Los sistemas de protección y control en pequeñas plantas hidroeléctricas han avanzado espectacularmente en los últimos años. En la primera mitad del siglo XX, las pequeñas plantas hidroeléctricas usaban relés cableados para operación semi-automática de los elementos auxiliares de la turbina, y un sistema de gobierno mecánico para el control de la velocidad. Con el desarrollo de la tecnología del microprocesador, un gran número de posibilidades aparecieron para facilitar el control.
El primer avance importante llegó con los PLC en los años 70, cuando se consiguió un gran avance en los hydro controles. El PLC comenzó a usarse para sustituir la lógica cableada. El PLC realiza la misma función que los relés cableados pero con mucha más flexibilidad. Sin embargo, la mayoría de los primeros PLC tenían solamente capacidades matemáticas básicas. Sin programación de mayor nivel, funciones como el control de caudal son muy complejas.
En los años 80, la introducción del microprocesador permitió el uso de funciones como bucles PID permitió aumentar las funciones e interconectar un amplio rango de dispositivos.
Los modernos PLC son una de las herramientas más poderosas para controlar pequeñas centrales hidráulicas. El control y supervisión de la estación generadora puede hacerse fácilmente mediante PLC. Mediante un enlace de comunicación, puede también controlarse el gobierno de la central. El PLC puede adquirir información sobre fallos o todas las mediciones suministradas por los sensores de regulación.
Automatización de pequeñas centrales hidroeléctricas
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La automatización permite eliminar la necesidad de personal cualificado operando el equipo manualmente.
Los sistemas automáticos leen la información en la operación del status del equipo, y luego activan comandos o controles que permiten optimizar la producción. Sin embargo, este tipo de sistema necesitará personal especializado. El operador del sistema automático todavía tendrá que hacer los cambios necesarios en los comandos o controles, según la demanda de producción. Esta aproximación no requiere supervisión a tiempo completo de un operador.
Lo mismo se aplica a un sistema automático. El sistema automático también lee la información del estatus de operación del equipo, y luego activa comandos o controles para optimizar la producción. El sistema de gestión que comprende las herramientas necesarias para obtener información en tiempo real, proporcionar control remoto y local y sistemas de protección avanzados. Un proyectos de automatización constan de cuatro bloques bien diferenciados:
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a) Sistemas de protección.
b) Sistemas de control.
c) Sistemas de medición.
d) Sistemas de supervisión.
Necesidad de automatización
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Sí bien las grandes centrales hidroeléctricas requieren un sofisticado sistema de control y protección, esto mismo no se aplica a las pequeñas centrales. Los motivos son los siguientes:
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a) Altos costes del equipo de control y protección. Sí bien en las grandes plantas, el coste de los sistemas de control y protección no es significativo comparado con la inversión total; el coste proporcional es mucho más elevado en las pequeñas plantas hidroeléctricas. Por ello un sistema más barato puede proporcionar los requerimientos de control y protección necesarios.
b) Las pequeñas centrales hidroeléctricas se sitúan normalmente en áreas remotas donde no se dispone de operadores con la pericia adecuada. Esto es a menudo lleva a que aparezcan numerosos problemas causados por errores operacionales, o acciones correctoras no tomadas a tiempo, etc. El sistema de control debe ser simple y fácil de operar.
c) El mantenimiento y reparación de a ser difícil cuando las piezas y el personal adiestrado son escasos. Se requieren en estos casos tan libres de mantenimiento o como sea posible.
d) El coste de operación tiene que mantenerse bajo en las minicentrales hidroeléctricas: De aquí que el sistema se diseñe para operar con el mínimo personal. Los controles automáticos y semi/automáticos ahorran costes operacionales. Por ello será necesario seleccionar sistemas de control simple, fiables y baratos. El sistema de control convencional usan equipos separados para gobernar la turbina, generador, control de la excitación, control y protección de plantas. Estos controles tienden a ser complicados y difíciles de mantener, pero otros como el control remoto o pueden realizarse más fácilmente.
La incorporación de un sistema de automatización en una pequeña central hidráulica es relevante por los siguientes motivos:
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e) Las plantas hidroeléctricas arrancan y paran más frecuentemente.
f) Las unidades hidroeléctricas también proporcionan flexibilidad de cambiar el modo de operación. Por ejemplo, control de kw o control de nivel.
g) Proporciona operación exitosa, eficiente y uniforme.
h) Las plantas se sitúan en áreas remotas con difícil acceso.
Beneficios de automatizar una pequeña central hidroeléctrica
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Normalmente, podremos implementar un sistema de automatización que mejore la eficiencia, la productividad y la gestión de operación del sistema. La automatización será la mejor respuesta a las necesidades y servicios de producción. Los principales beneficios que obtendremos serán los siguientes:
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a) Eficiencia en la producción de energía de la planta mejorada a casi el valor más práctico que sea posible asegurando la operación optimizada de cada unidad de generación y compartiendo las cargas óptimas entre unidades. Un
b) Flexibilidad de cambiar el modo de operación. Por ejemplo, control de kW, control de nivel.
c) Operación remota posible.
d) La formación completa de la planta estar disponible on-line en cualquier momento.
e) Utilización eficiente del trabajo.
f) Mantenimiento o más rápido y fácil.
g) Reducción de paradas no programadas por diagnósticos on-line.
h) Simplicidad en la instalación.
i) Reducción en la intervención humana.
j) Capacidad de trabajar en red.
k) Capacidad para integrar funciones de control de planta en un sistema de hardware.
l) Espacio de paneles reducido.
m) Rendimiento ha mejorado.
n) Seguridad contra las operaciones equivocadas del operador.
o) Mejora en la disponibilidad del sistema.
p) Arranque y parada de las máquinas más rápidos que en operación manual.
q) Guía al operador para optimizar la generación haciendo funcionar la central con la mejor eficiencia.
r) Cableado de interconexión reducido.
s) Coordinación del diseño.
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Controlador lógico programable
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El controlador lógico programable es básicamente un aparato electrónico digital; es una memoria programable para almacenar instrucciones e implementar tareas específicas de control. En los primeros días del desarrollo de PLC, se usó principalmente para reemplazar relés cableados en paneles de control. La principal ventaja de usar PLC es la flexibilidad del relé cableado. Como se menciona en la sección anterior, es muy fácil añadir, sustraer o modificar el relé y cableado en forma de escalera lógica. Las modificaciones pueden hacerse simplemente reprogramando un PLC, lo cual es muy fácil.
Los beneficios de los controladores de lógica de relés para computar controladores basados en microprocesadores se deben a los siguientes motivos:
a) Las variables de entrada y salida de control de sistemas discretos son binarios.
b) La mayoría de los relés de control del diagrama de la escalera pueden reemplazarse por software, ya que el riesgo de fallo de software será menor.
c) Es fácil hacer cambios en una secuencia programada de eventos cuando solamente hay un cambio en el software.
d) Las funciones especiales tales como las acciones de demora de tiempo y contadores son fáciles de programar.
e) Con el desarrollo de la industria de semiconductores es muy fácil controlar alta potencia ac/dc en respuesta a los comandos de bajo nivel de un computador, tales dispositivos semiconductores incluyen SCRs y TRIACs.
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Los PLCs se basan en microprocesadores y pueden realizar cálculos matemáticos complejos y funcionar también como lógica, secuenciación, temporización y contador. La programación de PLC es fácil y usualmente se hace en un diagrama de escalera o diagrama de función. Los rangos de PLCs disponibles hoy en día varían de pequeñas unidades a sistemas modulares con módulos de función adicionales. Añadir un módulo puede consistir en un módulo de entrada/salida analógico, módulo de control PID, módulo de comunicación y memoria adicional del módulo gráfico.
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Componentes del PLC
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El PLC consiste en una unidad de procesamiento central (CPI). Controla y supervisa todas las operaciones, memorias para el programa y almacenamiento de datos, y unidades de entrada/salida con interface en el mundo real. Los microprocesadores adicionales pueden emplearse para controlar funciones complejas, consumidoras en tiempo tales como los procesadores matemáticos, control PID, etc. Para almacenamiento del programa, se usan dispositivos tales como memoria RAN y EPROM. El tamaño de PLC difiere de PLC a PLC y depende del número de instructores que pueden almacenarse y procesarse. El canal de entrada/salida se aísla del interior usando opto-aisladores. Pueden requerirse módulos I/O tanto analógicos como digitales.
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Procesador
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El Procesador ejecuta un programa para realizar la operación especificada en el diagrama de escalera. El procesador realiza operaciones aritméticas y lógicas en los datos de las variables de entrada y determinan el estado apropiado de las variables de salida. El procesador funciona bajo un sistema de operación de supervisión permanente que dirige las operaciones totales de entrada y salida de datos para la ejecución de los programas de usuario.
AUTOMATIZACIÓN DE PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS USANDO PLC
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La operación de un sistema implica más que la simple regulación de una variable controlada. El requerimiento de los medios de regulación significa que algunas variables tienen a variar de forma continua debido a las influencias externas. Pero el caso de las minicentrales hidroeléctricas es muy diferente, hay grandes procesos en minicentrales hidráulicas en las una variable tiene que controlarse por una secuencia de eventos.
El objetivo de la automatización de minicentrales hidroeléctricas es conseguir electricidad del agua. Tal operación típicamente implica muchas operaciones y pasos. Algunos de estos pasos ocurrirían en series y ocurrirían en paralelo. Algunos eventos pueden implicar configuración de estados discretos en la planta como apertura o cierre de válvulas, accesorios, etc. Otros eventos pueden implicar regulación de algunas variables continuas en el tiempo o duración de la operación. Por ejemplo es muy importante mantener la velocidad constante de una máquina para quedar en sincronización con otra máquina. Por ello la operación de las minicentrales es una combinación de procesos discretos y continuos.
En los primeros días del desarrollo de los PLC, los microprocesadores eran un medio muy importante de hacer estas tareas pero el número de relés no quedaba afectado. Pero con ayuda de los PLC, se minimiza el uso de relés cableados. Un PLC tiene bastante número de relés como para hacer esta operación. Las ventajas de estos relés son que son digitales, de forma que se minimiza el daño del sistema, ser reduce el coste y el mantenimiento. Si hay necesidad de cambiar el sistema de control, sólo el programa puede cambiarse y hacerse fácilmente sin ninguna implicación en coste.
Los PLC son capaces de realizar estas operaciones de forma muy efectiva. Los PLC son convenientes para sistemas de control discretos. Donde la secuencia de eventos se programa para formar una diagrama de escalera. Por ejemplo la secuencia de eventos al arrancar una máquina implica control de estados discreto, como sensores de presión, limitadores, etc. Otros eventos son puramente continuos o pueden ser combinación tanto de procesos continuos como discretos.
En procesos continuos podemos necesitar convertir la señal analógica al valor aceptable al PLC y luego con convertidores A/D convertidos a entradas digitales de procesador. Un algoritmo de control se despliega para conseguir una señal de control de la variable. Para calcular el error, los algoritmos pueden aplicarse para conseguir una señal de control. De esta forma la señal se convierte en señal analógica y luego amplifica al control de la variable.
Para un control más preciso pueden desarrollarse algoritmos PID. Hay módulos separados disponibles en el PLC para este propósito, y se denominan módulos PID. Dependiendo de la acción de control, la velocidad y exactitud de la respuesta del sistema, la señal de error puede amplificarse usando cualquier combinación de acciones proporcionales, integrales y derivativas que pueden combinarse entre sí para conseguir la acción de control deseado. Para todos los controles continuos tales como control de gobierno, control de carga, control de nivel, control de caudal, control del factor de potencia, etc. Un algoritmo PID puede desplegarse en forma de diagrama de escalera y el PLC puede usarse para propósitos de control.
Los controladores lógicos programables (PLC) pueden usarse para auto operación de la minicentral hidroeléctrica. Varias funciones y controles pueden alcanzarse programando el PLC. Pueden realizarse varias funciones distintas al control continuo, registro de datos, instrumentación y protección. Puede realizarse comunicación con PLC para realizar operaciones remotas. Para propósitos de control continuo, un computador personal puede conectarse con PLC y obtener regularmente datos continuos. PLC puede programarse de acuerdo con los requerimientos operacionales y modos de operación como grid conectada y aislada, control completamente automático y semiautomático, etc. De esta forma todas las funciones pueden integrarse en un único PLC, que originará una reducción de los costes totales, facilidad de operación y mantenimiento.
El controlador de planta de tipo de Controlador Lógico Programable (PLC) combinado con PC basado en sistemas SCADA se usa para control de planta y adquisición de datos. Esto hace que el sistema sea económicamente viable y de esta forma puede ser conveniente para muchas minicentrales hidráulicas. Se considera que el sistema de control digital dedicado con interface con PC digital, por redundancia, así como adquisición y almacenaje de datos puede realizar todas las funciones de gobierno, control de unidad y protección, así como almacenamiento de datos y redundancia.
Los sistemas SCADA pueden ser parte de un gobierno digital basado en PC y equipo de control de generación.
Bibliografía: Automation de Small Hidropower Station. International Conference on Small Hydropower – Hydro Sri Lanka October 2007
Los sistemas de protección y control en pequeñas plantas hidroeléctricas han avanzado espectacularmente en los últimos años. En la primera mitad del siglo XX, las pequeñas plantas hidroeléctricas usaban relés cableados para operación semi-automática de los elementos auxiliares de la turbina, y un sistema de gobierno mecánico para el control de la velocidad. Con el desarrollo de la tecnología del microprocesador, un gran número de posibilidades aparecieron para facilitar el control.
El primer avance importante llegó con los PLC en los años 70, cuando se consiguió un gran avance en los hydro controles. El PLC comenzó a usarse para sustituir la lógica cableada. El PLC realiza la misma función que los relés cableados pero con mucha más flexibilidad. Sin embargo, la mayoría de los primeros PLC tenían solamente capacidades matemáticas básicas. Sin programación de mayor nivel, funciones como el control de caudal son muy complejas.
En los años 80, la introducción del microprocesador permitió el uso de funciones como bucles PID permitió aumentar las funciones e interconectar un amplio rango de dispositivos.
Los modernos PLC son una de las herramientas más poderosas para controlar pequeñas centrales hidráulicas. El control y supervisión de la estación generadora puede hacerse fácilmente mediante PLC. Mediante un enlace de comunicación, puede también controlarse el gobierno de la central. El PLC puede adquirir información sobre fallos o todas las mediciones suministradas por los sensores de regulación.
Ayer revisábamos algunas opciones de automatización para centrales hidroeléctricas (ver “Soluciones de automatización para centrales hidroeléctricas”). Hoy vamos a hablar de las soluciones existentes para la modernización de centrales hidroeléctricas existentes. 
La energía hidroeléctrica es la fuente renovable más utilizada en el mundo. Produce aproximadamente el 20% de la energía eléctrica mundial y casi el 90 % de la electricidad generada de fuentes renovables. Una central hidroeléctrica puede generar energía con un amplio rango de capacidades, en este artículo hablamos del equipamiento electrónico de las centrales hidroeléctricas.
La generación distribuida pasa por integrar diferentes soluciones que trabajando en conjunto contribuyan a solucionar las carencias energéticas de un país, región o incluso de una planta industrial de gran consumo. En cursos de agua permanente de regiones montañosas la energía hidroeléctrica mini/micro es una solución altamente viable y amiga del medio ambiente que genera una energía constante que puede utilizarse "in-situ" y a la vez se integra con mucha mayor facilidad en las redes de distribución sin originar perturbaciones. En el caso de la energía hidroeléctrica mini/micro, el rango de capacidad de la energía hidroeléctrica mini/micro, abarca desde varias docenas a 500 kW aproximadamente hasta varios Mw, su potencial no necesariamente corresponderá al potencial de la energía hidroeléctrica de mediana y gran escala. Esto es debido a que el potencial hidroeléctrico mini/micro es factible con un salto que varía de varios metros a varias docenas de metros y es necesario que las centrales eléctricas estén cerca de los lugares de consumo, pudiéndose construir mini-redes aisladas y en consecuencia se evita también el gran coste de la construcción de las las líneas de distribución.
En varias ocasiones hemos hablado del aprovechamiento hidroeléctrico en economías emergentes (ver "Crisis financiera y cambio climático en Latinoamérica", "Eficiencia energética y generación distribuida en Cuba" y "Perspectivas para invertir en energías renovables en el Perú"). De manera particular tratamos esta cuestión en "Aprovechamiento hidroeléctrico a pequeña escala en economías emergentes").
El aprovechamiento de los recursos hídricos para producir energía eléctrica en economías emergentes ha sido muchas veces objeto de polémicas intensas, y las causas fundamentales han sido la ejecución de proyectos a gran escala que obligaban a desalojar poblaciones locales y destruían el bosque tropical. La destrucción del bosque ha sido la norma en la mayoría de los aprovechamientos hidroeléctricos, ignorando los severos efectos económicos y ecológicos (ver por ejemplo “NFA must stand firm against encroachers”). Estas explotaciones hidroeléctricas a gran escala se han planteado siempre de forma que la energía eléctrica producida en las turbinas se transforma a altos voltajes y se transporta mediante redes de distribución a grandes distancias.
Sin embargo, el actual auge en la producción de energías renovables ha abierto nuevas posibilidades, que ya tratamos hace tiempo en el blog (ver “Energía descentralizada para comunidades remotas”. Las ventajas de la generación distribuida son enormes cuando se ejecutan pequeños proyectos de distribución de energía eléctrica (5 kw – 15 Mw) en el entorno rural de las economías emergentes, puesto que permite la electrificación de pueblos o el incremento de la energía suministrada a ciudades con problemas de discontinuidad en el suministro eléctrico por problemas de exceso de demanda. Entre otras ventajas, con este tipo de sistemas de generación, se disminuyen los costes asociados al transporte y el impacto ambiental de los proyectos.
En este artículo vamos a tratar con cierto detalle el aprovechamiento hidrológico a pequeña escala en economías emergentes: a) Descripción de los proyectos, b) Estrategias de inversión y c) Riesgos asociados a estas inversiones.
