Ciencia al descubierto
Ciencia al descubierto
Sistema de submedición de energía
eléctrica del INEEL, una herramienta
para mejorar la eficiencia energética
eléctrica del INEEL, una herramienta
para mejorar la eficiencia energética
Sistema de submedición de energía
eléctrica del INEEL, una herramienta
para mejorar la eficiencia energética
eléctrica del INEEL, una herramienta
para mejorar la eficiencia energética
Introducción
Introducción
Las redes eléctricas, en prácticamente todos los países, se
están transformando ante la necesidad urgente de administrar
mejor los recursos energéticos para proteger el
medio ambiente y responder a los requerimientos cada vez
más exigentes de calidad, eficiencia, seguridad y disponibilidad
del servicio eléctrico.
Las redes están evolucionando hacia los conceptos de Red Eléctrica Inteligente (REI), en los que se conjuga la red eléctrica tradicional con tecnologías modernas de información y comunicación, permitiendo el monitoreo remoto y la integración de datos provenientes de los distintos puntos de la cadena eléctrica, desde la generación hasta su uso final. El propósito de la REI es optimizar el funcionamiento de los sistemas eléctricos, elevando la eficiencia, la confiabilidad, la sustentabilidad, la seguridad, la calidad del servicio y reducción de la emisión de CO2; de forma que las empresas suministradoras puedan ofrecer un mejor servicio, detectar fallas oportunamente, minimizar las pérdidas y administrar más eficientemente sus activos, entre otros.
La necesidad del monitoreo remoto de datos y su posterior análisis en la REI ha dado lugar al desarrollo de Sistemas de Infraestructura de Medición Avanzada de energía eléctrica denominados AMI, por sus siglas en inglés (Advanced Metering Infrastructure), constituidos principalmente por medidores inteligentes, equipos de comunicación y software; sistemas que permiten recolectar datos de consumo eléctrico de los usuarios finales, transportarlos hasta las oficinas de las empresas de electricidad para su gestión y para propósitos de facturación.
Las redes están evolucionando hacia los conceptos de Red Eléctrica Inteligente (REI), en los que se conjuga la red eléctrica tradicional con tecnologías modernas de información y comunicación, permitiendo el monitoreo remoto y la integración de datos provenientes de los distintos puntos de la cadena eléctrica, desde la generación hasta su uso final. El propósito de la REI es optimizar el funcionamiento de los sistemas eléctricos, elevando la eficiencia, la confiabilidad, la sustentabilidad, la seguridad, la calidad del servicio y reducción de la emisión de CO2; de forma que las empresas suministradoras puedan ofrecer un mejor servicio, detectar fallas oportunamente, minimizar las pérdidas y administrar más eficientemente sus activos, entre otros.
La necesidad del monitoreo remoto de datos y su posterior análisis en la REI ha dado lugar al desarrollo de Sistemas de Infraestructura de Medición Avanzada de energía eléctrica denominados AMI, por sus siglas en inglés (Advanced Metering Infrastructure), constituidos principalmente por medidores inteligentes, equipos de comunicación y software; sistemas que permiten recolectar datos de consumo eléctrico de los usuarios finales, transportarlos hasta las oficinas de las empresas de electricidad para su gestión y para propósitos de facturación.
Políticas de eficiencia energética
Políticas de eficiencia energética
En el nivel internacional se instrumentan políticas públicas
de eficiencia energética a través de la implantación de
estrategias, legislaciones, regulaciones, medidas y programas
que en conjunto están orientados a estimular la mejora de la eficiencia energética, como se define en la
Norma Internacional ISO 50001: 2018; en ella se establecen
los requisitos para que por medio de los Sistemas de
Gestión Energética, las organizaciones mejoren el rendimiento
energético que resulta de la relación entre la eficiencia
energética, el uso de la energía y el consumo.
¿Cuál es el problema?
¿Cuál es el problema?
En México, la Comisión Federal de Electricidad (CFE),
empresa suministradora del servicio eléctrico, genera
un recibo de cobro por el servicio eléctrico que presta al
usuario final, el cual contiene información que indica el
consumo de energía en un periodo determinado; y en el
caso de algunos consumidores, también parámetros asociados
al uso de la energía como el factor de potencia y la
demanda; pero no les da detalle de la forma y momentos
en que la energía fue consumida.
Es frecuente que el usuario final no tenga información detallada sobre el uso de la energía que consume, cómo, ni cuándo la consume, ni si sus instalaciones son eficientes o no; y cuando quiere aplicar acciones correctivas para disminuir el consumo y la facturación no tiene información que le ayude a tomar decisiones acertadas para tener un mayor ahorro en los gastos del consumo de energía eléctrica.
El término de submedición de energía eléctrica se refiere a la medición de consumo y de parámetros eléctricos que es posterior a la que realizan los medidores de facturación de las empresas de electricidad y se efectúa típicamente en el interior de las instalaciones eléctricas del consumidor final.
Es frecuente que el usuario final no tenga información detallada sobre el uso de la energía que consume, cómo, ni cuándo la consume, ni si sus instalaciones son eficientes o no; y cuando quiere aplicar acciones correctivas para disminuir el consumo y la facturación no tiene información que le ayude a tomar decisiones acertadas para tener un mayor ahorro en los gastos del consumo de energía eléctrica.
El término de submedición de energía eléctrica se refiere a la medición de consumo y de parámetros eléctricos que es posterior a la que realizan los medidores de facturación de las empresas de electricidad y se efectúa típicamente en el interior de las instalaciones eléctricas del consumidor final.
Contribución del INEEL
Contribución del INEEL
El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias
(INEEL) implementa y ha implementado diversos proyectos
de desarrollo tecnológico, relacionados con la mejora de
la eficiencia energética; alineado con ello, ha generado un
sistema de submedición de energía eléctrica integrado por
dispositivos electrónicos de submedición con comunicación inalámbrica, interfaces de comunicación inalámbricas
y el software de gestión y despliegue de datos que permite
monitorear las variables eléctrica en tiempo real, visualizar
el consumo eléctrico y generar informes relacionados al
tiempo de uso de la energía en instalaciones y cargas eléctricas
de los usuarios.
Sistema de submedición de energía
eléctrica del INEEL
eléctrica del INEEL
Sistema de submedición de energía eléctrica
del INEEL
del INEEL
La tecnología de submedición que el INEEL desarrolló es
un sistema integral que permite el registro y visualización
del patrón de consumo de instalaciones eléctricas de los
sectores residencial, comercial e industrial y en edificios
públicos y privados. Con el sistema, el usuario obtiene elementos
de análisis, basados en información real que le
pueden ayudar a decidir sobre la implantación de medidas
de mejora de la eficiencia energética a través de actividades
y proyectos asociados a programas de ahorro de energía.
Submedidores para el sector residencial
Submedidores para el sector residencial
El INEEL desarrolló submedidores de energía eléctrica con
aplicación en redes eléctricas monofásicas del sector residencial,
los cuales son de tres tipos: para acometida, contacto
móvil y embedded. Cada uno de ellos puede generar
información de consumo en diferentes puntos de una red
monofásica residencial como se muestra en la Figura 1;
cada submedidor, traduce los flujos eléctricos en el punto
de medición a datos digitales que transfiere de forma inalámbrica
hasta un dispositivo electrónico que los visualiza
gráficamente, tiene la capacidad de monitorear parámetros
eléctricos en tiempo real, registrar el consumo histórico,
detectar eventos relacionados con el servicio eléctrico
como sobrevoltajes, bajos voltajes y sobrecorriente y adicionalmente
los submedidores de contacto móvil y embedded
pueden encender o apagar remotamente el funcionamiento
del equipo que monitorean.
Los submedidores de acometida pueden instalarse como medidores espejo de los medidores de facturación, esto, para obtener los patrones de consumo general y concientizar a los usuarios sobre el uso y consumo racional de la energía eléctrica en el hogar.
Los submedidores de tipo contacto móvil, además de las capacidades ya mencionadas, permiten encender o apagar de forma programada cualquier aparato electrodoméstico que se le conecte, una ventaja de esto es la eliminación de los llamados vampiros eléctricos, que son equipos que aun apagados continúan consumiendo electricidad.
Los submedidores embedded, son equipos que pueden instalarse en el interior de aparatos monofásicos, como compresores de aires acondicionados, bombas de agua, motores, entre otros; el monitoreo de estos equipos permite identificar si se tiene un mayor consumo de acuerdo a lo especificado en su placa de datos; generan la información necesaria para poder analizar la conveniencia de cambio del equipo por otro de mayor eficiencia, o la necesidad de darle mantenimiento.
Los submedidores de acometida pueden instalarse como medidores espejo de los medidores de facturación, esto, para obtener los patrones de consumo general y concientizar a los usuarios sobre el uso y consumo racional de la energía eléctrica en el hogar.
Los submedidores de tipo contacto móvil, además de las capacidades ya mencionadas, permiten encender o apagar de forma programada cualquier aparato electrodoméstico que se le conecte, una ventaja de esto es la eliminación de los llamados vampiros eléctricos, que son equipos que aun apagados continúan consumiendo electricidad.
Los submedidores embedded, son equipos que pueden instalarse en el interior de aparatos monofásicos, como compresores de aires acondicionados, bombas de agua, motores, entre otros; el monitoreo de estos equipos permite identificar si se tiene un mayor consumo de acuerdo a lo especificado en su placa de datos; generan la información necesaria para poder analizar la conveniencia de cambio del equipo por otro de mayor eficiencia, o la necesidad de darle mantenimiento.
Figura 1. Tipos de submedidores del INEEL para el sector residencial.
Figura 1. Tipos de submedidores del INEEL para el sector residencial.
Submedidores para el sector industrial
Submedidores para el sector industrial
Los submedidores para el sector industrial son equipos que
pueden ser instalados en acometidas trifásicas de circuitos
generales, de edificios, en tableros eléctricos trifásicos, líneas de producción, chillers, hornos eléctricos, bombas
de agua, y en general en cualquier carga eléctrica industrial
(Figura 2); la información que genera puede contribuir en la
identificación de condiciones anómalas de operación del
circuito o carga eléctrica, en el control de la demanda, en
la indicación de aplicación de mantenimiento preventivo y
predictivo, y en general en la reducción de los gastos por
consumo de energía eléctrica.
Figura 2. Submedidor trifásico instalado en entorno industrial.
Figura 2. Submedidor trifásico instalado en entorno industrial.
Interfaces de comunicación y el software del
sistema
sistema
Interfaces de comunicación y el software del
sistema
sistema
En el sistema de submedición del INEEL, las interfaces de
comunicación son dispositivos electrónicos que permiten
el envío y recepción de datos de forma inalámbrica, realizan
la conversión de medios de comunicación para efectuar
el traslado remoto de datos y peticiones entre los dispositivos
de submedición y las aplicaciones de software,
las cuales pueden ejecutarse en equipos de cómputo directamente
en campo o remotamente en las oficinas de las
empresas, el esquema general de comunicación se muestra
en la Figura 3.
Figura 3. Esquema de operación del sistema.
Figura 3. Esquema de operación del sistema.
La interfaz USB/RF es un dispositivo electrónico que al
interconectarlo al puerto USB de una PC portátil, permite
la comunicación inalámbrica local punto-punto entre los
submedidores monofásicos y trifásicos con el software
de monitoreo y despliegue de datos SMED-SPC, el cual se
ejecuta en una PC portátil; esta interfaz simplifica la configuración
y el monitoreo de los submedidores y de forma
sencilla y directa permite obtener en tiempo real la información
que generan y registran.
La interfaz ETH/RF también es un dispositivo electrónico, se conecta a través de un cable de red, a la red de área local (LAN) y permite la comunicación inalámbrica remota en forma punto-multipunto entre los submedidores monofásicos y trifásicos con el software de monitoreo, despliegue y gestión de datos del sistema a través de internet.
El software que integra al Sistema de submedición consta de tres aplicaciones en general: una para interconectar submedidores e interfaces de monitoreo y despliegue de datos en forma local punto a punto, el segundo para monitorear en forma punto-multipunto y la tercera es una aplicación móvil para monitoreo punto-multipunto (Figura 4).
La interfaz ETH/RF también es un dispositivo electrónico, se conecta a través de un cable de red, a la red de área local (LAN) y permite la comunicación inalámbrica remota en forma punto-multipunto entre los submedidores monofásicos y trifásicos con el software de monitoreo, despliegue y gestión de datos del sistema a través de internet.
El software que integra al Sistema de submedición consta de tres aplicaciones en general: una para interconectar submedidores e interfaces de monitoreo y despliegue de datos en forma local punto a punto, el segundo para monitorear en forma punto-multipunto y la tercera es una aplicación móvil para monitoreo punto-multipunto (Figura 4).
Figura 4. Aplicaciones de software del sistema de submedición.
Figura 4. Aplicaciones de software del sistema de submedición.
El software para monitoreo punto-punto SMED-SPC es una
aplicación que se instala en una PC portátil y permite el
monitoreo en tiempo real, la descarga de los registros
almacenados en los submedidores, su configuración y la
visualización gráfica de datos.
El software para monitoreo punto-multipunto SMEDSISMED es un sistema integral que permite el monitoreo en tiempo real, la recolección automática de los perfiles de consumo además el monitoreo a través de Internet de los submedidores.
Y la aplicación móvil SMED-APP permite el monitoreo en tiempo real y visualización de perfiles históricos a través de internet mediante el servicio web del sistema de submedición.
El software para monitoreo punto-multipunto SMEDSISMED es un sistema integral que permite el monitoreo en tiempo real, la recolección automática de los perfiles de consumo además el monitoreo a través de Internet de los submedidores.
Y la aplicación móvil SMED-APP permite el monitoreo en tiempo real y visualización de perfiles históricos a través de internet mediante el servicio web del sistema de submedición.
Pruebas y resultados del sistema
Pruebas y resultados del sistema
El sistema y cada uno de sus elementos fue probado con
éxito, primeramente en laboratorio y posteriormente en
proyectos demostrativos en ambiente de operación real en
las instalaciones eléctricas del propio INEEL; se han monitoreado
las acometidas de las subestaciones eléctricas,
múltiples edificios de distinto tamaño y consumo, elevadores,
laboratorios de diverso tipo, bombas de agua, salas
con aire acondicionado de distinta capacidad. Se ha efectuado
la cuantificación puntual del consumo de máquinas
expendedoras de productos diversos como refresco y golosinas
y de circuitos de interés para estudios de consumo
en el INEEL.
Con el sistema y sus elementos se ha apoyado a proyectos internos y externos del INEEL, monitoreando variables eléctricas y consumo de transformadores como es el caso de los proyectos de ?Evaluación del éster VG-100 en transformadores, bajo condiciones de arranque en frío? y de ?Evaluación dieléctrica y arranque en frío de fluido VG100 mejorado?. También se han monitoreando parámetros eléctricos y perfiles de consumo de energía eléctrica en proyectos demostrativos de Bombas de Calor Geotérmico que el INEEL realiza en los Humeros, Puebla, en el propio INEEL y también se monitoreo un sistema de aire acondicionado tipo Chiller, que opera en la Universidad Politécnica de Baja California (UPBC), en la Ciudad de Mexicali, Baja California.
El sistema ha sido probado en instalaciones eléctricas externas al INEEL; por ejemplo, en Laboratorios del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), se ha empleado para determinar el consumo energético de componentes eléctricos de los sistemas de tratamiento de agua. Se probó en edificios privados en la Ciudad de México, y en entornos industriales en plantas productivas en Monterrey, Nuevo León y en el estado de Morelos, comprobándose en todos los casos su capacidad para generar información de utilidad para los usuarios del servicio eléctrico. Se utilizó para el monitoreo del consumo de energía eléctrica de sistemas de aire acondicionado para uso residencial, tipo minisplit, para propósitos de contraste de equipos fabricados con tecnologías Inverter y On-Off. El proyecto demostrativo fue liderado por la empresa japonesa de aires acondicionados DAIKIN INDUSTRIES, LTD. y la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) con el apoyo de la Agencia Internacional de Cooperación del Japón (JICA); se instalaron equipos en cinco Sedes de la República Mexicana con distinto entorno climático.
Se aplicaron pruebas de norma al prototipo del submedidor trifásico, en los Laboratorios de Metrología, Mecánica, Protecciones y Comunicaciones del LAPEM, con resultados satisfactorios. En relación con la propiedad intelectual de los productos resultantes del proyecto, el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI) le ha otorgado al INEEL patentes de los dispositivos electrónicos del sistema y el Instituto Nacional del Derecho de Autor (INDAUTOR) los certificados correspondientes a los programas de cómputo de los dispositivos y de las aplicaciones de software.
Con el sistema y sus elementos se ha apoyado a proyectos internos y externos del INEEL, monitoreando variables eléctricas y consumo de transformadores como es el caso de los proyectos de ?Evaluación del éster VG-100 en transformadores, bajo condiciones de arranque en frío? y de ?Evaluación dieléctrica y arranque en frío de fluido VG100 mejorado?. También se han monitoreando parámetros eléctricos y perfiles de consumo de energía eléctrica en proyectos demostrativos de Bombas de Calor Geotérmico que el INEEL realiza en los Humeros, Puebla, en el propio INEEL y también se monitoreo un sistema de aire acondicionado tipo Chiller, que opera en la Universidad Politécnica de Baja California (UPBC), en la Ciudad de Mexicali, Baja California.
El sistema ha sido probado en instalaciones eléctricas externas al INEEL; por ejemplo, en Laboratorios del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), se ha empleado para determinar el consumo energético de componentes eléctricos de los sistemas de tratamiento de agua. Se probó en edificios privados en la Ciudad de México, y en entornos industriales en plantas productivas en Monterrey, Nuevo León y en el estado de Morelos, comprobándose en todos los casos su capacidad para generar información de utilidad para los usuarios del servicio eléctrico. Se utilizó para el monitoreo del consumo de energía eléctrica de sistemas de aire acondicionado para uso residencial, tipo minisplit, para propósitos de contraste de equipos fabricados con tecnologías Inverter y On-Off. El proyecto demostrativo fue liderado por la empresa japonesa de aires acondicionados DAIKIN INDUSTRIES, LTD. y la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) con el apoyo de la Agencia Internacional de Cooperación del Japón (JICA); se instalaron equipos en cinco Sedes de la República Mexicana con distinto entorno climático.
Se aplicaron pruebas de norma al prototipo del submedidor trifásico, en los Laboratorios de Metrología, Mecánica, Protecciones y Comunicaciones del LAPEM, con resultados satisfactorios. En relación con la propiedad intelectual de los productos resultantes del proyecto, el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI) le ha otorgado al INEEL patentes de los dispositivos electrónicos del sistema y el Instituto Nacional del Derecho de Autor (INDAUTOR) los certificados correspondientes a los programas de cómputo de los dispositivos y de las aplicaciones de software.
Conclusiones
Conclusiones
Es relevante observar que, con la ejecución de proyectos de
esta naturaleza, el personal del INEEL incrementó su conocimiento
y sus capacidades tecnológicas, particularmente
en los campos de medición de energía eléctrica, comunicaciones
y software especializado para dispositivos móviles
y entornos web. Lo anterior le permite abordar con mayor
eficacia proyectos de naturaleza similar y de otros campos,
como la automatización, seguridad, alarmas y supervisión de
equipos e instalaciones, entre otros. En el proyecto colaboraron
ingenieros de reciente egreso contratados como personal
de honorarios y becarios, con ello el INEEL contribuye
activamente en la formación de recursos humanos especializados
en temas relacionados con la eficiencia energética.
En resumen, la tecnología del sistema de submedición desarrollada por el INEEL es una herramienta competitiva, versátil, modular y escalable, que está preparada para operar en ambiente de Red Eléctrica Inteligente. Esta herramienta genera información con la cual el usuario puede tener elementos de análisis para instrumentar acciones relacionadas con el ahorro de energía y con la mejora energética de sus instalaciones eléctricas; con ello, se contribuye al incremento en la productividad en el sector industrial y a la protección del medio ambiente en general, coadyuvando a la reducción de emisiones contaminantes y a la reducción de la huella de carbono de las instalaciones.
Los resultados del proyecto y el potencial de aplicación del sistema de submedición atrajeron la atención de la empresa morelense de base tecnológica y de servicios "A3E Ingenieros Especialistas en Energía Eléctrica SA de CV", que realiza proyectos de ahorro de energía, análisis eléctricos, pruebas de equipos y obras eléctricas entre otros; iniciándose a partir de ello una negociación con el INEEL para fabricar y comercializar el sistema y sus elementos. Producto de lo anterior, el INEEL y la empresa A3E Ingenieros, formalizaron el 12 de diciembre de 2019 un acuerdo a través de un Contrato de Licenciamiento, Uso de la Tecnología y Asistencia Técnica para la fabricación y comercialización de la tecnología de submedición. Con esto, el INEEL cumple uno de los objetivos para el que fue creado, contribuir en la formación de especialistas e investigadores en el área de la industria eléctrica e industrias afines, así como el patentar y licenciar las tecnologías desarrolladas al sector productivo para contribuir al crecimiento de la economía y de la sociedad.
En resumen, la tecnología del sistema de submedición desarrollada por el INEEL es una herramienta competitiva, versátil, modular y escalable, que está preparada para operar en ambiente de Red Eléctrica Inteligente. Esta herramienta genera información con la cual el usuario puede tener elementos de análisis para instrumentar acciones relacionadas con el ahorro de energía y con la mejora energética de sus instalaciones eléctricas; con ello, se contribuye al incremento en la productividad en el sector industrial y a la protección del medio ambiente en general, coadyuvando a la reducción de emisiones contaminantes y a la reducción de la huella de carbono de las instalaciones.
Los resultados del proyecto y el potencial de aplicación del sistema de submedición atrajeron la atención de la empresa morelense de base tecnológica y de servicios "A3E Ingenieros Especialistas en Energía Eléctrica SA de CV", que realiza proyectos de ahorro de energía, análisis eléctricos, pruebas de equipos y obras eléctricas entre otros; iniciándose a partir de ello una negociación con el INEEL para fabricar y comercializar el sistema y sus elementos. Producto de lo anterior, el INEEL y la empresa A3E Ingenieros, formalizaron el 12 de diciembre de 2019 un acuerdo a través de un Contrato de Licenciamiento, Uso de la Tecnología y Asistencia Técnica para la fabricación y comercialización de la tecnología de submedición. Con esto, el INEEL cumple uno de los objetivos para el que fue creado, contribuir en la formación de especialistas e investigadores en el área de la industria eléctrica e industrias afines, así como el patentar y licenciar las tecnologías desarrolladas al sector productivo para contribuir al crecimiento de la economía y de la sociedad.
Autores:
José Martín Gómez López, jmgomez@ineel.mx
Agustín Javier Antúnez Estrada, javier.antunez@ineel.mx
Roberto Castán Luna, rcastan@ineel.mx
José Martín Gómez López, jmgomez@ineel.mx
Agustín Javier Antúnez Estrada, javier.antunez@ineel.mx
Roberto Castán Luna, rcastan@ineel.mx
Ciencia al descubierto
Ciencia al descubierto
Sistema de submedición de energía
eléctrica del INEEL, una herramienta
para mejorar la eficiencia energética
eléctrica del INEEL, una herramienta
para mejorar la eficiencia energética
Sistema de submedición de energía
eléctrica del INEEL, una herramienta
para mejorar la eficiencia energética
eléctrica del INEEL, una herramienta
para mejorar la eficiencia energética
Introducción
Introducción
Las redes eléctricas, en prácticamente todos los países, se
están transformando ante la necesidad urgente de administrar
mejor los recursos energéticos para proteger el
medio ambiente y responder a los requerimientos cada vez
más exigentes de calidad, eficiencia, seguridad y disponibilidad
del servicio eléctrico.
Las redes están evolucionando hacia los conceptos de Red Eléctrica Inteligente (REI), en los que se conjuga la red eléctrica tradicional con tecnologías modernas de información y comunicación, permitiendo el monitoreo remoto y la integración de datos provenientes de los distintos puntos de la cadena eléctrica, desde la generación hasta su uso final. El propósito de la REI es optimizar el funcionamiento de los sistemas eléctricos, elevando la eficiencia, la confiabilidad, la sustentabilidad, la seguridad, la calidad del servicio y reducción de la emisión de CO2; de forma que las empresas suministradoras puedan ofrecer un mejor servicio, detectar fallas oportunamente, minimizar las pérdidas y administrar más eficientemente sus activos, entre otros.
La necesidad del monitoreo remoto de datos y su posterior análisis en la REI ha dado lugar al desarrollo de Sistemas de Infraestructura de Medición Avanzada de energía eléctrica denominados AMI, por sus siglas en inglés (Advanced Metering Infrastructure), constituidos principalmente por medidores inteligentes, equipos de comunicación y software; sistemas que permiten recolectar datos de consumo eléctrico de los usuarios finales, transportarlos hasta las oficinas de las empresas de electricidad para su gestión y para propósitos de facturación.
Las redes están evolucionando hacia los conceptos de Red Eléctrica Inteligente (REI), en los que se conjuga la red eléctrica tradicional con tecnologías modernas de información y comunicación, permitiendo el monitoreo remoto y la integración de datos provenientes de los distintos puntos de la cadena eléctrica, desde la generación hasta su uso final. El propósito de la REI es optimizar el funcionamiento de los sistemas eléctricos, elevando la eficiencia, la confiabilidad, la sustentabilidad, la seguridad, la calidad del servicio y reducción de la emisión de CO2; de forma que las empresas suministradoras puedan ofrecer un mejor servicio, detectar fallas oportunamente, minimizar las pérdidas y administrar más eficientemente sus activos, entre otros.
La necesidad del monitoreo remoto de datos y su posterior análisis en la REI ha dado lugar al desarrollo de Sistemas de Infraestructura de Medición Avanzada de energía eléctrica denominados AMI, por sus siglas en inglés (Advanced Metering Infrastructure), constituidos principalmente por medidores inteligentes, equipos de comunicación y software; sistemas que permiten recolectar datos de consumo eléctrico de los usuarios finales, transportarlos hasta las oficinas de las empresas de electricidad para su gestión y para propósitos de facturación.
Políticas de eficiencia energética
Políticas de eficiencia energética
En el nivel internacional se instrumentan políticas públicas
de eficiencia energética a través de la implantación de
estrategias, legislaciones, regulaciones, medidas y programas
que en conjunto están orientados a estimular la mejora de la eficiencia energética, como se define en la
Norma Internacional ISO 50001: 2018; en ella se establecen
los requisitos para que por medio de los Sistemas de
Gestión Energética, las organizaciones mejoren el rendimiento
energético que resulta de la relación entre la eficiencia
energética, el uso de la energía y el consumo.
¿Cuál es el problema?
¿Cuál es el problema?
En México, la Comisión Federal de Electricidad (CFE),
empresa suministradora del servicio eléctrico, genera
un recibo de cobro por el servicio eléctrico que presta al
usuario final, el cual contiene información que indica el
consumo de energía en un periodo determinado; y en el
caso de algunos consumidores, también parámetros asociados
al uso de la energía como el factor de potencia y la
demanda; pero no les da detalle de la forma y momentos
en que la energía fue consumida.
Es frecuente que el usuario final no tenga información detallada sobre el uso de la energía que consume, cómo, ni cuándo la consume, ni si sus instalaciones son eficientes o no; y cuando quiere aplicar acciones correctivas para disminuir el consumo y la facturación no tiene información que le ayude a tomar decisiones acertadas para tener un mayor ahorro en los gastos del consumo de energía eléctrica.
El término de submedición de energía eléctrica se refiere a la medición de consumo y de parámetros eléctricos que es posterior a la que realizan los medidores de facturación de las empresas de electricidad y se efectúa típicamente en el interior de las instalaciones eléctricas del consumidor final.
Es frecuente que el usuario final no tenga información detallada sobre el uso de la energía que consume, cómo, ni cuándo la consume, ni si sus instalaciones son eficientes o no; y cuando quiere aplicar acciones correctivas para disminuir el consumo y la facturación no tiene información que le ayude a tomar decisiones acertadas para tener un mayor ahorro en los gastos del consumo de energía eléctrica.
El término de submedición de energía eléctrica se refiere a la medición de consumo y de parámetros eléctricos que es posterior a la que realizan los medidores de facturación de las empresas de electricidad y se efectúa típicamente en el interior de las instalaciones eléctricas del consumidor final.
Contribución del INEEL
Contribución del INEEL
El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias
(INEEL) implementa y ha implementado diversos proyectos
de desarrollo tecnológico, relacionados con la mejora de
la eficiencia energética; alineado con ello, ha generado un
sistema de submedición de energía eléctrica integrado por
dispositivos electrónicos de submedición con comunicación inalámbrica, interfaces de comunicación inalámbricas
y el software de gestión y despliegue de datos que permite
monitorear las variables eléctrica en tiempo real, visualizar
el consumo eléctrico y generar informes relacionados al
tiempo de uso de la energía en instalaciones y cargas eléctricas
de los usuarios.
Sistema de submedición de energía
eléctrica del INEEL
eléctrica del INEEL
Sistema de submedición de energía eléctrica
del INEEL
del INEEL
La tecnología de submedición que el INEEL desarrolló es
un sistema integral que permite el registro y visualización
del patrón de consumo de instalaciones eléctricas de los
sectores residencial, comercial e industrial y en edificios
públicos y privados. Con el sistema, el usuario obtiene elementos
de análisis, basados en información real que le
pueden ayudar a decidir sobre la implantación de medidas
de mejora de la eficiencia energética a través de actividades
y proyectos asociados a programas de ahorro de energía.
Submedidores para el sector residencial
Submedidores para el sector residencial
El INEEL desarrolló submedidores de energía eléctrica con
aplicación en redes eléctricas monofásicas del sector residencial,
los cuales son de tres tipos: para acometida, contacto
móvil y embedded. Cada uno de ellos puede generar
información de consumo en diferentes puntos de una red
monofásica residencial como se muestra en la Figura 1;
cada submedidor, traduce los flujos eléctricos en el punto
de medición a datos digitales que transfiere de forma inalámbrica
hasta un dispositivo electrónico que los visualiza
gráficamente, tiene la capacidad de monitorear parámetros
eléctricos en tiempo real, registrar el consumo histórico,
detectar eventos relacionados con el servicio eléctrico
como sobrevoltajes, bajos voltajes y sobrecorriente y adicionalmente
los submedidores de contacto móvil y embedded
pueden encender o apagar remotamente el funcionamiento
del equipo que monitorean.
Los submedidores de acometida pueden instalarse como medidores espejo de los medidores de facturación, esto, para obtener los patrones de consumo general y concientizar a los usuarios sobre el uso y consumo racional de la energía eléctrica en el hogar.
Los submedidores de tipo contacto móvil, además de las capacidades ya mencionadas, permiten encender o apagar de forma programada cualquier aparato electrodoméstico que se le conecte, una ventaja de esto es la eliminación de los llamados vampiros eléctricos, que son equipos que aun apagados continúan consumiendo electricidad.
Los submedidores embedded, son equipos que pueden instalarse en el interior de aparatos monofásicos, como compresores de aires acondicionados, bombas de agua, motores, entre otros; el monitoreo de estos equipos permite identificar si se tiene un mayor consumo de acuerdo a lo especificado en su placa de datos; generan la información necesaria para poder analizar la conveniencia de cambio del equipo por otro de mayor eficiencia, o la necesidad de darle mantenimiento.
Los submedidores de acometida pueden instalarse como medidores espejo de los medidores de facturación, esto, para obtener los patrones de consumo general y concientizar a los usuarios sobre el uso y consumo racional de la energía eléctrica en el hogar.
Los submedidores de tipo contacto móvil, además de las capacidades ya mencionadas, permiten encender o apagar de forma programada cualquier aparato electrodoméstico que se le conecte, una ventaja de esto es la eliminación de los llamados vampiros eléctricos, que son equipos que aun apagados continúan consumiendo electricidad.
Los submedidores embedded, son equipos que pueden instalarse en el interior de aparatos monofásicos, como compresores de aires acondicionados, bombas de agua, motores, entre otros; el monitoreo de estos equipos permite identificar si se tiene un mayor consumo de acuerdo a lo especificado en su placa de datos; generan la información necesaria para poder analizar la conveniencia de cambio del equipo por otro de mayor eficiencia, o la necesidad de darle mantenimiento.
Figura 1. Tipos de submedidores del INEEL para el sector residencial.
Figura 1. Tipos de submedidores del INEEL para el sector residencial.
Submedidores para el sector industrial
Submedidores para el sector industrial
Los submedidores para el sector industrial son equipos que
pueden ser instalados en acometidas trifásicas de circuitos
generales, de edificios, en tableros eléctricos trifásicos, líneas de producción, chillers, hornos eléctricos, bombas
de agua, y en general en cualquier carga eléctrica industrial
(Figura 2); la información que genera puede contribuir en la
identificación de condiciones anómalas de operación del
circuito o carga eléctrica, en el control de la demanda, en
la indicación de aplicación de mantenimiento preventivo y
predictivo, y en general en la reducción de los gastos por
consumo de energía eléctrica.
Figura 2. Submedidor trifásico instalado en entorno industrial.
Figura 2. Submedidor trifásico instalado en entorno industrial.
Interfaces de comunicación y el software del
sistema
sistema
Interfaces de comunicación y el software del
sistema
sistema
En el sistema de submedición del INEEL, las interfaces de
comunicación son dispositivos electrónicos que permiten
el envío y recepción de datos de forma inalámbrica, realizan
la conversión de medios de comunicación para efectuar
el traslado remoto de datos y peticiones entre los dispositivos
de submedición y las aplicaciones de software,
las cuales pueden ejecutarse en equipos de cómputo directamente
en campo o remotamente en las oficinas de las
empresas, el esquema general de comunicación se muestra
en la Figura 3.
Figura 3. Esquema de operación del sistema.
Figura 3. Esquema de operación del sistema.
La interfaz USB/RF es un dispositivo electrónico que al
interconectarlo al puerto USB de una PC portátil, permite
la comunicación inalámbrica local punto-punto entre los
submedidores monofásicos y trifásicos con el software
de monitoreo y despliegue de datos SMED-SPC, el cual se
ejecuta en una PC portátil; esta interfaz simplifica la configuración
y el monitoreo de los submedidores y de forma
sencilla y directa permite obtener en tiempo real la información
que generan y registran.
La interfaz ETH/RF también es un dispositivo electrónico, se conecta a través de un cable de red, a la red de área local (LAN) y permite la comunicación inalámbrica remota en forma punto-multipunto entre los submedidores monofásicos y trifásicos con el software de monitoreo, despliegue y gestión de datos del sistema a través de internet.
El software que integra al Sistema de submedición consta de tres aplicaciones en general: una para interconectar submedidores e interfaces de monitoreo y despliegue de datos en forma local punto a punto, el segundo para monitorear en forma punto-multipunto y la tercera es una aplicación móvil para monitoreo punto-multipunto (Figura 4).
La interfaz ETH/RF también es un dispositivo electrónico, se conecta a través de un cable de red, a la red de área local (LAN) y permite la comunicación inalámbrica remota en forma punto-multipunto entre los submedidores monofásicos y trifásicos con el software de monitoreo, despliegue y gestión de datos del sistema a través de internet.
El software que integra al Sistema de submedición consta de tres aplicaciones en general: una para interconectar submedidores e interfaces de monitoreo y despliegue de datos en forma local punto a punto, el segundo para monitorear en forma punto-multipunto y la tercera es una aplicación móvil para monitoreo punto-multipunto (Figura 4).
Figura 4. Aplicaciones de software del sistema de submedición.
Figura 4. Aplicaciones de software del sistema de submedición.
El software para monitoreo punto-punto SMED-SPC es una
aplicación que se instala en una PC portátil y permite el
monitoreo en tiempo real, la descarga de los registros
almacenados en los submedidores, su configuración y la
visualización gráfica de datos.
El software para monitoreo punto-multipunto SMEDSISMED es un sistema integral que permite el monitoreo en tiempo real, la recolección automática de los perfiles de consumo además el monitoreo a través de Internet de los submedidores.
Y la aplicación móvil SMED-APP permite el monitoreo en tiempo real y visualización de perfiles históricos a través de internet mediante el servicio web del sistema de submedición.
El software para monitoreo punto-multipunto SMEDSISMED es un sistema integral que permite el monitoreo en tiempo real, la recolección automática de los perfiles de consumo además el monitoreo a través de Internet de los submedidores.
Y la aplicación móvil SMED-APP permite el monitoreo en tiempo real y visualización de perfiles históricos a través de internet mediante el servicio web del sistema de submedición.
Pruebas y resultados del sistema
Pruebas y resultados del sistema
El sistema y cada uno de sus elementos fue probado con
éxito, primeramente en laboratorio y posteriormente en
proyectos demostrativos en ambiente de operación real en
las instalaciones eléctricas del propio INEEL; se han monitoreado
las acometidas de las subestaciones eléctricas,
múltiples edificios de distinto tamaño y consumo, elevadores,
laboratorios de diverso tipo, bombas de agua, salas
con aire acondicionado de distinta capacidad. Se ha efectuado
la cuantificación puntual del consumo de máquinas
expendedoras de productos diversos como refresco y golosinas
y de circuitos de interés para estudios de consumo
en el INEEL.
Con el sistema y sus elementos se ha apoyado a proyectos internos y externos del INEEL, monitoreando variables eléctricas y consumo de transformadores como es el caso de los proyectos de ?Evaluación del éster VG-100 en transformadores, bajo condiciones de arranque en frío? y de ?Evaluación dieléctrica y arranque en frío de fluido VG100 mejorado?. También se han monitoreando parámetros eléctricos y perfiles de consumo de energía eléctrica en proyectos demostrativos de Bombas de Calor Geotérmico que el INEEL realiza en los Humeros, Puebla, en el propio INEEL y también se monitoreo un sistema de aire acondicionado tipo Chiller, que opera en la Universidad Politécnica de Baja California (UPBC), en la Ciudad de Mexicali, Baja California.
El sistema ha sido probado en instalaciones eléctricas externas al INEEL; por ejemplo, en Laboratorios del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), se ha empleado para determinar el consumo energético de componentes eléctricos de los sistemas de tratamiento de agua. Se probó en edificios privados en la Ciudad de México, y en entornos industriales en plantas productivas en Monterrey, Nuevo León y en el estado de Morelos, comprobándose en todos los casos su capacidad para generar información de utilidad para los usuarios del servicio eléctrico. Se utilizó para el monitoreo del consumo de energía eléctrica de sistemas de aire acondicionado para uso residencial, tipo minisplit, para propósitos de contraste de equipos fabricados con tecnologías Inverter y On-Off. El proyecto demostrativo fue liderado por la empresa japonesa de aires acondicionados DAIKIN INDUSTRIES, LTD. y la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) con el apoyo de la Agencia Internacional de Cooperación del Japón (JICA); se instalaron equipos en cinco Sedes de la República Mexicana con distinto entorno climático.
Se aplicaron pruebas de norma al prototipo del submedidor trifásico, en los Laboratorios de Metrología, Mecánica, Protecciones y Comunicaciones del LAPEM, con resultados satisfactorios. En relación con la propiedad intelectual de los productos resultantes del proyecto, el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI) le ha otorgado al INEEL patentes de los dispositivos electrónicos del sistema y el Instituto Nacional del Derecho de Autor (INDAUTOR) los certificados correspondientes a los programas de cómputo de los dispositivos y de las aplicaciones de software.
Con el sistema y sus elementos se ha apoyado a proyectos internos y externos del INEEL, monitoreando variables eléctricas y consumo de transformadores como es el caso de los proyectos de ?Evaluación del éster VG-100 en transformadores, bajo condiciones de arranque en frío? y de ?Evaluación dieléctrica y arranque en frío de fluido VG100 mejorado?. También se han monitoreando parámetros eléctricos y perfiles de consumo de energía eléctrica en proyectos demostrativos de Bombas de Calor Geotérmico que el INEEL realiza en los Humeros, Puebla, en el propio INEEL y también se monitoreo un sistema de aire acondicionado tipo Chiller, que opera en la Universidad Politécnica de Baja California (UPBC), en la Ciudad de Mexicali, Baja California.
El sistema ha sido probado en instalaciones eléctricas externas al INEEL; por ejemplo, en Laboratorios del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), se ha empleado para determinar el consumo energético de componentes eléctricos de los sistemas de tratamiento de agua. Se probó en edificios privados en la Ciudad de México, y en entornos industriales en plantas productivas en Monterrey, Nuevo León y en el estado de Morelos, comprobándose en todos los casos su capacidad para generar información de utilidad para los usuarios del servicio eléctrico. Se utilizó para el monitoreo del consumo de energía eléctrica de sistemas de aire acondicionado para uso residencial, tipo minisplit, para propósitos de contraste de equipos fabricados con tecnologías Inverter y On-Off. El proyecto demostrativo fue liderado por la empresa japonesa de aires acondicionados DAIKIN INDUSTRIES, LTD. y la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) con el apoyo de la Agencia Internacional de Cooperación del Japón (JICA); se instalaron equipos en cinco Sedes de la República Mexicana con distinto entorno climático.
Se aplicaron pruebas de norma al prototipo del submedidor trifásico, en los Laboratorios de Metrología, Mecánica, Protecciones y Comunicaciones del LAPEM, con resultados satisfactorios. En relación con la propiedad intelectual de los productos resultantes del proyecto, el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI) le ha otorgado al INEEL patentes de los dispositivos electrónicos del sistema y el Instituto Nacional del Derecho de Autor (INDAUTOR) los certificados correspondientes a los programas de cómputo de los dispositivos y de las aplicaciones de software.
Conclusiones
Conclusiones
Es relevante observar que, con la ejecución de proyectos de
esta naturaleza, el personal del INEEL incrementó su conocimiento
y sus capacidades tecnológicas, particularmente
en los campos de medición de energía eléctrica, comunicaciones
y software especializado para dispositivos móviles
y entornos web. Lo anterior le permite abordar con mayor
eficacia proyectos de naturaleza similar y de otros campos,
como la automatización, seguridad, alarmas y supervisión de
equipos e instalaciones, entre otros. En el proyecto colaboraron
ingenieros de reciente egreso contratados como personal
de honorarios y becarios, con ello el INEEL contribuye
activamente en la formación de recursos humanos especializados
en temas relacionados con la eficiencia energética.
En resumen, la tecnología del sistema de submedición desarrollada por el INEEL es una herramienta competitiva, versátil, modular y escalable, que está preparada para operar en ambiente de Red Eléctrica Inteligente. Esta herramienta genera información con la cual el usuario puede tener elementos de análisis para instrumentar acciones relacionadas con el ahorro de energía y con la mejora energética de sus instalaciones eléctricas; con ello, se contribuye al incremento en la productividad en el sector industrial y a la protección del medio ambiente en general, coadyuvando a la reducción de emisiones contaminantes y a la reducción de la huella de carbono de las instalaciones.
Los resultados del proyecto y el potencial de aplicación del sistema de submedición atrajeron la atención de la empresa morelense de base tecnológica y de servicios "A3E Ingenieros Especialistas en Energía Eléctrica SA de CV", que realiza proyectos de ahorro de energía, análisis eléctricos, pruebas de equipos y obras eléctricas entre otros; iniciándose a partir de ello una negociación con el INEEL para fabricar y comercializar el sistema y sus elementos. Producto de lo anterior, el INEEL y la empresa A3E Ingenieros, formalizaron el 12 de diciembre de 2019 un acuerdo a través de un Contrato de Licenciamiento, Uso de la Tecnología y Asistencia Técnica para la fabricación y comercialización de la tecnología de submedición. Con esto, el INEEL cumple uno de los objetivos para el que fue creado, contribuir en la formación de especialistas e investigadores en el área de la industria eléctrica e industrias afines, así como el patentar y licenciar las tecnologías desarrolladas al sector productivo para contribuir al crecimiento de la economía y de la sociedad.
En resumen, la tecnología del sistema de submedición desarrollada por el INEEL es una herramienta competitiva, versátil, modular y escalable, que está preparada para operar en ambiente de Red Eléctrica Inteligente. Esta herramienta genera información con la cual el usuario puede tener elementos de análisis para instrumentar acciones relacionadas con el ahorro de energía y con la mejora energética de sus instalaciones eléctricas; con ello, se contribuye al incremento en la productividad en el sector industrial y a la protección del medio ambiente en general, coadyuvando a la reducción de emisiones contaminantes y a la reducción de la huella de carbono de las instalaciones.
Los resultados del proyecto y el potencial de aplicación del sistema de submedición atrajeron la atención de la empresa morelense de base tecnológica y de servicios "A3E Ingenieros Especialistas en Energía Eléctrica SA de CV", que realiza proyectos de ahorro de energía, análisis eléctricos, pruebas de equipos y obras eléctricas entre otros; iniciándose a partir de ello una negociación con el INEEL para fabricar y comercializar el sistema y sus elementos. Producto de lo anterior, el INEEL y la empresa A3E Ingenieros, formalizaron el 12 de diciembre de 2019 un acuerdo a través de un Contrato de Licenciamiento, Uso de la Tecnología y Asistencia Técnica para la fabricación y comercialización de la tecnología de submedición. Con esto, el INEEL cumple uno de los objetivos para el que fue creado, contribuir en la formación de especialistas e investigadores en el área de la industria eléctrica e industrias afines, así como el patentar y licenciar las tecnologías desarrolladas al sector productivo para contribuir al crecimiento de la economía y de la sociedad.
Autores:
José Martín Gómez López, jmgomez@ineel.mx
Agustín Javier Antúnez Estrada, javier.antunez@ineel.mx
Roberto Castán Luna, rcastan@ineel.mx
José Martín Gómez López, jmgomez@ineel.mx
Agustín Javier Antúnez Estrada, javier.antunez@ineel.mx
Roberto Castán Luna, rcastan@ineel.mx
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