CONTROL DE LA DEMANDA MÁXIMA

ABRAHAM CALZADA DORANTES ADMON. Y AHORRO DE ENERGIA

UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MORELOS

FCQI

ABRAHAM CALZADA DORANTESPROFESOR I.Q. JUAN TELESFORO SANTAMARINA

ESPINDOLARESUMEN

CONTROL DE DEMANDA MAXIMA: REALIZACION DEL PROYECTO

CONTROL DE LA DEMANDA MÁXIMA: CONTROL DE DEMANDA MÁXIMA POR MEDIO DE SOPORTE POR GENERACIÓN PROPIA DE ENERGÍA.

CONTROL DE LA DEMANDA MÁXIMA:REALIZACIÓN DEL PROYECTO.

INTRODUCCIÓN

23 de mayo de 2013


Una vez que se tomó la decisión de comenzar el proyecto, se requiere de una metodología completa para llevarlo a cabo. Esta metodología incluye la manera como tomar mediciones, capacitación al personal, como generar reportes de avance y comparar los objetivos logrados con los esperados en el planteamiento del proyecto.

Un punto muy importante en el momento de comenzar el proyecto es la manera como se formará el equipo (o comité) de especialistas encargados de la administración de energía. El montaje y prueba del equipo de medición y control es importante y la forma de reportar las pruebas a los mismos.

Realización del proyecto

El proyecto se lleva a cabo en una secuencia ordenada:

1. Instalación del equipo de medición. Prueba del mismo.

2. Instalación del equipo de control. Prueba del mismo y pruebas manuales de la lógica de control.

3. Arranque piloto y documentación del mismo.

4. Reporte de resultados preliminares.

5. Correcciones sobre las rutinas de operación.

Dentro del primer punto la secuencia es:

Montar los equipos de medición y verificarlos localmente, no tratar de efectuar todo, la instalación, las comunicaciones y el reporte automático de una sola vez.

Contar con bases de datos que permitan comprobar los valores adquiridos en cada punto de medición. Para llevar a cabo esta acción se requiere en muchas ocasiones de equipo portátil de medición. Es natural una desviación de 1 ó 2 % sobre las lecturas, ya que la precisión depende de medios analógicos y transformadores de corriente que tienen imperfecciones. El único valor que debe ser exacto al 100% es el de medición por medio de las salidas de pulsos de los medidores de la compañía suministradora.

Analizar por lo menos dos o tres días de resultados, antes de validar este paso y proceder a las pruebas de comunicaciones entre los medidores y la estación de trabajo.

El siguiente punto es la comprobación de los algoritmos de registro y cálculo de facturación en tiempo real. Se debe contar con una base de datos recabada y comprobada con los datos adquiridos antes del arranque del proyecto.

23 de mayo de 2013


Cuando se haya enlazado todo el sistema (medición, comunicación, facturación y generación de reportes), se procede a instalar el equipo de control.

El equipo de control se deberá probar en vacío, es decir, sin actuar ningún control real para estar seguro que no haya errores de comunicación entre la estación de trabajo y los actuadores. Se corren rutinas de actuación manual desde la consola de trabajo y se comprueba la operación sin fallas, primero con la planta en un día de descanso y después con operación rutinaria.

El siguiente paso es probar los algoritmos de control de demanda en lo que se conoce como “lazo abierto”, es decir actuando los controles en vacío y verificando por medio de un registro que su actuación no sea excesivamente frecuente.

Posteriormente se lleva a cabo la acción manual de los controles bajo la indicación del equipo automático, siempre sujeto al criterio del operador.

Es conveniente documentar completamente todos estos pasos. A pesar de lo complicado que se ve, este proceso de arranque se podrá llevar a cabo en una semana o semana y media a partir de contar con los equipos necesarios instalados adecuadamente.

El último paso consiste en cerrar el lazo de control y llevar una documentación completa sobre el proceso para obtener resultados confiables.

Llevar a cabo las correcciones necesarias para mejorar el proceso. Estas correcciones deben documentarse totalmente, con el objeto de poder estar seguros de las acciones llevadas a cabo.

Cada paso del 10 en adelante debe llevarse a cabo con revisiones por parte del grupo encargado del proyecto. Las revisiones para determinar que no hubo impacto sobre la producción o que ésta es tal como se había previsto en el planteamiento del proyecto deben ser ejecutadas periódicamente.

Los resultados se deben monitorear durante un mes completo para obtener las primeras conclusiones.

Debe haber juntas periódicas de revisión de resultados y ajustes sobre lo que se obtenga. Es muy importante conservar la mentalidad que estos proyectos no reportan éxitos en un solo día y que al involucrar diferentes personas y procesos los ajustes son frecuentes y continuos.

Utilización del método de medición por tres subintervalos continuos para medición de demanda máxima

Este método es muy conveniente para controlar la demanda máxima medida o facturable.

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El proceso utilizado por CFE consiste en promediar el consumo durante subintervalos de 5 minutos de duración y posteriormente por medio de un algoritmo de rolado o ventana deslizante los tres subintervalos contiguos cuyo promedio sea el mayor.

Este método de medición tiene la gran ventaja de amortiguar los arranques de motores que duran solo unos cuantos segundos y otros procesos.

Para sacarle ventaja a este método de medición se obtiene el valor máximo del subintervalo que empieza basándose en los valores de los dos subintervalos anteriores.Es decir:

(sub1 + sub2 + sub3)/3 = límite

De donde si conocemos el valor máximo de límite:

sub3 = límite * 3 - sub1 – sub2

O sea que con base en las dos mediciones anteriores es posible conocer el valor máximo del subintervalo actual. De esta manera se conoce el valor máximo al cual se puede llegar sin rebasar el objetivo de demanda máxima.

Este método requiere que el equipo de adquisición de datos y que hará el control de la demanda se encuentre en sincronía con el equipo de medición de la compañía suministradora. Para esto se utiliza una salida de contacto seco del equipo de la compañía suministradora que se cierra por uno o dos segundos cada vez que se completa un subintervalo de medición. El equipo de medición de la compañía suministradora, cuenta aparte con dos salidas también de pulsos, que indica una cierta cantidad de energía activa y reactiva consumida, cuando la cantidad programada se completa estos contactos generan un pulso.

El equipo de control de demanda debe leer estos pulsos e interpretarlos para obtener los valores de KWh y KVArh acumulados durante los intervalos anteriores y conocer en forma dinámica el promedio de consumo del intervalo actual.

Esta información acumulada sirve para calcular los parámetros de facturación utilizados para el cálculo de la facturación.Un registrador debe ser capaz de distinguir la programación de periodos horarios, días de la semana y características exactas de la facturación.

Por eso es que los equipos de control de demanda normalmente van unidos a un sistema de facturación en tiempo real y reporte de facturación automático.

Descripción de los dos tipos de algoritmos de control:Limitativo y Predictivo

23 de mayo de 2013


Una vez que se tiene la información precisa de los dos subintervalos anteriores, se puede proyectar el valor adecuado del subintervalo actual.

Existen dos tipos de controles de demanda, el limitativo y el predictivo, siendo el segundo más adecuado, pero a su vez, más complicado que el primero.

El control limitativo consiste en simplemente marcar un tope de consumo, que al ser rebasado, indica o comanda la desconexión de cargas de acuerdo con un plan previamente programado de prioridades de desconexión. Este algoritmo puede ser tan completo como se quiera en cuanto a las cargas, horarios y métodos de desconexión. La limitación absoluta tiene el problema de no considerar la energía de reserva, es decir, solo considera un límite máximo. Este límite no es adecuado para proceso que requieren de una demanda alta por periodos cortos (por ejemplo, hornos de arco y otras funciones de ese tipo).

En cambio, los algoritmos predictivos tienen la capacidad de avisar que el proceso está tomando una gran cantidad de energía, que si se sigue con esa tendencia, se rebasará la demanda máxima programada y que se deben tomar acciones.

Existen dos tipos de control predictivo:

Por bandas de tolerancia.

Es más claramente explicado en las gráficas de la figura 16.1, pero lo que hace es trazar una recta ideal y una o dos rectas de tolerancia, que al ser cruzadas generan avisos de desconexión de cargas.

Este método es muy adecuado para el cálculo del valor exacto de las cargas a desconectar y es muy certero en cuanto a la detección del momento adecuado para desconectar. En este caso se grafica la energía consumida por subintervalo contra tiempo y el valor máximo de esta energía a la izquierda corresponde a la demanda máxima disponible para ese subintervalo.

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Por tendencia (derivada)

Esta técnica consiste en tomar las dos últimas mediciones y con base en ellas, trazar una recta y proyectarla hasta el final del subintervalo. Si esta proyección sobrepasa el límite de demanda máxima, debe actuarse desconectando cargas, si no lo hace, no se tienen problemas de sobrepaso.

Este método debe tomarse con cuidado, ya que es de muy rápida respuesta, pero por lo mismo, un evento de corta duración podría provocar detecciones indebidas.

En este caso la gráfica es de demanda instantánea contra tiempo, a diferencia del primer método que es de energía acumulada contra tiempo.

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Ambos métodos son capaces de calcular el monto de la carga a desconectar, las acciones pueden ser muy variadas y depende del grado de complejidad o potencia de decisión que se le dé al sistema.

Con los medios actuales de control por “buses” tipo “modbus” ,“super data highway” o incluso “ethernet” es factible controlar variadores de velocidad, desconectar cargas, dar tiempos de reconexión en diferentes puntos.En muchas ocasiones también se utiliza control remoto de cargas por medios inalámbricos, ya que en los proyectos de control de demanda gran parte del costo son los cableados de los actuadores.

Si se cuenta con un equipo de sensado de consumo conectado directamente a las salidas de pulsos del equipo de medición de la compañía suministradora, que se encuentre comunicado por algún "bus"”industrial de control, se puede colocar la estación de trabajo sobre ese mismo “bus” en cualquier localidad de la planta y controlar por medio de actuadores (PLC´s y variadores de frecuencia) en cualquier punto de la instalación.

Este sistema se conoce como un control distribuido de demanda máxima.Si además se incluye medición en puntos internos de la planta, se podrá efectuar un sistema de facturación distribuida de la planta y un control con gran capacidad de decisión de conexión y desconexión de cargas.El grado de complejidad está ligado a las expectativas que se tengan del sistema y el costo que se pueda amortizar del mismo.

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CONTROL DE LA DEMANDA MÁXIMA:CONTROL DE DEMANDA MÁXIMA POR MEDIO DE SOPORTE POR

GENERACIÓN PROPIA DE ENERGÍA.

INTRODUCCIÓN

El control de la demanda máxima es una medida poco buscada en las instalaciones comerciales e industriales, por creer que este método de administración de energía puede detener o por lo menos crear dificultades en la operación.

En gran parte de las instalaciones se cuenta con plantas generadoras de emergencia para casos de interrupción de energía eléctrica. Resulta muy atractivo el uso de estas plantas para control de demanda en periodos de alto costo de la energía (periodo punta), pero el costo de generación de energía por medios propios puede resultar más caros por unidad de KWh que en periodo base.

Este análisis es realizado para poder conocer realmente la conveniencia de aplicar estas medidas.También se calcula el número de veces que el control actuaría contra una gráfica real de demanda de la instalación y como calcular el punto de equilibrio entre costo de realización, puntos de calibración para la entrada de la planta generadora auxiliar y desgaste por número de arranques al mes.Posibilidades de reducir costos de la demanda sin sacrificar la operación de la planta

Este es el primer aspecto a tratar en el planteamiento de una solución como la que se propone.

Calcular es el factor de carga en el periodo punta.

Analizar una gráfica de todo un mes y se identifiquen la magnitud de los picos de demanda.

Revisar la situación concerniente a la capacidad de la planta de emergencia y las cargas que podría alimentar durante su actuación.

Análisis del ahorro factible por energía y demanda contra el costo de generación por consumo de combustible Diesel e incremento de mantenimiento de la planta de emergencia.

Obtención de resultados de la realización del proyecto.

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Metodología de medición de energía y demanda en tarifas horarias

La demanda máxima se calcula por tres subintervalos sucesivos de cinco minutos cada uno promediados. El costo de la energía se calcula de acuerdo con el consumo en KWh de acuerdo a sus precios en los diferentes horarios.En condiciones comunes el costo del KWh de horario pico es hasta tres veces el valor de la misma cantidad de energía en horario base.

Un punto que debe quedar claro es que es muy poco probable que el costo de la energía en periodo base generada localmente en un motor Diesel sea más bajo que el generado por la compañía suministradora.

Sin embargo es factible que ese no sea el caso de la energía en horario pico.

La verdadera ventaja en disminución de costo en energía viene en los estímulos otorgados que buscan reducir la demanda en periodos punta.Para consultar las tarifas eléctricas se recomienda acceder en internet el portal localizado en http://www.cfe.gob.mx en la sección “conoce tu Tarifa”.

Análisis del perfil de demanda existente en la instalación con el objetivo de optimizar del punto de corte y la frecuencia de control de demanda

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Para analizar el perfil de demanda de la instalación, se requiere instalar equipo de medición y obtener información detallada por lo menos un mes para poder comenzar el análisis a fondo.

Se requiere plasmar la información en un programa de hoja de cálculo, tal como Excel, Lotus o cualquier otra hoja de cálculo para llevar a cabo este análisis.

En la figura 18.1 se incluye una parte de una de estas hojas que se utilizó para llevar a cabo un estudio de cálculo de demanda máxima. Estas hojas de cálculo deben a su vez incluir la metodología de cálculo de costos de energía eléctrica.De esta manera se hace la comparación contra un nivel determinado de control de demanda, se analiza cuantas veces entraría en un mes típico el generador auxiliar. Y se puede aproximar el dato de la cantidad de energía que este generador producirá al mes. El costo de esta energía debe ser evaluado con cuidado, ya que se debe incluir el costo del combustible y el costo de mantenimiento por hora.

Al hacer la comparación de costos con y sin generación auxiliar en periodos de rebase de demanda máxima y calcular el costo de generación en el sistema auxiliar de soporte, se tendrá un indicativo cercano a la realidad que permitirá el planteamiento financiero del proyecto.

Cálculo de los valores máximos del subintervalo de medición actual con base en los dos anteriores

Por lo cual el valor del subintervalo presente se calcula basándose en los valores de demanda medida en los intervalos anteriores.

IP = 3 * VDM – IA – IAA

IP = Intervalo presente

VDM= Valor de demanda máxima

IA = Intervalo anterior

IAA = Intervalo previo al anterior

De esta manera es factible conocer el valor máximo a lograr en este subintervalo.

Al comenzar el intervalo presente, ya se conoce el valor máximo de demanda que puede llegar a tener sin exceder el valor programado. Durante el transcurso de este intervalo se ejecuta un programa de análisis que calcula la energía disponible por utilizar y calcula si la tendencia actual de consumo rebasará el nivel máximo programado. Las acciones a seguir no deben efectuarse durante los primeros 30 segundos del subintervalo, ya que aún no

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son suficientes los datos recabados. Después de los primeros 30 segundos, se decide el nivel de acciones a seguir.Normalmente se toman acciones en tres niveles:

1. Aviso

2. Acción

3. Emergencia

El aviso es una llamada de atención, que indica que existe la posibilidad de rebasar la demanda programada.

La acción indica que debe operarse algún dispositivo tal como una planta de emergencia o algún sistema de alimentación auxiliar que permita reducir la demanda en forma rápida.

El ahorro real de este procedimiento está en la reducción de la demanda facturable. Si a pesar de la utilización del generador auxiliar, la demanda no cambia su tendencia presente, se debe pasar a la situación de aviso de emergencia. Este aviso indica que es necesaria la desconexión de carga hasta el final del subintervalo de medición.

En un proyecto debidamente estructurado y planteado el aviso de emergencia para desconexión de carga, no debe llegar nunca a aparecer.El algoritmo de análisis y decisión del momento de arranque del generador auxiliar utiliza procedimientos de tipo “predictivo” y por “análisis de tendencias”, de tal manera que se toman las acciones antes de terminar el tercer subintervalo de promediación.Uso de algoritmos predictivos para decidir el arranque de dispositivos auxiliares de generación

El algoritmo predictivo tiene la característica de analizar el comportamiento actual y “ver” la posibilidad de rebasar la meta de demanda máxima.Para entender este algoritmo es necesario primero entender cómo se mide la demanda máxima.

A pesar de que la demanda es una unidad de potencia (KW), se mide como energía integrada en un periodo de tiempo. En México ese periodo es de 5 minutos, la medición de la demanda facturable se hace por medio de encontrar el valor más alto de tres subintervalos sucesivos de medición.

El algoritmo consiste en trazar una línea que indica el consumo de energía que daría un valor indicado como demanda máxima.Arriba de esta línea, trazan dos líneas más, una con un valor ligeramente superior (puede ser 5%) y otra con un valor mayor (puede ser 10%).

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Uso de plantas de emergencia para reducir el pico de demanda

Cuando es detectada la posibilidad de rebasar la demanda máxima, existen dos mecanismos a seguir:

1. Desconectar carga conectada de acuerdo con un programa de secuencias y prioridades que puede resultar complejo.

2. Obtener energía de una fuente auxiliar, que en este caso puede ser la planta de emergencia.

En algunos tipos de industria, la primera opción es requerida y puede resultar muy conveniente, por ejemplo controlar procesos de poco impacto a la línea de producción de la planta (bombeo de aguas y otros servicios).

Para el caso de instalaciones comerciales la segunda opción parece ser más adecuada, ya que es imprescindible la atención al público.

Aquí debe quedar claro que este sistema solo reducirá el costo de la demanda facturable.

El costo de la energía debe ser calculado de acuerdo a la planta de emergencia. No es de sorprender que el costo de la energía generada por la planta se aproxime o rebase el costo de la energía en periodo punta.

La disminución de costos real de esta solución viene en el abatimiento de la demanda en periodo punta. De acuerdo con las fórmulas de cálculo de demanda facturable, el impacto de la disminución de ésta en periodo punta puede ser de hasta un 80% en la disminución total del costo en este concepto.

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Control de demanda horario por acción de la planta de emergencia

Otra manera más completa aún es la de operar de forma ininterrumpida la planta de emergencia de manera continua durante todo el periodo punta. El ahorro es mayor, ya que también se disminuye el concepto de energía de punta y de demanda máxima

Consecuencias de este método de control de demanda en la operación de plantas de emergencia

El control de demanda llevado a cabo de esta manera, tiene como todo, sus ángulos a favor y en contra.Resumiendo estos aspectos:

1. Controla la demanda sin interrumpir la operación de cargas.

2. Permite tomar medidas mixtas de desconexión de cargas y arranque de la planta.

3. Aumenta el número de horas de utilización de la planta de emergencia.

4. Se debe encontrar el punto de equilibrio entre el nivel de control de demanda y el número de arranques de la planta de emergencia por mes.

5. Se requiere instrumentar la medición del nivel de combustible en la planta y posiblemente aumentar la capacidad de almacenamiento del tanque de combustible.

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6. Es necesario llevar un control preciso de la disminución de costo de energía eléctrica por concepto de demanda facturable.

7. El costo asociado al mantenimiento de la planta y el incremento de consumo de combustible deben ser evaluados cuidadosamente, para el cálculo del punto de equilibrio.

A muy grandes rasgos, el costo de la demanda facturable es un 25 a 40 % del total del costo de la energía eléctrica. La reducción de la demanda facturable puede llegar a ser de un 5 a un 20% con este método. Obteniendo totales absolutos, el objetivo de ahorro por este método de control deberá ser de alrededor de un 2.5% como mínimo hasta un 10%.

Los tiempos de amortización de un proyecto de este tipo deben de ser entre 4 y 12 meses. Una de las grandes ventajas a obtener será la cuantificación detallada de los costos de energía y su desglose por los diferentes componentes que la componen.

Cálculos de ahorro real, tomando en cuenta el costo de operación extra de la planta de emergencia

El ahorro real no es fácil de evaluar, ya que cada mes es diferente, pero como una aproximación a primer nivel, se contabiliza las ocasiones que entró en operación la planta, la disminución en kwh punta por esta razón y la disminución de la demanda en ese periodo de facturación.

Los costos de operación de la planta o generador auxiliar deberán ser evaluados cuidadosamente. El costo de generación de energía en plantas de emergencia es alto, muy posiblemente mayor que el costo de energía base o incluso intermedia; el ahorro de este tipo de acciones se refleja en la disminución de la demanda máxima medida en periodo punta.

De los primeros periodos de facturación, se podrá decidir si conviene extender la operación de este método de control a periodos intermedio o aún base.

Se debe recordar que la relación de desempeño contra disminución de costos varía en estos periodos y requiere de mayor número de arranques para una disminución económica de menor valor. Todos estos aspectos serán evidentes cuando se lleve a cabo la revisión del desempeño y el punto de equilibrio en la operación.

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