Diseño de un sistema remoto de gestión energética

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN Tesis para optar al Título de Ingeniero de Sistemas y Computación. DISEÑO DE UN SISTEMA REMOTO DE GESTIÓN ENERGÉTICA. Presentado por DAVID LEONARDO BLANCO CHAPARRO Asesorado por JOSÉ ABASOLO, DOCTOR EN INFORMÁTICA. Universidad de los Andes Bogotá D.C., Colombia Enero 2007.

(2) a mis ángeles de la guardia Hugo Javier, Ana María, Patricia Julián y Carlos José.

(3) TABLA DE CONTENIDO. 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 7 1.1 1.2. 2. ENERGY POLICY ACT 2005 ...................................................................................................... 9 ANALOGÍA CON EL MERCADO DE LAS COMUNICACIONES CELULARES ................. 10. OBJETIVOS.......................................................................................................................................... 11 2.1 2.2. 3. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................... 11 OBJETIVOS ESPECÍFICOS..................................................................................................... 11. JUSTIFICACIÓN.................................................................................................................................. 12 3.1 ANÁLISIS DE LA EPACT........................................................................................................... 12 3.1.1 Precio de acuerdo al tiempo de Uso......................................................................................... 12 3.1.2 Precio de acuerdo a picos críticos ........................................................................................... 12 3.1.3 Precio de acuerdo a tiempo real .............................................................................................. 13 3.1.4 Créditos para el consumidor final............................................................................................ 13 3.2 CASO COLOMBIANO................................................................................................................ 14. 4. DESCRIPCIÓN DE SERVICIO ACTUAL......................................................................................... 15 4.1 4.2. 5. CLIENTES PARTICULARES .................................................................................................... 15 CLIENTE CORPORATIVO........................................................................................................ 16. ANÁLISIS DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS ............................................................................... 18 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.4.1 5.4.2. VOLTAJE ..................................................................................................................................... 20 Características Circunstanciales del Voltaje ........................................................................... 21 Características de Análisis del Voltaje..................................................................................... 22 Características de Comportamiento del Voltaje....................................................................... 22 CORRIENTE ............................................................................................................................... 22 Características Circunstanciales de Corriente ........................................................................ 23 Características de Análisis Corriente....................................................................................... 23 Características de Comportamiento de Corriente.................................................................... 23 FACTOR DE POTENCIA........................................................................................................... 24 Características Circunstanciales del Factor de Potencia ........................................................ 24 Características de Análisis del Factor de Potencia.................................................................. 24 Características de Comportamiento del Factor de Potencia ................................................... 24 POTENCIA ACTIVA ................................................................................................................... 25 Definición de Ciclo................................................................................................................... 27 Desviación del comportamiento normal................................................................................... 27. 5.4.2.1 5.4.2.2. Degradación ................................................................................................................................. 27 Daño de Componentes............................................................................................................... 28. 5.4.3 Características circunstanciales de Potencia Activa ............................................................... 31 5.4.4 Características de Análisis de Potencia Activa ........................................................................ 31 5.4.5 Características de Comportamiento de Potencia Activa.......................................................... 31 5.5 POTENCIA REACTIVA.............................................................................................................. 31 5.5.1 Características circunstanciales de Potencia Reactiva............................................................ 32 5.5.2 Características de Análisis de Potencia Reactiva .................................................................... 32 5.5.3 Características de Comportamiento de Potencia Reactiva ...................................................... 32 5.6 CONSUMO .................................................................................................................................. 33 5.6.1 Características circunstanciales de Consumo.......................................................................... 35 5.6.2 Características de Análisis de Consumo .................................................................................. 36 5.6.3 Características de Comportamiento de Consumo .................................................................... 36 6. DISEÑO DE BODEGA DE DATOS .................................................................................................. 37.

(4) 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.3.7 6.4 7. SELECCIÓN DEL PROCESO DEL NEGOCIO ...................................................................... 37 LA UNIDAD BÁSICA .................................................................................................................. 38 DIMENSIONES ESCOGIDAS .................................................................................................. 39 Características físicas y eléctricas ........................................................................................... 39 Características de Calendario................................................................................................. 39 Características de Día.............................................................................................................. 40 Características de Equipo de Medición.................................................................................... 40 Características de Costos ......................................................................................................... 41 Características Geográficas..................................................................................................... 41 Características de Análisis ....................................................................................................... 41 TABLAS DE HECHOS ............................................................................................................... 42. IMPLEMENTACIÓN ............................................................................................................................ 43 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.3 7.3.1 7.3.2 7.4. DIAGRAMA ENTIDAD-RELACIÓN.......................................................................................... 44 FUENTE DE DATOS.................................................................................................................. 45 Calendario y Día ...................................................................................................................... 45 Fuentes de datos Experimentales USA ..................................................................................... 47 Fuentes de datos Experimentales Colombia............................................................................. 47 EXTRACCIÓN, TRANSFORMACIÓN Y CARGA .................................................................. 48 Almacenamiento Local ............................................................................................................. 49 Paquete de Integración............................................................................................................. 49 ANÁLISIS DE DATOS OLAP .................................................................................................... 51. 8. ORIENTACIÓN DE TRABAJO HACIA FUTURO .......................................................................... 54. 9. CONCLUSIONES ................................................................................................................................ 55. 10. BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................................... 56 10.1 10.2. 11. LIBROS CONSULTADOS ......................................................................................................... 56 ARTÍCULOS/TESIS CONSULTADOS .................................................................................... 57. AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................................... 58.

(5) TABLA DE ILUSTRACIONES GRÁFICAS Gráfica 1: Costo de Producción Energética en USA para el 2005 .............................. 9 Gráfica 2: Modelo “Time of Use Pricing”........................................................................ 12 Gráfica 3: Modelo “Critical Peak Pricing” ....................................................................... 12 Gráfica 4: Modelo “Real Time Pricing” ........................................................................... 13 Gráfica 5: Variación del Voltaje en Carrefour AutoSur ................................................ 16 Gráfica 6: Comportamiento cíclico de potencia en Puerto Miami.............................. 26 Gráfica 7 Comportamiento menos uniforme de la potencia para un hogar ............. 26 Gráfica 8: Funciones Máximo y Mínimo para la potencia ........................................... 28 Gráfica 9: Curvas de potencia definidas ........................................................................ 29 Gráfica 10: Curva Actual comparada con las funciones de potencia en el Puerto de Miami ................................................................................................................................... 30 Gráfica 11: Curva día Actual vs las curvas de potencia creadas para un hogar..... 30 Gráfica 12: Funciones kWH derivadas de las funciones de Potencia....................... 34 Gráfica 13: Consumo actual vs Calculados Puerto Miami.......................................... 34 Gráfica 14: Consumo Actual vs. Calculados, Hogar.................................................... 35 Gráfica 15 Suite de Trabajo de Management Studio, de MS SQL Server 2005 .................. 43 Gráfica 16: Suite de desarrollo Business Intelligence Studio de MS SQL Server 2005 ...... 43 Gráfica 17: Cubo de Servicios de Análisis: Bodega de Datos ................................... 51 Gráfica 18: Panel de trabajo de Servicio de Reportes ............................................... 52 Gráfica 19: Comportamiento de Consumo de energía para varios periodos de tiempo .................................................................................................................................. 53. FIGURAS Figura 1: Modelo General para una bodega de datos centrada en el consumidor, propuesto por Todman...................................................................................................... 18 Figura 2: Modelo para una bodega de datos centrada en análisis de variables ..... 19 Figura 3: Punto de medición ............................................................................................ 20 Figura 4: Relación General de Variables Energéticas................................................. 33 Figura 5: Modelos Posibles de Base de datos.............................................................. 38 Figura 6: Diseño Bodega de datos ................................................................................. 44 Figura 7: ETL de carga de información de Calendario y Día ..................................... 46 Figura 8: Ventana de transformación de tipos (Izq.) Ventana de Carga de datos (Der.) .................................................................................................................................... 46 Figura 9: Muestra de Tabla dimCalendario ................................................................... 47 Figura 10: Pinzas H8036 Marca Veris Industries ......................................................... 47 Figura 11: Conexión al contador de energía. Nótese el cable azul de comunicaciones ................................................................................................................. 48 Figura 12: Despliegue de datos en tiempo Real........................................................... 48 Figura 13 Extracción, transformación y Carga de los datos del logger Veris .......... 49 Figura 14: Columnas derivadas a partir de datos de otras columnas....................... 50.

(6) TABLAS Tabla 1 : Distribución de Fuentes Energéticas de USA para el 2005 ......................... 8 Tabla 1: Dimensiones Circunstanciales ......................................................................... 39 Tabla 2: Dimensión Calendario ....................................................................................... 40 Tabla 3: Dimensión del día............................................................................................... 40 Tabla 4: Dimensión de Equipo de Medición.................................................................. 40 Tabla 5: Tabla de Hechos de Costos ............................................................................. 41 Tabla 6: Dimensiones Geográficas................................................................................. 41 Tabla 7: Tablas de Hechos del diseño ........................................................................... 42.

(7) 1 INTRODUCCIÓN El 14 de Agosto de 2003, el mundo no salía de su asombro al enterarse de que cerca de 50 millones de personas en Estados Unidos, habían perdido el fluido energético, lo cual afectó todo el noreste del país y algunas regiones de Canadá durante aproximadamente dos días. Aún antes de acabar las investigaciones para establecer cuál había sido la causa del fenómeno, el 27 de Septiembre del mismo año, la totalidad de Italia continental y parte de Suiza quedaban a oscuras durante nueve horas, evento que colapsó el tránsito y los vuelos internacionales y afectó a más de 56 millones de personas. Somos dependientes de la energía eléctrica. Prácticamente toda la actividad humana diaria implica algún servicio cuya fuente de alimentación es la electricidad, desde los semáforos y sistemas hospitalarios hasta los computadores en los cuales escribimos. Sin embargo, es un recurso que se puede vender y, como tal, las empresas distribuidoras de energía se han preocupado más por maximizar la cobertura y el consumo de sus clientes que por hacer más eficientes los procesos energéticos. El colapso de USA y de Italia, además de mostrarnos la dependencia que tenemos de la electricidad, también es una advertencia de que el manejo que se le dé a la energía en el Siglo 21, debe ser un manejo conciente y maduro, preocupado por abastecer a la totalidad de las personas y por hacer más eficientes los procesos que involucra. Basta mirar los créditos que Codensa S.A. E.S.P otorga a los usuarios de Bogotá para la adquisición de electrodomésticos, o la sobreiluminación que afecta algunas de las vías principales de la ciudad (un ejemplo claro es la Avenida de las Américas, carriles de Transmilenio) y por el otro lado, ver en un mapa de Colombia la extensión de las zonas no interconectadas (ZNI), para darse cuenta que las políticas actuales deben cambiar o complementarse. En esta dirección, se ha dado un inicio, con el advenimiento de la preocupación ambiental y del control de emisiones a la atmósfera, para cambiar el concepto consumista de la sociedad por uno racional. En Colombia, se ha creado mediante la ley 697 de Octubre de 20011 el llamado “Uso Racional y Eficiente de la Energía”, que decreta en su artículo primero: “Artículo 1: Declárase el Uso Racional y Eficiente de la Energía (URE) como un asunto de interés social, público y de conveniencia nacional, fundamental para asegurar el abastecimiento energético pleno y oportuno, la competitividad de la economía colombiana, la protección al consumidor y la promoción del uso de energías no convencionales de manera sostenible con el medio ambiente y los recursos naturales.”. 1. http://www.minminas.gov.co/minminas/normatividad.nsf/0/982b0d657ab2f91205256e3200701069?OpenDoc ument. 7.

(8) En el norte del continente las cosas no son diferentes. Luego del apagón del 2003 -y mientras las compañías eléctricas de ambos países discutían encarecidamente sobre el origen de la falla y el gobierno estadounidense construía el plan para la ampliación de la infraestructura- muchas personas encontraron que el apagón era no solamente en una falla del suministro energético sino también una falla cultural, que expresaba un consumismo indiscriminado. Dale Steffes es uno de ellos. En su artículo del 30 de Octubre de 20032, de la revista Energy Pulse, Steffes sugiere que la solución se encuentra en darles a los consumidores información de consumo y de costo de la energía en el momento en que se necesita, en tiempo real, de tal forma que puedan ellos tomar decisiones encaminadas a hacer los procesos productivos más eficientes y, de paso, proteger al consumidor para que escoja el modelo que mejor le convenga. En un país como USA, en donde prácticamente la totalidad de la energía producida viene de fuentes altamente contaminantes y no renovables y donde el costo de producción ha ido en un visible aumento, es natural pensar en racionalizar el consumo energético.. Tabla 1 : Distribución de Fuentes Energéticas de USA para el 2005. 2 3. 3. http://www.energypulse.net/centers/article/article_display.cfm?a_id=525 http://www.eia.doe.gov/cneaf/electricity/epa/figes1.html. 8.

(9) Gráfica 1: Costo de Producción Energética en USA para el 2005. 1.1. 4. ENERGY POLICY ACT 2005. El anterior análisis llevó a que, a comienzos del 2006, se adoptara una nueva política energética para USA, a través del llamado Energy Policy Act 2005 (Epact2005). Ésta es una legislación pública, en la que se determinan los incentivos, penalidades y manejo que se le debe dar al recurso energético en todo el país. En particular, en la Sección 1252 del documento, se detallan las especificaciones para la implementación del servicio de Medición Inteligente, que debe estar funcionando a más tardar a mitad del año 2007, a cargo de las distribuidoras energéticas del país. El inciso 14 dice lo siguiente: ‘‘(14) TIME-BASED METERING AND COMMUNICATIONS.—(A) Not later than 18 months after the date of enactment of this paragraph, each electric utility shall offer each of its customer classes, and provide individual customers upon customer request, a time-based rate schedule under which the rate charged by the electric utility varies during different time periods and reflects the variance, if any, in the utility’s costs of generating and purchasing electricity at the wholesale level. The time-based rate schedule shall enable the electric consumer to manage energy use and cost through advanced metering and communications technology.”. Con esta norma, se establece el interés nacional en un mecanismo de medición inteligente. ¿Pero cómo se define esta medición inteligente?. 4. http://www.eia.doe.gov/cneaf/electricity/epa/figes3.html. 9.

(10) 1.2. ANALOGÍA CON EL MERCADO DE LAS COMUNICACIONES CELULARES. Se puede realizar una analogía con los mercados celulares, para entender un poco más lo que se pretende con el sistema de medición remoto. Las siguientes son características que deberían ser aplicables tanto al sector de las telecomunicaciones como al sector energético de distribución, teniendo como modelo un mercado abierto y competitivo: • • •. Se dispone de un número de oferentes del servicio mayor a 1, de tal forma que el cliente pueda seleccionar no sólo el que le dé una mejor tarifa, sino el que le dé un plus en el servicio. Existen varios modelos o planes de contratación, por ejemplo, Prepago y Postpago, cuenta controlada, etc. Existe la capacidad de retroalimentación por parte del oferente en cualquier instante de tiempo (Consulta de minutos consumidos o minutos restantes, entre otras).. Igualmente, existen características no comparables. En un sistema tal, un consumidor de energía también puede a su vez ser un exportador de energía si, al utilizar fuentes de energías renovables locales. Un ejemplo de lo anterior son los paneles solares, cuyo cliente al consumir menos energía de la que produce en ciertos instantes de tiempo, está produciendo un excedente que ingresa a la red eléctrica y al finalizar del periodo, el costo total de la energía para el cliente disminuye. Construir un sistema que sea capaz de soportar los modelos de negocio propuestos en el Epact2005, y que permita la reducción del consumo energético es un reto, no sólo en materia de electrónica y comunicaciones sino también en materia del desarrollo computacional involucrado, para el cual es necesario generar un sistema que sea capaz de soportar la gran cantidad de información proveniente de los clientes, y el extenso análisis que se debe realizar de la misma. DAVID BLANCO 2007. 10.

(11) 2. OBJETIVOS. 2.1. OBJETIVO GENERAL. El presente trabajo busca generar un modelo concreto para el análisis de variables eléctricas dentro del contexto de bodegas de datos de acuerdo a la metodología descrita por Kimball.. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • • • • • • •. Comprensión de las variables eléctricas de interés Generación del modelo detallado para cada una de éstas Integración con el modelo propuesto por Kimball Aprendizaje del paquete de bases de datos Microsoft SQL Server 2005 y Microsoft Business Intelligence Suite Extracción, transformación y Carga de información proveniente de pruebas piloto. Despliegue del modelo en el paquete Generación del Cubo de análisis a partir de la información recolectada.. 11.

(12) 3. JUSTIFICACIÓN. Partiendo de unas necesidades específicas concretas planteadas en el EPACT2006, se examina cada modelo de negocio planteado. Finalmente, se menciona la aplicabilidad en los países en vía de desarrollo.. 3.1. ANÁLISIS DE LA EPACT. El EPACT plantea unos casos de uso para la asignación de costo de la energía novedosos para los países en vía de desarrollo, que buscan proteger al consumidor y brindarle varias opciones de compra. 3.1.1 Precio de acuerdo al tiempo de Uso.. Precios kWH para el 2007 precio1 precio2. T. 1 año. Gráfica 2: Modelo “Time of Use Pricing”. En este escenario, el cliente sabe por adelantado cuánto será el costo de la energía para todo el año con un cambio máximo de una vez, permitiéndole preparar presupuestos para gastos energéticos o nuevas obras. 3.1.2 Precio de acuerdo a picos críticos Precios kWH para el 2007 Pico$ precio1 precio2. T. 1 año. Gráfica 3: Modelo “Critical Peak Pricing”. 12.

(13) Igual al caso anterior, excepto en unos días o picos especiales en todo el año. Estos picos pueden ser positivos o negativos, en el sentido de que cuando la demanda es baja, los precios también pueden bajar. Por el otro lado, si la demanda crece, pueden bajar aún más los precios a determinadas horas para atraer el consumo.. 3.1.3 Precio de acuerdo a tiempo real Precio kWH para el 2007 Pico$ precio1 Precio2. 1día. Gráfica 4: Modelo “Real Time Pricing”. Este escenario es el más complejo. El costo de la energía es manejado en bolsa, de tal manera que al igual que sucede con las acciones, se pueda comprar o vender energía a través del mercado. No obstante este tiempo real debe “cruzarse” con el consumo para poder facturar adecuadamente. Ya no sirve observar cuánto fue el consumo en un mes y multiplicar por un valor fijo: se hace necesario estar integrando constantemente estas dos variables para obtener un precio definitivo. Es necesario que el cliente tenga oportunidad de ver qué está sucediendo tanto con la energía que está comprando como con el consumo de su bien. Aunque a primera vista puede llegar a parecer absurdo estar observando el costo y demanda de los clientes para poder comprar la energía, en grandes corporaciones y fábricas de manufacturas, así se compran determinados insumos necesarios para su operación. Incluso, las distribuidoras de energía pueden llegar a comprar la energía de esta forma y luego ofrecer la energía a sus clientes de acuerdo a los modelos anteriores.. 3.1.4 Créditos para el consumidor final En este escenario, se le brinda al cliente un crédito energético que se va descontando del consumo, como se realiza por ejemplo con un sistema prepago, en donde el cliente paga primero, y luego va consumiendo de su tarifa.. 13.

(14) 3.2. CASO COLOMBIANO. Este nuevo enfoque del recurso energético es igualmente de interés para los países en vías de desarrollo, toda vez que debe ser complementado con una política efectiva estatal. En Colombia el URE sigue crudo. Existen grandes barreras contra la implantación efectiva de una política concreta, y son5: • • • •. Fallas técnicas de proveedores de soluciones URE Barreras económicas para los beneficiarios de URE ( o falta de incentivos) Falla cultural en la continuidad de los programas energéticos institucionales. Falta de financiación en estos proyectos.. No obstante grandes esfuerzos se realizan con el ánimo de cambiar este concepto. Estos cambios están canalizados a través de la Unidad de Planeación Minero-energética UPME, e incluyen6: •. • • •. Creación del Programa de Uso Racional y Eficiente de Energía (PROURE) para la promoción, asesoramiento y estudio de viabilidad técnica y económica de los proyectos presentados por personas naturales o jurídicas. Reconocimiento público de soluciones implantadas Investigación a través de Conciencias Préstamos para estudios adelantados en las áreas de URE. Finalmente, se estudia la posibilidad de otorgar incentivos económicos a las industrias que logren demostrar una reducción efectiva del consumo energético total. Se pretende entonces, establecer las bases de software para la introducción de sistemas de medición inteligente, anticipando así la normatividad e inmediata aplicación en Colombia y otros países en desarrollo.. 5 6. Evaluación del Potencial y Estructura del Mercado de Servicios de Uso Racional y Eficiente de Energía. UPME 2001 LEY 697 de 2001, Congreso de la República de Colombia. 14.

(15) 4. DESCRIPCIÓN DE SERVICIO ACTUAL. Para poder definir el sistema remoto, es necesario partir del análisis del sistema actual. Se utilizará un enfoque desde el punto de vista del consumidor. Existen dos tipos de consumidores, el cliente particular, y el cliente corporativo. Generalmente, el primero es una persona natural que es propietaria de una sola residencia y por lo tanto maneja una sola cuenta de energía, mientras que el cliente corporativo consume varias veces superior al de la persona natural y, por otra parte, puede tener varias cuentas y facturas por periodo.. 4.1. CLIENTES PARTICULARES. Para los clientes particulares, cada mes aproximadamente, se genera una factura, en la cual se registra7: •. •. •. • •. 7 8. Información de Evolución de Consumo o Consumo últimos 6 meses o Promedio últimos 6 meses o Valor kWH promedio8 o Lectura Actual o Lectura anterior o Total consumo kWH o Otros Información del Cliente o Nombre, dirección y ciudad o Información técnica del servicio Información de calidad del servicio o Horas Interrumpidas o Número de Interrupciones Información de Interés o Componentes del costo total energético Detalle de Cuenta o Consumo de energía o Subtotal costo periodo o Impuestos adicionales o Fecha de pago oportuno o Fecha de pago límite. Se utilizó la factura modelo de Codensa S.A. E.S.P. kWH es la unidad básica de cobro, y se examinará más adelante. 15.

(16) Por lo tanto, el cliente no sabe, sino hasta el cierre del período, la información más importante: cuánto fue el consumo y cuál es el valor del kWH. Por lo demás, el consumo de los 6 últimos períodos es útil para comparar ciclos mensuales pero, si hubiese un corto circuito o un malfuncionamiento que lleve a consumir más energía de lo normal, esta energía desaprovechada por el consumidor sería penalizada en el siguiente corte, sin que el cliente se enterara del desperfecto.. 4.2. CLIENTE CORPORATIVO. Como ejemplo de cliente corporativo, se tuvo acceso a las cuentas de Carrefour, Autopista Sur. El contrato energético no era con Codensa S.A. E.S.P. sino con EMGESA S.A. E.S.P. (ambas empresas pertenecen al grupo Español ENDESA). Cada tienda tiene un manejo operativo independiente; sin embargo, las decisiones sobre servicios públicos se toman en el nivel corporativo, donde se examina el consumo general y el desempeño de cada una de las tiendas. La información básica que recibe en su factura el cliente corporativo es exactamente la misma que la del cliente particular examinada anteriormente,. Una vez cada 3 meses, un equipo de EMGESA monitorea las variables eléctricas durante cierto tiempo. Este reporte técnico acompaña un cuadro de observaciones, que generalmente no supera 1 página. Dado que Carrefour sólo tiene contratado con EMGESA el suministro energético, contrata con otras empresas el mantenimiento de las instalaciones eléctricas. Un ejemplo de las variables eléctricas extraídas, se muestra a continuación.. V. Volts_LN 300 290 280 270 260 250 240 230 220 1. 208 415 622 829 1036 1243 1450 1657 1864 2071 puntos Gráfica 5: Variación del Voltaje en Carrefour AutoSur. 16.

(17) Finalmente, y de acuerdo con entrevistas al personal del almacén, podemos decir que la información suministrada pasa por muy pocas manos y sirve, en general, para ejecutar mantenimiento sobre las máquinas que puedan estar fallando. No sirve para determinar el impacto positivo o negativo de adoptar nuevas tecnologías, pues no hay una forma de medición que discrimine las diferentes zonas del almacén, por lo que la información de consumo es un consolidado, entre los dos medidores que tiene el almacén. A partir de este sencillo análisis podemos determinar que un sistema de administración energética remoto debe contar con las siguientes características: • • •. Contener información centralizada de todos los clientes. Suministrar información de consumo en tiempo real9 Tener la capacidad de ser analizado en un tiempo razonable por los clientes.. Finalmente, dado que la información permite una capacidad de evaluación, es posible analizar los datos para que el sistema mismo alerte sobre malfuncionamientos eventuales, analice instantáneamente el comportamiento de nuevas tecnologías o mejoras -sin necesidad de pruebas piloto- y pueda predecir el consumo energético. Este hecho no ha sido examinado en los modelos planteados por la Epact2005, ni por la URE de Colombia, y constituiría una herramienta poderosa para la administración energética de una organización. Con ese propósito y desde un punto de vista matemático, se analizará cada parámetro eléctrico y se generará un modelo con el total de la información.. 9. Tener información en tiempo real -como se conoce normalmente (esto es, con un intervalo de tiempo menor a 1 minuto)- implica un manejo de tal cantidad de información, que se puede llegar a desbordar cualquier sistema. En este documento, se entiende tiempo real como un tiempo entre 1 y 5 minutos. El costo del kWH también está sujeto a ser examinado en tiempo real, si el modelo de manejo de kWH en bolsa fuese adoptado, de tal forma que hubiera una fuente de información adecuada y actualizada.. 17.

(18) 5. ANÁLISIS DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS. El análisis que se efectúa sobre la red eléctrica de distribución del lado de los clientes, busca examinar el comportamiento de las diferentes variables eléctricas en condiciones normales y en condiciones de falla, la calidad de la energía suministrada y cómo las afecta el comportamiento dinámico de la carga. Hay un sinnúmero de variables eléctricas; sin embargo, las que son de interés para el proyecto son: • • • • • • • •. VOLTAJE CORRIENTE FACTOR DE POTENCIA POTENCIA ACTIVA POTENCIA REACTIVA DISTORSIÓN ARMÓNICA DE VOLTAJE DISTORSIÓN ARMÓNICA DE CORRIENTE kWH. En términos de facturación, la única variable que es de interés es la unidad básica de consumo energético: kWH. Las demás variables sirven para el análisis energético. A continuación, se describirá cada variable, utilizando para esto el modelo general propuesto por Todman, que se presenta en la siguiente figura:. Figura 1: Modelo General para una bodega de datos centrada en el consumidor, propuesto por Todman. La variable de interés presenta unas características circunstanciales que obedecen a información relativamente constante en el tiempo, pero que puede. 18.

(19) cambiar. Por ejemplo, cita Todman, un atributo circunstancial de un cliente puede ser la dirección de la residencia actual. Generalmente es un atributo que se mantendrá constante, pero cada cierto tiempo el cliente puede llegar a cambiar de dirección. Es por esto que la relación es de Uno a Muchos. Las características de Segmento se refieren al agrupamiento que se hace del tipo de variables de interés. En el caso del sistema que estamos diseñando, un segmento puede ser el de los consumidores de menos de 100.000 kWH/mes, o que tengan una potencia inferior a 100 kW. Esto es importante, porque de acuerdo con la estratificación, se aplican diferentes tarifas energéticas. Algunas variables no tienen información de segmento. Es necesario extender el modelo para agrupar también el diferente tipo de análisis que se le aplicará a cada variable, ya que es una característica importante de la administración energética. Finalmente, las características de comportamiento se refieren a lo que se pretende medir. Estas características están sujetas a un cambio constante y es sobre el estudio de ellas, que se puede obtener información para la administración energética.. Figura 2: Modelo para una bodega de datos centrada en análisis de variables. La administración energética no sólo examina el comportamiento energético global de la organización, sino también puede extenderse al de diversos puntos de medición interna. Por ejemplo, en una embotelladora de gaseosas es importante analizar lo que sucede con los motores encargados de la banda transportadora, ya que una falla en ellos es capaz de parar la producción total.. 19.

(20) El siguiente diagrama general presenta el punto de análisis de los parámetros eléctricos:. FUENTE. PTO. MEDICIÓN. CARGA. Transformador Empresa Distribuidora / Transformador Interno / Barra de Tensión interna. Extracción de parámetros Eléctricos y Punto de análisis. Motores / Sistema de Aire Acondicionado / Computación / Sistema de Producción / Iluminación / etc.. Figura 3: Punto de medición. 5.1. VOLTAJE. El voltaje es la primera variable de interés. Aunque no se pretende definir exactamente qué es voltaje, es importante resaltar que la empresa distribuidora le ofrece a los clientes, un determinado nivel. De acuerdo con las condiciones de la empresa de energía y la variación de consumo de los clientes, este nivel de tensión fluctúa. Un sobrevoltaje es dañino para la carga conectada, pues se pueden quemar los motores o los equipos electrónicos. Un voltaje por debajo del normal puede generar mayores pérdidas del sistema. Por lo tanto, la empresa de distribución ofrece a sus clientes un nivel de tensión determinado, más un porcentaje de fluctuación permitido, que generalmente no supera el 5%. El suministro de voltaje puede, a su vez, ser de dos tipos: monofásico o trifásico, refiriéndose a si la energía se transmite mediante tres hilos conductores y un neutro o mediante dos hilos, que pueden a su vez ser el neutro y una fase o dos fases. Si llegase a ser trifásico, hay dos posibilidades de conexión de la carga: en configuración delta o en configuración estrella, para disminuir la corriente aumentando el voltaje que la carga experimenta o viceversa. El voltaje siempre se mide entre dos puntos de referencia y en general, se utiliza el valor entre una fase y el neutro para evitar confusiones.. 20.

(21) Existe un concepto de la calidad de voltaje de un sistema y es el concepto de desbalance. El desbalance se define como sigue:. desB =. MAX V ff − V ff V ff. × 100%. Ecuación 1 Definición de Desbalance. Donde V ff = Voltaje entre fases V ff = Voltaje promedio medido entre fases. El desbalance es realmente importante para medir el comportamiento de la carga. Un mal suministro de voltaje puede dañar un motor conectado, y es causante del aumento de pérdidas en el sistema, ocasionando un mayor consumo aunque la carga siga funcionando. Una falla en la carga también es causante del fenómeno. Existe desbalance de voltaje y de corriente, como se verá más adelante.. 5.1.1 Características Circunstanciales del Voltaje En conjunto con el personal de las empresas visitadas, se pudo establecer las características circunstanciales del Voltaje. Existen ciertas restricciones en la inclusión de la información; no obstante, para unificar criterios, no se utilizará sino el Voltaje con referencia Fase-Neutro como valor Nominal.. CARACTERÍSTICAS CIRCUNSTANCIALES DE VOLTAJE Atributo Unidad Comentarios Nivel de tensión Valor Nominal Fase-Neutro V Calculado a partir de Valor Nominal Fase-Neutro (√3 x Valor FaseNeutro) Valor Nominal Fase-Fase V Valores permitidos: "DELTA"/ "ESTRELLA"/ "ÚNICO". El valor "UNICO" es permitido solamente cuando el tipo de Servicio es Tipo Conexión "MonoFásico" Tipo Servicio Valores permitidos: "TRIFÁSICO"/ "MONOFÁSICO" Tolerancia % Variación permitida en el servicio, 0≤Tolerancia≤1 Variación permitida de desbalance, 0≤Desbalance≤1 Desbalance % Número de Falla Permitidas Numero de datos permitidos máximo antes de emitir una alarma. Tabla 2 Características Circunstanciales de Voltaje. Realmente, debería utilizarse un Tiempo permitido de fallas en vez de número de datos para modelar cuándo informar del malfuncionamiento del sistema eléctrico, sin embargo, para facilidad en el diseño, se utiliza un número máximo de datos de entrada que proporcionen información de falla para emitirla. Lógicamente, este. 21.

(22) valor corresponde a un valor en el tiempo, por ejemplo si el muestreo se realiza cada minuto, y el número de líneas de falla permitidas es igual a cinco, se estaría modelando un Tiempo permitido de fallas igual a cinco minutos.. 5.1.2 Características de Análisis del Voltaje. Cuando los datos ingresen a la bodega de datos mediante el proceso de extracción, transformación y carga (ETL), es posible disparar los gatillos o triggers para poder tomar acciones sobre los datos. En particular sería de gran utilidad analizar las características de análisis que se presentan a continuación, y de presentarse una falla, ingresar el registro también en una tabla de fallas de tal forma que se agilice la obtención de resultados. Debido a restricciones de tiempo se utiliza el enfoque tradicional de ETL. Las siguientes son las características definidas como de interés por el personal entrevistado. Atributo Delta Fluctuación Desbalance. CARACTERÍSTICAS DE ANÁLISIS DE VOLTAJE Unidad Comentarios % Medición de fluctuación % Medición de desbalance Tabla 3 Características de análisis de Voltaje. 5.1.3 Características de Comportamiento del Voltaje El comportamiento del voltaje se define como la medida en una unidad de tiempo: Atributo Medición Tiempo. CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO DE VOLTAJE Unidad Comentarios V Medición del valor tiempo Medición del tiempo en el cual se efectuó la medición Tabla 4 Características de Comportamiento de Voltaje. La unidad de tiempo se definirá más adelante, cuando se construyan las tablas.. 5.2. CORRIENTE. La corriente es el efecto de la existencia de un voltaje, y representa el flujo de electrones. A diferencia del voltaje, la corriente es totalmente variable, 22.

(23) dependiendo de la carga a la que esté conectada la fuente. Sin embargo, es posible fijar una corriente máxima de operación del circuito, de acuerdo con el tipo de cable usado. Es por esto que los sistemas de protección se diseñan para que se disparen de acuerdo con una determinada corriente. A diferencia del voltaje, el desbalance de corriente no es un factor tan crítico.. 5.2.1 Características Circunstanciales de Corriente CARACTERÍSTICAS CIRCUNSTANCIALES DE CORRIENTE Atributo Unidad Comentarios Corriente Nominal A Corriente máxima permitida en el circuito SobreCorriente % SobreCorriente permitida, 0≤Sobrecorriente≤1 Desbalance % Variación permitida de desbalance, 0≤Desbalance≤1 Número de Falla Permitidas Numero de datos permitidos máximo antes de emitir una alarma. Tabla 5 Características Circunstanciales de Corriente. El desbalance de corriente se calcula de forma equivalente al desbalance de voltaje, y las demás variables son equivalentes a las definidas para voltaje.. 5.2.2 Características de Análisis Corriente Para la corriente, al igual que para el voltaje, es importante analizar la desviación con respecto a los valores nominales. Sin embargo, sólo se debe examinar el sobrepaso porcentual con respecto a este valor, ya que la corriente varía desde cero hasta un máximo permitido por el sistema de protección. Además, se analiza el desbalance de corriente. Existe aproximadamente una relación de 1:8 entre el desbalance de voltaje y el desbalance de corriente (1% de desbalance de voltaje conduce a un 8% de desbalance de corriente) pero no es una dependencia específica. Por lo tanto deberá ser registrada. Atributo SobreCorriente Desbalance. CARACTERÍSTICAS DE ANÁLISIS DE CORRIENTE Unidad Comentarios % Medición de sobrepaso de la corriente % Medición de desbalance de corriente Tabla 6 Características de Análisis de Corriente. 5.2.3 Características de Comportamiento de Corriente El comportamiento es equivalente al de voltaje.. 23.

(24) Atributo Medición Tiempo. 5.3. CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO DE CORRIENTE Comentarios Unidad A Medición del valor tiempo Medición del tiempo en el cual se efectuó la medición Tabla 7 Características de Comportamiento de Corriente. FACTOR DE POTENCIA. El factor de potencia es una variable adimensional entre 0 y 1, que se refiere a la relación que existe entre la energía que efectivamente se utiliza (energía activa) y la energía total, debido a la existencia de energía desperdiciada (energía reactiva). Un valor de 1 indica que toda la energía está siendo aprovechada al máximo. Un 0.3 indica que existe un problema en el sistema. 5.3.1 Características Circunstanciales del Factor de Potencia CARACTERÍSTICAS CIRCUNSTANCIALES DE FACTOR DE POTENCIA Atributo Unidad Comentarios Porcentaje de desviación Máximo permitido del FP Desviación Permitida % Número de Falla Permitidas Numero de datos permitidos máximo antes de emitir una alarma. Tabla 8 Características Circunstanciales de Factor de Potencia. Generalmente, la desviación máxima permitida depende de la carga conectada. En algunos casos, como en iluminación, a medida que las bombillas se calientan el factor de potencia sube desde un escaso 0.3 hasta un 0.99, de tal forma que se debe afinar bien los valores, para que el sistema no dé información de malfuncionamiento cuando sea un comportamiento que todavía cae dentro de lo esperado. 5.3.2 Características de Análisis del Factor de Potencia Se analiza entonces, la máxima desviación del valor del factor de potencia. Atributo Desviación. CARACTERÍSTICAS DE ANÁLISIS DE FACTOR DE POTENCIA Unidad Comentarios % Desviación del valor medido con respecto a 1 Tabla 9 Características de Análisis de Factor de Potencia. 5.3.3 Características de Comportamiento del Factor de Potencia Nuevamente se incluyen los valores a medir.. 24.

(25) CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO DE FACTOR DE POTENCIA Atributo Unidad Comentarios Medición Medición del valor ( debe star entre 0 y 1) Tiempo tiempo Medición del tiempo en el cual se efectuó la medición Tabla 10 Características de Comportamiento de Factor de Potencia. 5.4. POTENCIA ACTIVA. La potencia activa puede ser la variable más importante a medir, e involucra el valor de las variables anteriores. Para no complicar su uso se utilizará en este capítulo “potencia” para determinar Potencia Activa, y se define mediante la siguiente simple ecuación: Pot = V • I • PF [W] Ecuación 2: Definición General de Potencia. Donde V = Voltaje I = Corriente PF = Factor de Potencia W= Unidad de medida, Vatios. La potencia está íntimamente relacionada con el consumo o unidad básica de consumo de energía el kWH. De acuerdo al tipo de suministro de voltaje, la potencia puede ser monofásica o trifásica. Por lo tanto se definen como sigue: Pot1Φ = V fn • I f • PF [W] Ecuación 3: Definición Potencia Monofásica 3. Pot3Φ = ∑ Pot1Φi [W] i =1. Ecuación 4: Definición Potencia trifásica. Usualmente, la potencia tiene una estructura cíclica, en función de las actividades humanas. Como ejemplo, podemos ver el comportamiento cíclico de la potencia a lo largo de varios días, en un segmento del sistema de iluminación del Puerto de Miami, obtenido de la empresa Garper Energy Solutions LLC10:. 10. www.garperenergy.com. 25.

(26) Datos Puerto Miami 30500.00. 29500.00. W. 28500.00. 27500.00. 26500.00. 25500.00. 6: 50 :0 0 7: 40 :0 0 8: 30 :0 0 9: 20 : 10 00 :1 0: 11 00 :0 0: 11 00 :5 0: 12 00 :4 0: 13 00 :3 0: 14 00 :2 0: 15 00 :1 0: 16 00 :0 0: 16 00 :5 0: 17 00 :4 0: 18 00 :3 0: 19 00 :2 0: 20 00 :1 0: 21 00 :0 0: 21 00 :5 0: 22 00 :4 0: 23 00 :3 0: 00 0: 20 :0 0 1: 10 :0 0 2: 00 :0 0 2: 50 :0 0 3: 40 :0 0 4: 30 :0 0 5: 20 :0 0 6: 10 :0 0. 24500.00. tiempo. Gráfica 6: Comportamiento cíclico de potencia en Puerto Miami. En el anterior ejemplo, es clarísima la naturaleza cíclica de la potencia, sin embargo, no necesariamente puede ser tan evidente. La siguiente imagen muestra el comportamiento de la potencia en un hogar. Datos de Origen Casa 2.5. 2. kW. 1.5. 1. 20:20. 19:40. 19:00. 18:20. 17:40. 17:00. 16:20. 15:40. 15:00. 14:20. 13:40. 13:00. 12:20. 11:40. 11:00. 9:40. 10:20. 9:00. 8:20. 7:40. 7:00. 6:20. 5:40. 5:00. 4:20. 3:40. 3:00. 2:20. 1:40. 1:00. 0:20. 23:40. 23:00. 22:20. 21:40. 0. 21:00. 0.5. Tiempo. Gráfica 7 Comportamiento menos uniforme de la potencia para un hogar. Puede apreciarse que las personas de este hogar se acuestan por encima de las 12 de la noche y se levantan alrededor de las 8 y media de la mañana, sin embargo su comportamiento cíclico diurno no es tan evidente. No obstante existe, y puede ser estudiado.. 26.

(27) 5.4.1 Definición de Ciclo Se ha observado que el período de tiempo escogido para las dos gráficas anteriores es de un día. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, las actividades humanas no siempre tienen como referente ciclos de un día; por lo tanto, es importante definir la naturaleza del ciclo. Un almacén como Carulla, que trabaja 24 hrs/365 días al año, muy seguramente tendrá un comportamiento cíclico, mientras no se le haga ninguna modificación. Por el otro lado, en una empresa de manufactura, donde se trabaja 6 días a la semana, el ciclo apropiado para este caso es el de una semana. En lugares donde hay estaciones, el ciclo puede ser un año, de verano en verano, si la actividad humana cambia sustancialmente. En una universidad, el ciclo es semestral. Además, toda la información anterior debe ser cruzada con el calendario, para identificar días festivos, los cuales tienen definitivamente otro tipo de actividad. Adicionalmente, puede decirse que hay eventos que también se salen del curso normal de actividad. Volviendo al caso del almacén Carrefour Autopista Sur, una noche cada mes, programada con un mes de anticipación, se realiza el inventario de productos, en el cual, por ejemplo, se deja encendida la iluminación necesaria para llevar a cabo el proceso, saliéndose de los esquemas de ahorro que se tienen en la noche.. 5.4.2 Desviación del comportamiento normal Sin contar con los eventos programados que causan una desviación del patrón normal de consumo, una desviación del patrón cíclico puede deberse a dos situaciones: • •. Degradación: En la cual se produce un daño lento del sistema, por el desgaste de las piezas móviles o por cualquier otro mecanismo. Daño de Componentes: Ocurre cuando un componente del sistema falla, variando visiblemente el comportamiento eléctrico general.. Un sistema de administración energética debe contemplar estas dos situaciones.. 5.4.2.1 Degradación Para combatir el efecto de degradación, se establecen límites porcentuales máximos y mínimos, con respecto a la media de operación de la potencia en los ciclos. Si nos referimos al caso del Puerto de Miami, podemos encontrar:. 27.

(28) Datos Puerto Miami 32000.00. 30000.00. DIA1 DIA2 DIA3 DIA4 DIA5 DIA6 DIA7 DIA8 POTMIN POTMAX. W. 28000.00. 26000.00. 24000.00. 22000.00. 6: 50 : 7: 00 40 : 8: 00 30 : 9: 00 20 10 :00 :1 0 11 :00 :0 0 11 :00 :5 0: 12 00 :4 0 13 :00 :3 0 14 :00 :2 0: 15 00 :1 0 16 :00 :0 0 16 :00 :5 0: 17 00 :4 0 18 :00 :3 0 19 :00 :2 0: 20 00 :1 0 21 :00 :0 0 21 :00 :5 0 22 :00 :4 0 23 :00 :3 0: 00 0: 20 :0 1: 0 10 : 2: 00 00 :0 2: 0 50 : 3: 00 40 : 4: 00 30 :0 5: 0 20 : 6: 00 10 :0 0. 20000.00. tiempo. Gráfica 8: Funciones Máximo y Mínimo para la potencia. En el momento en que el valor de la variable se salga del margen de operación, se establecerá si se ha producido una falla, definida como la superación del número de datos permitidos por fuera del margen.. 5.4.2.2 Daño de Componentes Cuando se daña un componente, los valores -para la variable de interés- cambian abruptamente. Las herramientas estadísticas nos sirven para medir esta situación. De acuerdo con el Teorema Central del Límite y asumiendo que cada variable muestreada del ciclo es una variable independiente, se puede hacer el siguiente análisis: Sea X1i, X2i, …, Xni el número de puntos muestreados de la variable, que componen el ciclo i. Y supóngase que se tienen j ciclos, en donde 28≤j. Por lo tanto, se puede aproximar la distribución de estas variables como Normal, y se puede definir: j. ∑ X 1i X1 =. i =1. j. j. 2. , S X1 =. ∑(X. 1. − X 1i ) 2. i =1. j −1. Ecuación 5: Variables estadísticas de interés. 28.

(29) Donde. X 1 = promedio para el punto 1 del ciclo 2. S X 1 = estimador de varianza para el punto 1 del ciclo. Ahora bien, sabemos que algunos ciclos, según lo definido en el inciso anterior, serán imposibles de reproducir 28 veces sin que cambien las características circunstanciales. Sin embargo, así no se obtengan 28 datos, las estadísticas propuestas son una buena aproximación a la media y a la varianza, por lo cual podemos proponer las siguientes funciones: TECHO: f t = X 1 + m ⋅ S x1 , PISO: f p = X 1 − m ⋅ S x1 Ecuación 6: Definición de funciones TECHO y PISO. Donde m corresponde a un valor aproximado y debe ser calculado de acuerdo con el número de muestras obtenidas. Por lo tanto -para estas funciones techo, piso y promedio- podemos realizar de nuevo el análisis y PREDECIR el rango en el cual esperamos que se comporte la variable de interés, en este caso, la Potencia. La siguiente gráfica nos muestra las curvas de interés, siguiendo con el ejemplo del Puerto de Miami. Análisis Potencia: Puerto Miami 40000.00 38000.00 36000.00 34000.00. W. 32000.00 AVERAGE A' [Abarra + 5Sa] A'' [Abarra - 5Sa]. 30000.00 28000.00 26000.00 24000.00 22000.00. 6: 50 :0 7: 0 50 :0 8: 0 50 :0 9: 0 50 10 :00 :5 0 11 :00 :5 0 12 :00 :5 0: 13 00 :5 0 14 :00 :5 0: 15 00 :5 0 16 :00 :5 0 17 :00 :5 0 18 :00 :5 0 19 :00 :5 0 20 :00 :5 0: 21 00 :5 0 22 :00 :5 0: 23 00 :5 0: 00 0: 50 :0 1: 0 50 :0 2: 0 50 :0 3: 0 50 :0 4: 0 50 :0 5: 0 50 :0 0. 20000.00. tiempo. Gráfica 9: Curvas de potencia definidas. Dado que se tenían 8 ciclos (días), fue necesario que el valor M de las funciones techo y piso fuera 5. Si a esta curva, le añadimos la curva de los datos de potencia, de un día posterior, (a) se observa cómo la curva está dentro del margen esperado:. 29.

(30) Análisis Potencia: Puerto Miami 40000.00 38000.00 36000.00 34000.00. W. 32000.00 AVERAGE A' [Abarra + 5Sa]. 30000.00. A'' [Abarra - 5Sa] a. 28000.00 26000.00 24000.00 22000.00. 6: 50 :0 0 7: 50 :0 0 8: 50 :0 0 9: 50 : 10 00 :5 0: 11 00 :5 0: 12 00 :5 0: 13 00 :5 0: 14 00 :5 0: 15 00 :5 0: 16 00 :5 0: 17 00 :5 0: 18 00 :5 0: 19 00 :5 0: 20 00 :5 0: 21 00 :5 0: 22 00 :5 0: 23 00 :5 0: 00 0: 50 :0 0 1: 50 :0 0 2: 50 :0 0 3: 50 :0 0 4: 50 :0 0 5: 50 :0 0. 20000.00. tiempo. Gráfica 10: Curva Actual comparada con las funciones de potencia en el Puerto de Miami. Adicionalmente, añadimos el análisis para la gráfica del hogar, que tiene una variabilidad visiblemente mayor: ANALISIS POTENCIA. 3. 2. 1. AVERAGE A' [Abarra + 5Sa]. kW. A'' [Abarra - 5Sa] POTMIN POTMAX a. 21 :0 0 21 :4 5 22 :3 0 23 :1 5 0: 00 0: 45 1: 30 2: 15 3: 00 3: 45 4: 30 5: 15 6: 00 6: 45 7: 30 8: 15 9: 00 9: 45 10 :3 0 11 :1 5 12 :0 0 12 :4 5 13 :3 0 14 :1 5 15 :0 0 15 :4 5 16 :3 0 17 :1 5 18 :0 0 18 :4 5 19 :3 0 20 :1 5. 0. -1. -2 TIEMPO. Gráfica 11: Curva día Actual vs las curvas de potencia creadas para un hogar. Por lo tanto, hemos logrado definir un margen donde esperamos que el parámetro se comporte normalmente. En el caso de presentarse una falla abrupta, y de que el valor se saliera de este margen, el sistema indicará que existe una Falla, de acuerdo con el número máximo de datos que se ha definido. Con el anterior análisis, ahora sí es posible determinar las características circunstanciales y de análisis de la Potencia.. 30.

(31) 5.4.3 Características circunstanciales de Potencia Activa CARACTERÍSTICAS CIRCUNSTANCIALES DE POTENCIA ACTIVA Unidad Comentarios kW Máximo de potencia permitida kW Mínimo de potencia permitida Información sobre la potencia actual que existe. En caso de una Potencia Instalada kW ampliación, este valor se verá afectado Servicio de Potencia Valores permitidos: "TRIFÁSICO"/ "MONOFÁSICO" Valor M de Variabilidad Margen de variabilidad permitida. Número de Falla Permitidas Numero de datos permitidos máximo antes de emitir una alarma. Tabla 11 Características Circunstanciales de Potencia Atributo Potencia Máxima Potencia Mínima. 5.4.4 Características de Análisis de Potencia Activa. Atributo función TECHO función PISO Promedio. CARACTERÍSTICAS DE ANÁLISIS DE POTENCIA ACTIVA Unidad Comentarios kW Función que representa la desviación estándar positiva kW Función que representa la desviación estándar negativa kW Función que representa el promedio Tabla 12 Características de Análisis de Potencia. 5.4.5 Características de Comportamiento de Potencia Activa CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO DE POTENCIA ACTIVA Atributo Unidad Comentarios Medición kW Medición del valor Tiempo tiempo Medición del tiempo en el cual se efectuó la medición Tabla 13 Características de Comportamiento de Potencia. 5.5. POTENCIA REACTIVA. El consumo reactivo no es tan común para el lector, ya que muy pocas veces se cobra a las personas naturales. Sin embargo, para las empresas que tienen grandes motores y procesos, es un dolor de cabeza. El consumo reactivo es una medición del grado de pérdidas que se presentan en un sistema. En ocasiones es inevitable que se presente, pero las empresas tratan de minimizarlo mediante equipos que se encargan de que el factor de potencia se eleve como son los bancos de condensadores. Su análisis es análogo al análisis que se realiza sobre la potencia, excepto que la energía reactiva, se cobra de una manera particular. Cuando la energía reactiva consumida se encuentra por encima de un umbral determinado por la empresa de energía, este consumo es penalizado mediante un fuerte cobro. No se pretende 31.

(32) hacer proyecciones sobre la potencia reactiva, ya que generalmente será un valor pequeño. Sin embargo, sí se tomará en cuenta como atributo circunstancial este umbral de potencia reactiva. 5.5.1 Características circunstanciales de Potencia Reactiva CARACTERÍSTICAS CIRCUNSTANCIALES DE POTENCIA REACTIVA Atributo Unidad Comentarios Umbral Reactivo kVAR Umbral de potencia Reactiva Permitido Número de Falla Permitidas Numero de datos permitidos máximo antes de emitir una alarma. Tabla 14 Características Circunstanciales de Potencia Reactiva. 5.5.2 Características de Análisis de Potencia Reactiva CARACTERÍSTICAS DE ANÁLISIS DE POTENCIA REACTIVA Unidad Comentarios TRUE si se sobrepasa el umbral de máxima potencia reactiva Sobrepaso de Umbral BOOL permitida Atributo. Promedio. kVAR Función que representa el promedio Tabla 15 Características de Análisis de Potencia Reactiva. 5.5.3 Características de Comportamiento de Potencia Reactiva CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO DE POTENCIA REACTIVA Atributo Unidad Comentarios Medición kVAR Medición del valor Tiempo tiempo Medición del tiempo en el cual se efectuó la medición Tabla 16 Características de Comportamiento de Potencia Reactiva. Para relacionar todas las variables mencionadas, se presenta el siguiente diagrama donde se muestra una relación geométrica entre ellas.. 32.

(33) Figura 4: Relación General de Variables Energéticas. 5.6. CONSUMO. kWH es la unidad básica de medición del Consumo de energía para todos los clientes. Se define como la sumatoria de toda la potencia consumida o, lo que es más preciso: t final. ∫ potencia(t )dt Consumo =. t inicial. 1Hr ⋅ 1000. [kW]. Ecuación 7 : Definición del consumo Energético. El consumo energético como el de un hogar, es una medida absoluta, cuyo valor acumulado siempre estará en aumento, por lo que las empresas de energía tienen que encontrar la diferencia entre dos períodos para facturar el consumo. Siguiendo con el mismo enfoque del punto anterior, y utilizando la misma definición de ciclos que obtuvimos para potencia, podemos definir ciertos atributos para analizar y para PREDECIR el consumo energético para un ciclo. •. kWH TECHO = Consumo de energía Máxima calculado para el periodo. •. kWH PISO =Consumo de energía Mínimo calculado para el periodo. 33.

(34) •. kWH PROMEDIO = Consumo de energía promedio para el periodo. Las funciones se muestran en la siguiente gráfica: Consumo por Día Puerto Miami 800. 700. 600. kWH. 500 kWHAverage kWH[Abarra+5Sa] kWH[Abarra-5Sa]. 400. 300. 200. 6:10:00. 5:20:00. 4:30:00. 3:40:00. 2:50:00. 2:00:00. 1:10:00. 0:20:00. 23:30:00. 22:40:00. 21:50:00. 21:00:00. 20:10:00. 19:20:00. 18:30:00. 17:40:00. 16:50:00. 16:00:00. 15:10:00. 14:20:00. 13:30:00. 12:40:00. 11:50:00. 11:00:00. 9:20:00. 10:10:00. 8:30:00. 7:40:00. 0. 6:50:00. 100. Tiempo. Gráfica 12: Funciones kWH derivadas de las funciones de Potencia. Ahora bien, a pesar de tener solo 8 datos y que nuestro valor M=5, si tomamos el noveno día y realizamos el mismo análisis obtendremos: Consumo por Día Puerto Miami 800. 700. 600. kWHAverage kWH[Abarra+5Sa] kWH[Abarra-5Sa] a. 400. 300. 200. 100. 6:10:00. 5:20:00. 4:30:00. 3:40:00. 2:50:00. 2:00:00. 1:10:00. 0:20:00. 23:30:00. 22:40:00. 21:50:00. 21:00:00. 20:10:00. 19:20:00. 18:30:00. 17:40:00. 16:50:00. 16:00:00. 15:10:00. 14:20:00. 13:30:00. 12:40:00. 11:50:00. 11:00:00. 10:10:00. 9:20:00. 8:30:00. 7:40:00. 0 6:50:00. kWH. 500. Tiempo. Gráfica 13: Consumo actual vs Calculados Puerto Miami. 34.

(35) En donde se observa que prácticamente las funciones para el promedio y para el noveno día son equivalentes. Para el caso de la casa, tenemos un resultado similar. Consumo por día, Casa 15.000. 10.000. 5.000 kWH. kWHPromedio kWH[Abarra+3a] kWH[Abarra-3Sa] kWH9 20:20. 19:30. 18:40. 17:50. 17:00. 16:10. 15:20. 14:30. 13:40. 12:50. 12:00. 11:10. 9:30. 10:20. 8:40. 7:50. 7:00. 6:10. 5:20. 4:30. 3:40. 2:50. 2:00. 1:10. 0:20. 23:30. 22:40. 21:50. 21:00. 0.000. -5.000. -10.000 Tiempo. Gráfica 14: Consumo Actual vs. Calculados, Hogar. Éste resultado es poderoso en el sentido de que puede usarse para PREDECIR el consumo de un ciclo con un grado de precisión bastante alto e, incluso, a medida que los datos del noveno día entran al sistema, las funciones TECHO PISO y PROMEDIO pueden ser nuevamente calculadas, para ajustar aún más la predicción. Se obtiene así la siguiente ecuación: kWH PROYECTADO = kWH j + kWH t − kWH t Ecuación 8 Cálculo de Consumo ajustado. Donde •. kWH PROYECTADO = Consumo pronosticado. •. kWH j =Consumo del promedio. •. kWH t =Consumo actual en el tiempo t del ciclo. •. kWH t =Consumo promedio hasta el tiempo t. Que se basa en el ajuste con respecto al promedio. Las características completas se presentan a continuación.. 5.6.1 Características circunstanciales de Consumo. 35.

(36) Atributo Costo kWH. CARACTERÍSTICAS CIRCUNSTANCIALES DE CONSUMO Unidad Comentarios $ $/kWH Tabla 17 Características Circunstanciales de Consumo. La única característica circunstancial que se ha examinado es el costo por kWH, que puede ser dinámico y, como tal, podría comportarse como una variable más. Sin embargo, si el valor se mantiene relativamente fijo, sería una característica circunstancial del kWH.. 5.6.2 Características de Análisis de Consumo. Atributo Consumo TECHO Consumo PISO Consumo Promedio. CARACTERÍSTICAS DE ANÁLISIS DE CONSUMO Comentarios Unidad kWH Consumo de la función Techo de potencia kWH Consumo de la función Piso de potencia kWH Consumo de la función promedio de potencia Tabla 18 Características de Análisis de Consumo. 5.6.3 Características de Comportamiento de Consumo. Atributo Medición Tiempo. CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO DE CONSUMO Unidad Comentarios Kwh Medición del valor tiempo Medición del tiempo en el cual se efectuó la medición Tabla 19 Características de Comportamiento de Consumo. 36.

(37) 6. DISEÑO DE BODEGA DE DATOS. A partir del anterior análisis, se diseña la bodega de datos que sea capaz de reflejar la información existente. Se utilizará el procedimiento descrito por Kimball descrito en el libro “The Data Warehouse Toolkit” segunda edición. 6.1. SELECCIÓN DEL PROCESO DEL NEGOCIO. Los anteriores dos capítulos tratan de describir el proceso de negocio que se quiere implementar. Sin embargo, la principal función de las bodegas de datos, como las bodegas reales, es la de almacenar la información, no realizar complicadas funciones en tiempo real. Se busca mantener un diseño sencillo pero robusto en donde todas las funciones que se describieron puedan ser aplicadas. El negocio se describe a continuación: •. Existen varios clientes. Cada cliente puede tener 1 o más Instalaciones (premisas). Cada premisa de los clientes, puede tener 1 o más loggers (instrumentos de medición energética). Los loggers pueden ser de varios modelos y marcas. Esta información ingresa a una unidad de almacenamiento en cada premisa, de la cual se puede extraer11. En principio se analizan fuentes de información de archivos de textos o de archivos Excel, pero en general puede ser de cualquier fuente de datos.. •. Existe un proceso de ETL (Extracción, Transformación, y Carga de la información) en la bodega de datos, en el cual, la información es analizada, estandarizada, y localizada dentro de las tablas correspondientes.. •. Existe un proceso de análisis, donde de acuerdo a las dimensiones encontradas, la información puede analizarse completamente. La escogencia de las dimensiones está ligada al modelo descrito para cada variable, y se examinará en las siguientes etapas del proceso. Los clientes pueden examinar la información remotamente.. Debido a restricciones de tiempo, se ha decido utilizar Microsoft SQL Server 2005 Service Pack 1 como motor donde se implementará la bodega de datos por varias razones: • Motor de base de datos fácil de administrar • ETL integrado • Servicio de Reportes online 11. En general, el problema de ingreso de información al sistema es mucho más complicado que lo que se describe. Qué equipos utilizar, cuál canal de comunicación escoger (Celular, Fibra Óptica, Internet, etc.) y cómo asegurar una conexión relativamente permanente es un reto de ingeniería, que se escapan del tema de la tesis.. 37.

(38) No obstante, de acuerdo a la experiencia adquirida, el software a pesar de contar con muchos procedimientos predefinidos que pueden utilizar los desarrolladores para agilizar el tiempo a mercado de los proyectos, se convierte también en un margen de donde no se puede salir. Una falla puede resultar en un pozo sin fondo, pues no hay chance de identificar cuál es la naturaleza del error, y el debugging está lleno de blogs para revisar y poca ayuda clara.. 6.2. LA UNIDAD BÁSICA. La unidad básica es la medición de cada una de las variables eléctricas. De acuerdo al modelo del capítulo 3, serían las características de Comportamiento. En este punto existen dos modelos que se pueden examinar:. MODELO A. MODELO B. Figura 5: Modelos Posibles de Base de datos. El modelo A presenta todas las variables dentro de la tabla de hechos, el modelo B contiene solamente medidas en la tabla de hechos y presenta los parámetros eléctricos como una serie de dimensiones adicionales. ¿Cuál escoger? Si escogemos el modelo B, por cada parámetro de cada logger se estarían generando 288 filas en la tabla de hechos en un día si escogemos una resolución de 5 minutos entre datos. Pero la tabla crece con el aumento de parámetros. Hasta ahora hemos definido cinco parámetros con lo cual nuestra tabla crecería hasta 1.440 entradas por día. Pero en realidad, cada uno de estos parámetros está a su vez compuesto por más parámetros que deben también ser almacenados, por lo tanto, la tabla de hechos crece enormemente. Debido a esta razón, cada medida de las variables se toma como unidad básica, y se prefiere el modelo A. Adicionalmente, dos unidades básicas adicionales se definirán más adelante en este mismo capítulo.. 38.

(39) 6.3. DIMENSIONES ESCOGIDAS. Las dimensiones que se diseñan parten de la definición del modelo general propuesto por Todman y trabajadas en el capítulo 3.. 6.3.1 Características físicas y eléctricas Las características circunstanciales son atributos que pueden ser agrupados para todas las variables en una sola dimensión o varias. Se ha decidido que pueden ser agrupadas en características físicas de la instalación, y características eléctricas del sistema. Las dos dimensiones presentan los siguientes atributos: dimCaractFisic CARACTERÍSTICAS FÍSICAS ValorNominalFN ValorNominalFF TipoConexión TipoServicio CorrienteNominal PotenciaInstalada UmbralReactivo. dimCaractElec CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS ToleranciaVoltaje SobreCorriente DesbalanceVoltaje DesbalanceCorriente SubFactorPotencia PotMaxima PotMínima PotMVariabilidad MaxLinVoltaje MaxLinCorriente MaxLinPF MaxLinPotAct MaxLinPotReact Tabla 20: Dimensiones Circunstanciales. Se observa que las características de Consumo no están incluidas. Obedece a otra dimensión. Igualmente, la potencia activa trifásica o monofásica ha sido suprimida, pues el servicio de voltaje ya toma en cuenta si el sistema es trifásico o monofásico, por lo que resulta redundante. 6.3.2 Características de Calendario Un calendario es la forma conocida de representar los ciclos de actividad humana. Por lo tanto, se incluye la mayor cantidad de atributos posible en una dimensión de calendario, de tal forma que podamos configurar los ciclos como queramos. Los atributos contemplados son:. 39.

(40) dimCalendario NumTrimAño NumCuatrimAño Año FlagFestivo FlagEvento FlagDíaHábil. FechaCompleta NumDiaSemana NomDiaSemana NumDíaMes NumDíaAño NumSemanaAño NomMes NumMesAño. Tabla 21: Dimensión Calendario. Los atributos que comienzan con FLAG son atributos de dos únicos valores, y sirven para agrupar los eventos que el calendario puede no contemplar. De acuerdo a las sugerencias presentadas en el libro de Kimball, se utilizan valores estilo FESTIVO/NOFESTIVO en vez de 1/0 para mayor claridad a costa de utilización de mayor espacio de almacenamiento.. 6.3.3 Características de Día Para analizar diferentes periodos durante el día, también se ha decido construir una dimensión de las horas del día. La tabla siguiente muestra los resultados. dimDía HoraCompleta HoraMilitar HoraNormal FlagHoraLaboral FlagMedioDía Tabla 22: Dimensión del día. 6.3.4 Características de Equipo de Medición Dado que pueden existir muchos modelos que extraigan diferentes tipos de variables e incluso a diferente hora, esta dimensión agrupa las características de los loggers. dimLogger Marca Modelo Referencia NumSerial Precisión Protocolo Frecuencia MaxCorriente Tabla 23: Dimensión de Equipo de Medición. 40.