GeoDistNet: An Open-Source Tool for Synthetic Distribution Network Generation

Resumen Técnico: GeoDistNet

1. Planteamiento del Problema

El estudio de los sistemas de distribución eléctrica enfrenta una barrera crítica: la falta de acceso a datos reales de las redes de las utilidades debido a restricciones de confidencialidad, seguridad y propiedad comercial.

• Limitaciones de los modelos actuales: La mayoría de las investigaciones dependen de sistemas de prueba estándar (como el IEEE 33-bus), que son insuficientes para capturar la organización geográfica real, la heterogeneidad espacial y la estructura de corredores de las redes urbanas y suburbanas modernas.
• Brecha entre GIS y Simulación: Aunque existen datos geográficos públicos (como OpenStreetMap), estos no son directamente utilizables para análisis eléctricos. Un mapa de carreteras no define la radialidad de un alimentador, la ubicación de la fuente, los parámetros eléctricos ni la asignación de demanda. Existe una necesidad de una capa de construcción formal que traduzca datos geográficos brutos en modelos de red eléctricos radiales y simulables.

2. Metodología Propuesta: GeoDistNet

GeoDistNet es una herramienta de código abierto que genera redes de distribución sintéticas a partir de información geográfica pública. El flujo de trabajo se divide en cuatro etapas principales:

A. Extracción del Grafo Candidato

• Se parte de datos geográficos públicos (ej. OpenStreetMap), utilizando la red vial como scaffold espacial, ya que los alimentadores suelen seguir los corredores viales.
• Se limpia y simplifica el grafo de carreteras para eliminar detalles geométricos irrelevantes, conservando las intersecciones principales y la continuidad de los corredores.
• Se asigna un peso compuesto a cada arista basado en la longitud, la clase de la vía y la complejidad geométrica.

B. Síntesis de Topología (Optimización Mixta-Entera)

• El núcleo del método es formular la síntesis del alimentador como un problema de optimización mixta-entera (MIP).
• Objetivo: Seleccionar un subgrafo conectado y radial del grafo candidato que minimice una función de costo ponderada (fidelidad geográfica, compacidad topológica y longitud de ruta).
• Restricciones Clave:
  • Radialidad: El subgrafo seleccionado debe ser un árbol (número de aristas = número de nodos - 1).
  • Conectividad: Todos los nodos deben estar conectados a una fuente fija mediante un flujo de mercancía única.
  • Nodos Requeridos: Se garantizan nodos específicos (ej. adyacentes a la fuente o anclajes terminales).
• Se utiliza el solver Gurobi para resolver este problema y obtener la topología óptima.

C. Asignación de Parámetros Eléctricos y Cargas

• Parámetros: Una vez definida la topología, se asignan parámetros eléctricos representativos (resistencia y reactancia) basados en clases de líneas o vías, sin intentar calibrar activos específicos de una utilidad.
• Asignación de Carga: La demanda se distribuye espacialmente utilizando un proxy de ponderación basado en la intensidad de actividad local y la distancia a los centroides de demanda. Esto permite modelar patrones de carga diferenciados sin necesidad de datos confidenciales de clientes individuales.

D. Exportación y Validación

• El modelo final se exporta directamente a pandapower (un framework de código abierto para análisis de sistemas de potencia) para realizar estudios de flujo de carga en estado estacionario.
• La validación verifica la radialidad, las desviaciones de voltaje y la carga térmica de las ramas.

3. Contribuciones Clave

1. Flujo de trabajo abierto y reproducible: Presenta GeoDistNet como una herramienta que conecta datos geográficos públicos con modelos de alimentadores listos para simulación, eliminando la dependencia de modelos propietarios.
2. Formulación de Síntesis como MIP: Propone un enfoque de optimización para generar topologías que sean geográficamente creíbles, radiales y conectadas a la fuente, en lugar de simplemente replicar el grafo de calles bruto.
3. Integración de Análisis Eléctrico: Incorpora la asignación de parámetros y cargas, permitiendo la validación inmediata en entornos estándar de análisis de flujo de potencia.

4. Resultados del Estudio de Caso (Melbourne)

Se aplicó la herramienta en un área residencial de Melbourne, Australia, utilizando datos de OpenStreetMap.

• Configuración: Se generó un alimentador sintético representando 360 hogares (agregados en 82 puntos de carga) con una demanda pico de 1.44 MW.
• Características de la Red Generada:
  • La red resultante tiene 95 barras y 94 ramas, con una profundidad media de 11.20 saltos, lo que indica una estructura jerárquica realista (no una estrella plana ni una cadena trivial).
  • La longitud total de la ruta es de 9.68 km, logrando un equilibrio entre la estructura espacial real y la compacidad necesaria para la simulación.
• Validación Eléctrica:
  • Se probaron tres escenarios de carga (sanidad, representativo y estresado).
  • Los resultados mostraron un comportamiento de voltaje físicamente interpretable: las caídas de voltaje aumentaron con la carga de manera ordenada y estable.
  • Todos los voltajes se mantuvieron dentro de los límites operativos, demostrando que el modelo sintético es funcional para estudios de estado estacionario.

5. Significado e Impacto

GeoDistNet cierra la brecha entre los datos geográficos abiertos y los modelos de ingeniería eléctrica.

• Utilidad Práctica: Proporciona una alternativa viable a los datos de utilidades confidenciales, permitiendo investigaciones más realistas sobre capacidad de acogida, regulación de voltaje y coordinación de flexibilidad.
• Intermediario de Abstracción: La herramienta genera modelos que ocupan un nivel de abstracción intermedio ideal: conservan la organización espacial dominante del área de estudio pero eliminan el detalle geométrico excesivo que impediría la simulación eléctrica.
• Futuro: El marco es extensible para incluir datos regionales más ricos, demanda variable en el tiempo y recursos de energía distribuida (DER), facilitando estudios de series temporales y análisis de redes más diversas.

En conclusión, GeoDistNet ofrece un método reproducible y transparente para construir modelos de redes de distribución sintéticas que son tanto geográficamente fundamentados como eléctricamente utilizables.