Confiabilidad de los sistemas de alumbrado público en el contexto de la Smart Grid

Abstract

El aumento de la confiabilidad de la red de alumbrado público pasa por dotarla de una conciencia propia que le permita conocer su estado, con una información fiable y el tiempo real por medio de una red de comunicación bidireccional que integre una infraestructura de medición avanzada (AMI) y la incorporación de dispositivos de proceso independientes capaces de comunicarse y cooperar entre si a fin de conformar una plataforma de computación distribuida. Estas características están plenamente recogidas en las claves tecnológicas de la Smart Grid y que son: Comunicaciones integradas en la red de distribución. Métodos de control avanzados. Sensores, medidores e instrumentos. Elementos avanzados en la red de distribución. Soporte de decisiones de operador e interfaces hombre-máquina. La incorporación de estas claves en el servicio público de alumbrado permitiría actualizar una tecnología que, en la actualidad, es ineficiente tanto en la gestión como en el consumo. Diversos estudios estiman un potencial de ahorro de hasta un 20% sólo interviniendo en la gestión del servicio y de hasta un 50% con una renovación tecnológica. Dos de los factores que, por tanto, más afectan a una instalación de alumbrado son la regulación del control de flujo luminoso y el mantenimiento de las condiciones de servicio, aumentando la inmunidad contra eventos de tensión y maximizando la vida útil de los elementos de alumbrado. Esta tesis propone la actuación sobre dos de los bloques funcionales que conforman una unidad de punto de luz de una instalación de alumbrado. En concreto la interfaz de iniciación de usuario y el control de energía. Sobre el primer bloque, mediante una interfaz integrable en el balasto de la lámpara que permita su telegestión (control de nivel luminoso, optimización de los ciclos de alumbrado conforme a la norma vigente y a criterios de eficiencia) y la obtención de un conjunto de datos útiles sobre su funcionamiento que faciliten la gestión del mantenimiento en particular y del servicio completo en general. En el segundo bloque se propone la mejora de la inmunidad frente a las variaciones en el valor de la tensión de alimentación de la red de suministro evitando que éstas afecten a la continuidad del servicio y a las condiciones de funcionamiento del balasto, al menos de un conjunto de eventos cuya característica de severidad y duración no contempla la norma actual de ensayo de susceptibilidad (IEC/EN 61000-4-11). Y todas estas soluciones enmarcadas en el cumplimiento de la normativa vigente, para lo que se propone un sistema de ensayo semiautomático de verificación y precertificación. 2. Contenido de la investigación Las acciones de investigación y desarrollo se han focalizado sobre las tres facetas descritas en el apartado anterior. Tras un análisis pormenorizado de las opciones tecnológicas para la construcción de un sistema de telegestión, recogiendo las alternativas topológicas, los diferentes medios físicos y de protocolo de comunicaciones tanto estándares como específicos para el control de iluminación, se opta por la construcción de una red inalámbrica en árbol bajo el estándar 802.15.4 para la comunicación de órdenes a los balastos que componen el sistema de alumbrado y para la recopilación de la información de funcionamiento de cada uno de ellos siguiendo el protocolo DALI¿ (IEC 62386). El avance tecnológico logrado es, por un lado, la eliminación de la barrera física del cableado que precisa el sistema DALI¿ entre el concentrador y cada uno de los balastos que dependen de él y, por el otro, la superación del número máximo de balastos que el actual DALI¿ puede gobernar. El módulo microcontrolado que gestiona la comunicación de cada balasto es un nodo de la red que se crea, que se comunica con sus vecinos y que transmite las órdenes aguas abajo y la información aguas arriba, desde y hacia el gateway que esta en la cabecera de la red. Cada nodo posee una dirección física que multiplica la capacidad de direccionamiento nativa de DALI¿ y su programación le confiere a la red la capacidad de reconfigurarse en caso de fallo de uno de los nodos. También se ha desarrollado una interfaz de usuario que permite controlar la estructura de comunicaciones creada, emitir órdenes de funcionamiento de forma individual o general y recibir la información de estado de todos y cada uno de los elementos de iluminación del sistema. Para la segunda faceta, después de recopilar las alternativas de construcción del bloque prerregulador de un balasto de iluminación, cuya función es acondicionar la tensión que recibe de la red para que el inversor alimente la lámpara y de regular la corriente consumida para que ésta esté en fase con la tensión a fin de maximizar el factor de potencia, se han propuesto dos soluciones para minimizar el impacto que los eventos de tensión (principalmente los huecos severos) producen sobre los balastos. La primera alternativa ha sido un regulador de cabecera basado en un diseño original de un troceador de CA que, en colaboración con un medidor rápido del valor eficaz de la tensión de entrada también original, ha demostrado tener la capacidad de afrontar variaciones de tensión de ±50% del valor nominal de la red. La segunda proposición ha sido un compensador de huecos severos (0% de la tensión nominal) construido a partir de un regulador flyback que realimenta el prerregulador, gestionado por el citado medidor de valor eficaz de la tensión de entrada, con la capacidad de sustentar la energía de entrada al balasto por encima de los 20 ms que la norma obliga; los ensayos muestran resultados esperanzadores que alargan la inmunidad a 70 ms sin que los valores de inhibición del circuito de control del balasto salgan de sus límites de funcionamiento normal ni se produzca reinicio del controlador. Para comprobar que las alternativas propuestas cumplen con la normativa exigible de emisión de interferencias electromagnéticas y de susceptibilidad a los eventos de tensión (IEC/EN 61000, partes 3-2 y 4-11) se ha desarrollado un gestor de instrumentos en LabView¿ que controla tanto los equipos de generación de perturbaciones como los instrumentos de medición y que permite realizar procedimientos de verificación y precertificación de dichas normas de forma semiautomática. Los distintos resultados de esta tesis han sido publicados en revistas y se han presentado en congresos, todos ellos de ámbito internacional. 3. Conclusión Los resultados obtenidos avalan el aumento de la confiabilidad de los sistemas de alumbrado público en el contexto de la Smart Grid: en particular sobre la telegestión del sistema y la mejora de la inmunidad frente a eventos de tensión, dotándolo de un sistema de comunicación robusto y aumentando su fiabilidad. Se ha probado la capacidad de configuración (y reconfiguración) del sistema inalámbrico de telegestión alcanzándose en los ensayos distancias de cobertura en entorno poca favorables (interior de edificios TIC con estructura metálica) lo que lo hace utilizable en interiores y exteriores. Se ha comprobado el correcto funcionamiento de la red de sensores integrada con los balastos y la comunicación bidireccional del sistema y el aumento de la capacidad de direccionamiento de nodos frente al DALI¿ original. Se ha probado que una combinación de los sistemas de compensación de eventos de tensión propuestos (además de cumplir con la normativa vigente) permiten operar a los sistemas de alumbrado en zonas declaradas en los actuales estándares de susceptibilidad como `Región prohibida¿ y `Región de interrupción de funcionamiento¿ sin alterar el régimen de control y regulación de la función principal del balasto. Se ha probado, además, la validez de los datos del medidor RMS propuesto mediante correlación con un equipo industrial de referencia y la respuesta dinámica más desfavorable capaz de detectar un evento límite en 6 ms. Y se ha comprobado en sistema semiautomático de verificación y precertificación de la norma IEC/EN 61000, partes 3-2 y 4-11, tanto en módulos de evaluación como en los prototipos propuestos con resultados satisfactorios. Todo ello permite afirmar que los resultados de este trabajo son válidos y tienen una fácil traslación a la industria, lo que se reafirma con el hecho de que han sido parte de sendos proyectos de I+D+i competitivos financiados por el Ministerio de Ciencia e Innovación y la Corporación Tecnológica de Andalucía.