados con la gesti�n la red el�ctrica y el intercambio de informaci�n que se requiere para la REI, entre ellos, la serie de est�ndares IEC 61850, as� como: IEC 61968, IEC 61970 e IEC 62325, que en su conjunto definen el Modelo de Informaci�n Com�n (CIM, por sus siglas en ingl�s).

El SGAM es un modelo 3D seccionado en 5 capas.

La capa fundamental corresponde a los componentes de los dominios en el modelo conceptual del NIST (Figura 1). Los Dominios representan la cadena de conversi�n de la energ�a:

Generaci�n a gran escala: Representa la generaci�n de electricidad en grandes cantidades, como centrales termoel�ctricas, hidroel�ctricas o nucleares, parques e�licos y parques de energ�a solar, que est�n conectadas al sistema el�ctrico de transmisi�n o Red Nacional de Transmisi�n (RNT).
Transmisi�n: Representa la infraestructura que transporta electricidad a largas distancias.
Distribuci�n: Representa la infraestructura que distribuye electricidad a los clientes.
Recurso de Energ�a Distribuida (DER): Representa recursos el�ctricos distribuidos conectados directamente a la red de distribuci�n o Redes Generales de Distribuci�n (RGD).
Instalaciones del cliente: Son todos los dispositivos de los usuarios finales de electricidad y productores de electricidad. Incluyen las instalaciones industriales, comerciales y dom�sticas. Considera, la generaci�n local del usuario (paneles solares, veh�culos el�ctricos, almacenamiento, bater�as, micro turbinas, etc�tera).

Figura 3. Vista general del SGAM (fuente: IEC 62357-1 TR Ed.2).

Las Zonas est�n ubicadas en forma ortogonal a los Dominios y representan la informaci�n y los sistemas de control y gesti�n de los procesos de conversi�n de la energ�a.

Las siguientes son las Zonas identificadas:

Mercado: Refleja las operaciones del mercado el�ctrico a lo largo de la cadena de conversi�n de energ�a, puede incluir cualquier tipo de mercado para la comercializaci�n y gesti�n de la energ�a, por ejemplo, mercado mayorista, mercado minorista, mercado transactivo, entre otros.
Empresa: Incluye los procesos, servicios e infraestructura comercial y organizacional de la empresa (servicios de electricidad, suministradores, comerciantes de energ�a, etc.), implementa las funciones empresariales del tipo Gesti�n de Activos, log�stica, Gesti�n de la Fuerza de Trabajo (WFM, por sus siglas en ingl�s), gesti�n de los recursos humanos, gesti�n de la relaci�n con el cliente, facturaci�n, entre otras.
Operaci�n: Permite la operaci�n y control de los sistemas de potencia de cada Dominio, por ejemplo, Sistema de Gesti�n de la Distribuci�n (DMS, por sus siglas en ingl�s), Sistemas de Gesti�n de la Energ�a (EMS, por sus siglas en ingl�s), sistemas de gesti�n de microrredes, sistemas de gesti�n de la carga de veh�culos el�ctricos, entre otros.
Estaci�n: Representa un nivel de concentraci�n para un �rea, por ejemplo, para la concentraci�n de datos, automatizaci�n de subestaciones, sistema de control supervisorio y adquisici�n de datos (SCADA, por sus siglas en ingl�s), monitoreo de subestaciones, etc�tera.
Campo: Incluye el equipo para proteger, controlar y monitorear el proceso del sistema el�ctrico, por ejemplo, relevadores de protecci�n, controladores de bus, as� como los dispositivos electr�nicos inteligentes (IED, por sus siglas en ingl�s) los cuales se encargan de adquirir los datos del proceso y componentes, y transmitirlos a nivel superior para su uso y explotaci�n.
Proceso: Incluye los equipos principales y componentes del sistema el�ctrico (generadores, transformadores, l�neas, cables, torres, postes, cargas, etc.), as� como las transformaciones f�sicas, qu�micas o espaciales de la energ�a (electricidad, radiaci�n solar, calor, agua, viento, etc�tera).

Figura 4. Capa de componentes del SGAM (fuente: IEC 62357-1 TR Ed.2).

Sobre la capa fundamental o capa de componentes, se integran las capas que permiten asegurar la interoperabilidad entre los componentes y entre los sistemas de gesti�n de la empresa. Las capas est�n basadas en el modelo de referencia de interoperabilidad del GWAC (figura 2):

Capa empresarial: Es la de m�s alto nivel, proporciona la visi�n empresarial y de negocios de la REI. Establece procesos, servicios y organizaciones empresariales, as� como leyes, lineamientos, regulaciones y estrategias de alto nivel de la empresa.
Capa de funci�n: Describir las funciones y servicios, as� como sus relaciones con respecto a los Dominios y Zonas.
Capa de informaci�n: Describe la informaci�n que se utiliza e intercambia entre las funciones, servicios y componentes. Permite definir los modelos de datos para el entendimiento unificado de la informaci�n que se intercambia.
Capa de comunicaci�n: Enfatiza la definici�n de protocolos y mecanismos para el intercambio de informaci�n entre componentes.
Capa de componentes: Corresponde a todos los elementos f�sicos integrados en el sistema el�ctrico. Incluye aplicaciones y dispositivos de automatizaci�n en las Zonas de Campo y Estaci�n, as� como los equipos del sistema de potencia (figura 4).

De esta forma, el SGAM permite a cualquier empresa desarrollar su propia arquitectura de REI, con enfoque espec�fico y especializado a cada caso real, con el alcance y visi�n requerida por los objetivos empresariales y de negocio.

Adicionando metodolog�a derivada de la ingenier�a de software, el SGAM se convierte en una poderosa herramienta para describir de manera formal la funcionalidad que cualquier empresa el�ctrica requiere para materializar su propia visi�n de la REI, sin exceder en uso de recursos y con la flexibilidad para adaptarse a cada caso o situaci�n espec�fica.

Experiencia en el INEEL

El INEEL ha desarrollado una serie de productos para el sector el�ctrico, con enfoque a implementar estrategias avanzadas de interoperabilidad sem�ntica, que cumplen con el SGAM desde el punto de vista que se tiene mapeada la ruta desde la adquisici�n de datos de equipos principales de la red el�ctrica, las comunicaciones, el modelado e intercambio de informaci�n y las funciones anal�ticas, para finalmente, impactar en los indicadores de calidad y gesti�n que dan sentido a los objetivos de negocio de la empresa.

De igual forma, se cuenta con expertos, metodolog�a y herramientas para la adopci�n del CIM en los sistemas de informaci�n de las empresas el�ctricas.

El INEEL se mantiene a la vanguardia en la adopci�n de est�ndares internacionales para la correcta y ordenada implementaci�n de las estrategias y tecnolog�as para la Red El�ctrica Inteligente de las empresas el�ctricas.

Autor:
Alfredo Espinosa Reza, aer@ineel.mx