Modelado y simulación de la distribución de energía eléctrica en sistemas genéricos consistentes en diversas fuentes y múltiples modos de transmisiónOptimización del uso de las fuentes con criterios de sostenibilidad

Resumen

Esta investigación aborda el problema de la distribución eléctrica en sistemas genéricos compuestos por varias fuentes de energía (hidroeléctrica, eólica, solar, etc.), múltiples medios de transmisión (líneas de transmisión, medios de almacenamiento, convertidores, etc.) y varios centros de consumo (edificios, viviendas, lavadoras, portátiles, teléfonos móviles, etc.), concretamente, haciendo uso de criterios sostenibles que aprovechen las bondades de las fuentes de energía renovables. Los aspectos de universalidad y de escalabilidad requieren especial atención en los problemas de distribución eléctrica, precisamente, por su falta de linealidad inherente. De ahí la relevancia del recurso al rigor formal y a la coherencia metodológica para alcanzar propuestas compatibles con la condición fuertemente aplicada de los problemas de esta naturaleza. La propuesta se concreta, por tanto, en una solución que, partiendo del modelado formal de los sistemas eléctricos, proporciona sucesivos niveles de verificación empírica, desde la simulación sobre prototipos de tecnología software hasta la potencial experimentación mediante prototipos electrónicos, los cuales tendrá sentido validar bajo demanda debido a su coste. Específicamente, los objetivos planteados en la investigación son: proponer un modelo formal de sistema eléctrico capaz utilizarse sistemáticamente en la obtención de soluciones arquitecturales en problemas pertenecientes a diversos ámbitos, contextos o niveles de abstracción; especificar y diseñar una estrategia de gestión eléctrica integrable en el modelo, que optimice la distribución de la electricidad en función de los requerimientos y que permita gestionar cargas con el objetivo de preservar el medio ambiente y garantizar la sostenibilidad energética mediante el fomento de fuentes de energía renovables; diseñar y desarrollar un prototipo de entorno de ayuda al diseño de redes y sistemas eléctricos que facilite la validación del modelo y las estrategias de gestión gracias a las ventajas de la inserción de una etapa de simulación previa a la de prototipado. La revisión del estado del arte aborda las técnicas de distribución de electricidad, modelos de sistemas multiagente y las metodologías de desarrollo de sistemas multiagente. A la hora de aplicar los sistemas de gestión de la distribución eléctrica, se distinguen diversos contextos: redes de transporte y distribución, barrios, edificios, viviendas, vehículos, robótica móvil, dispositivos electrónicos ubicados y portables. Los sistemas de gestión de la distribución eléctrica están diseñados y desarrollados de acuerdo a las características concretas del sistema a gestionar. Esto conlleva que las estrategias de gestión se definan de forma particular para cada caso y, generalmente, se caracterizan por la falta de dinamismo. Además, la falta de compatibilidad entre sistemas de gestión de la distribución a distintos niveles limita la coordinación entre ellos. La capacidad de cómputo es uno de los factores que gana relevancia en función de la talla del problema, ya que las alternativas de distribución crecen de forma exponencial con el número de nodos. La utilización de sistemas multiagente tanto en la etapa de modelado como en la de desarrollo permite plasmar las características comunes en el modelo de sistema multiagente para la gestión de la distribución eléctrica que pueda ser empleado independientemente del contexto de aplicación. Los modelos de sistemas multiagente no permiten diseñar agentes recursivos, entendiendo agentes recursivos como aquellos que son capaces de contener a otro sistema multiagente. Existe una amplia diversidad de metodologías para el desarrollo de sistemas multiagente pero ninguna de ellas ha alcanzado un alto grado de utilización como para convertirse en un estándar de facto. Esto se debe, en parte, a la falta de una definición universal de agente o sistema multiagente, y que además se ve acentuado por los diversos tipos de arquitecturas de agentes, los frameworks para el desarrollo de sistemas multiagente y la gran variedad de contextos de aplicación que determinan la idoneidad de unas metodologías sobre otras. La propuesta de solución del problema de la gestión de la distribución eléctrica en diversos contextos está en consonancia con el paradigma de arquitecturas dirigidas por modelos y hace uso de sistemas multiagente tanto para el modelado como para el desarrollo y la construcción de prototipos. Se ha propuesto un modelo formal de sistema multiagente recursivo y se ha particularizado para el framework JADE, dando como resultado una librería java, fdSMADE, que permite crear instancias de las clases de agentes definidos en el modelo y ejecutar dichos agentes sobre el framework JADE. Con el fin de facilitar el diseño de los sistemas multiagente a partir de él, se ha desarrollado, de forma independiente, el entorno de prototipado denominado pSMADE. Permite diseñar y configurar el sistema multiagente para el sistema eléctrico concreto a gestionar, estableciendo los criterios de optimización deseados. Gracias a la simulación tanto de la generación como del consumo, se puede evaluar la bondad de la distribución eléctrica obtenida y realizar los cambios pertinentes. El desacoplamiento entre modelo, framework de agentes y entorno de prototipado permite utilizar un único entorno de prototipado para crear de forma automatizada los sistemas multiagente para cada uno de los frameworks de agentes que den soporte al modelo de agentes. Para ellos, se requiere portar el modelo formal a cada uno de los frameworks que se quieran utilizar. En este trabajo únicamente se ha realizado con JADE. Las clases de agentes que componen el modelo formal se pueden agrupar en aquellos que manipulan electricidad y los que proporcionan servicios. El subgrupo de agentes que manipulan electricidad está compuesto por: agente fuente de energía eléctrica, F, que representa a todos los agentes que únicamente son capaces de suministrar electricidad; agente centro de consumo de energía eléctrica, C, que representa a todos los agentes que requieren electricidad para realizar su cometido; clase agente transpondedor de energía, T, representa a todos los agentes que son capaces de recibir y/o suministrar, almacenar o transportar energía eléctrica, pudiendo llegar a alterar alguna de las magnitudes eléctricas. Por su parte, el subgrupo de agentes que proporcionan servicios está formado por: agente búsqueda de agentes, BA; agente interfaz de usuario, IU; agente de optimización global, OG; agente de simulación de potencia, SP; y agente de predicción meteorológica, PM. La técnica propuesta para distribuir de forma optimizada la energía se diferencia de las soluciones ya existentes principalmente en que aúna las ventajas de la computación distribuida y centralizada. Además, es capaz de gestionar cargas, con el fin de reducir el consumo energético de los agentes de tipo C que sean capaces de deshabilitar funcionalidades que no sean críticas. La optimización de la distribución eléctrica basada en el modelo de sistema multiagente se descompone en dos fases: local y global. La primera, totalmente distribuida, establece el intercambio de mensajes dando lugar al conjunto de interacciones que permiten elegir a los mejores agentes para proporcionar suministro eléctrico y el conjunto de interacciones que permiten gestionar la carga, solicitando que se reduzca el consumo ante potenciales situaciones críticas. En cambio, la fase de optimización global, que es centralizada, parte de la solución anterior e intenta mejorarla buscando caminos alternativos considerando el sistema completo. La optimización global se realiza de forma acotada en el tiempo, por lo que se buscan soluciones mejores mientras haya tiempo disponible. La experimentación realizada ha permitido validar tanto el modelo como las estrategias de distribución eléctrica en dos casos de estudio bien diferenciados. Una red de distribución metropolitana y un computador portátil dotado de un cargador solar y batería. La elección de los escenarios antagónicos ha permitido comprobar la viabilidad de la propuesta para adaptarse a dichos contextos. La aportación global de este trabajo es la generalidad del modelo formal de sistema eléctrico y de las estrategias de gestión parametrizadas que permiten obtener sistemas de gestión de la distribución particulares para un problema concreto. En consecuencia, esta investigación abre una línea metodológica e instrumental para la obtención de soluciones al problema de la distribución eléctrica a todos los niveles, desde las redes de alta energía, hasta el microabastecimiento que requieren los dispositivos ¿wearable¿, desde las sencillas redes con fuente única de suministro, hasta las configuraciones híbridas multifrecuenciales e incluso multimedia (coexistencia de transporte de energía con datos e información de control).