El mundo real en el que vivimos es primordialmente analógico, es decir, que puede representarse mediante variables continuas, aunque de diferentes intensidades o valores; por ejemplo, el agua que fluye en un río, el sonido, los olores, los colores o las hojas de un árbol, todos estos casos son elementos que tienen una existencia "continua en el tiempo".

En la naturaleza es un poco más complicado identificar elementos o fenómenos digitales, aunque si existen; por ejemplo, la iluminación en un cuarto cerrado es digital, en el sentido de que la luz de los focos solamente puede estar "encendida" o "apagada"; el perfume de una persona puede ser "agradable" o "desagradable"; una persona puede "llegar" o "faltar" a una cita; en una escuela las personas tienen roles bien definidos, por mencionar algunos, alumno, maestro, directivo, administrador, entre otros. Es decir, en el sentido estricto, un fenómeno digital implica que en un instante específico, solamente se puede tener un solo estado bien definido y no es aceptable tener una combinación o valor intermedio de dos o más valores o estados, por ejemplo, un auto no puede "estar" y "no estar" en un lugar, en un instante.

La siguiente figura muestra, como ejemplo, una gráfica de la onda de la señal eléctrica que está presente en cada tomacorriente de los hogares, la línea continua en color rojo es la vista en modo analógico (con valores continuos y variables en el tiempo) y las columnas azules es la vista en modo digital (con valores en "saltitos" o valores digitales en el tiempo).

El término digitalización se refiere al proceso de transformar información analógica del mundo real a información binaria o digital, la cual es legible fácilmente por las computadoras modernas; por ejemplo, digitalizar una foto en papel significa que mediante un dispositivo electrónico (en este caso un escáner o una cámara digital), se tomará la información contenida en el papel (información analógica) y se procesará mediante tecnologías de la información para convertirla en miles o millones de secuencias de unos (1's) y ceros (0's), información digital en formato binario (solamente dos posibles valores, 1 o 0), lo que permitirá que una computadora la pueda procesar ágilmente para mostrarla en una pantalla o enviarla por correo electrónico o mensaje de WhatsApp.

En este sentido, la digitalización industrial se refiere al proceso de modernización que se está aplicando a la industria en general y a la industria eléctrica en particular. Una serie de procesos de transformación se están aplicando, basados principalmente en dos tendencias internacionales:

 El Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT, por sus siglas en inglés) se refiere a la capacidad de interconexión digital de objetos cotidianos con la red Internet y, por lo tanto, la interconexión de diversos objetos unos con otros y con personas. En el hogar, los objetos pueden ser teléfonos celulares, refrigeradores, lámparas, televisiones, entre otros; en las centrales de generación eléctrica los objetos serán medidores, equipos de control, válvulas y motores, por mencionar algunos; en la industria, la aplicación de IoT se conoce como el Internet Industrial de las Cosas (IIoT).

 La Industria 4.0, o la denominada "Cuarta Revolución Industrial", es la forma de referirse a una cuarta etapa de la evolución técnica y económica de la humanidad, contando a partir de la Primera Revolución Industrial (mediados del siglo XVIII). En esta cuarta etapa, la inteligencia artificial (IA) es un elemento primordial de la transformación y está altamente relacionada con la capacidad cada vez más extensa de adquirir y procesar grandes cantidades de datos (Big data), así como la interconexión masiva de sistemas y dispositivos digitales.

Las centrales hidroeléctricas son instalaciones industriales en las que se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica a través de una serie de equipos, sistemas y dispositivos. Son el resultado de la evolución de los molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para transformar y utilizar la energía de una forma práctica. Las hay de diversos tamaños, desde unos pocos cientos de Watts (que pueden suministrar energía a unos 10 hogares), hasta las enormes instalaciones de millones de Watts (que pueden abastecer ciudades enteras).

Los procesos de control de las unidades de generación hidroeléctrica son complejos, pues se requiere considerar una gran cantidad de variables internas (presión, temperatura, velocidad, niveles, etc.), así como variables externas (probabilidad de lluvias, intensidad de las lluvias, flujo de los ríos, demanda de energía, etc.), además de algunas variables de otras centrales hidroeléctricas que estén ubicadas en el mismo río o caudales de agua para una coordinación hídrica que permita prevenir la sobrecarga de las presas y posibles inundaciones.

Para coordinar adecuadamente los procesos de generación de energía eléctrica, los operadores de las centrales hidroeléctricas deben conocer el estado en el que se encuentran todos los procesos internos y externos, para lo cual es absolutamente necesario contar con dispositivos y equipos de medición y control interconectados, de forma que se tenga disponible toda la información dentro de los cuartos de control y se pueda enviar la información necesaria a otros centros de control regionales para la coordinación entre diferentes centrales de generación; esto se logra actualmente mediante la aplicación de las tecnologías incorporadas mediante el Internet Industrial de las Cosas y de las tecnologías relacionada con la Industria 4.0.

La instalación de sistemas de protección en las centrales hidroeléctricas es necesaria para evitar el daño o incluso la eventual destrucción de equipos o instalaciones, ya que una falla incipiente que no sea detectada puede extenderse sin control en forma encadenada. Los sistemas de protección deben aislar la parte donde se ha producido la falla, buscando perturbar lo menos posible la operación de la central, limitar el daño al equipo averiado, minimizar la posibilidad de un incendio, minimizar el peligro para las personas y minimizar el riesgo de daños a equipos adyacentes.

Los sistemas de protección de las centrales hidroeléctricas se componen generalmente de los siguientes elementos:

Elementos de medición. Permiten conocer en qué estado está la central; en esta categoría se clasifican los transformadores de corriente y los transformadores de voltaje, estos equipos son una interfaz entre el sistema eléctrico de potencia y los equipos de protección.

Relés de protección o relevadores. Establecen señales que ordenan automáticamente la ejecución de acciones de protección en caso de falla; son la parte principal del sistema de protección ya que contienen la lógica de operación y secuencia que deben seguir los interruptores. Estos equipos se comunican con el sistema eléctrico de potencia por medio de los elementos de medición y establecen las órdenes para operar los dispositivos principales, tales como interruptores, reconectadores y otros.

Interruptores. Realizan la conexión o desconexión física de las redes eléctricas, son gobernados o controlados por los relés y operan directamente el sistema eléctrico de potencia.

Sistema de alimentación del sistema de protecciones. Se recomienda alimentar la energía eléctrica a los interruptores y relés del sistema de protecciones mediante un sistema de energía eléctrica independiente del sistema protegido, esto con el fin de garantizar la autonomía y continuidad en la operación de los equipos; de esta forma, los interruptores y relés pueden efectuar su trabajo sin interferencias o dependencias del sistema eléctrico de potencia.

Sistema de comunicaciones. Permite conocer remotamente el estado de los interruptores y relés, así como realizar operaciones y comandos, o bien, analizar el estado del sistema eléctrico de potencia. Existen varios sistemas de comunicación. Algunos de estos son: Nivel 0. Sistema de comunicaciones para operación y control en sitio. Nivel 1. Sistema de comunicaciones para operación y control en cercanías del sitio. Nivel 2. Sistema de comunicaciones para operación y control desde el centro de control local. Nivel 3. Sistema de comunicaciones para operación y control desde centros de control nacional.

Sistema de información en tiempo real. Permite la interacción local y remota de los usuarios de operación y control de la central hidroeléctrica con los sistemas de protección y elementos que lo conforman.

Considerando lo anterior, es posible la supervisión remota de las centrales hidroeléctricas que cuentan con sistemas de protecciones con tecnología basada en microprocesadores y con sistemas de comunicaciones que permiten el enlace de las aplicaciones remotas, por medio de redes informáticas, para obtener información en tiempo real en el lugar que sea necesario.

La información que se obtiene de las centrales hidroeléctricas en tiempo real se puede almacenar en Bases de Datos, y mediante aplicaciones Web o móviles, los usuarios remotos se conectarán para monitorear la información en tiempo real o en histórico, usando despliegues, gráficas, tablas, reportes, diagramas, entre otros elementos informáticos.

El INEEL ha desarrollado una serie de aplicaciones informáticas en el contexto de digitalización de las centrales hidroeléctricas, aplicando tecnología de la Industria 4.0 y aprovechando todos los elementos de los sistemas de protección de las propias centrales.

Actualmente se cuenta con sistemas de información Web que automatizan los procesos de recopilación y análisis de información, lo que permite mantener informados a los usuarios sobre la ocurrencia de eventos en las centrales, todo de manera remota y con acceso desde cualquier dispositivo conectado a la red de comunicaciones, con el objetivo principal de apoyar en la oportuna toma de decisiones.

Autores:
Javier Moreno Román, jmoreno@ineel.mx
María Antonieta Solano Cuadros, masolano@ineel.mx
Alfredo Espinosa Reza, aer@ineel.mx