Optimización comparativa de la coordinación de relés de sobrecorriente en redes de distribución con generación distribuida: algoritmo del ciclo del agua frente a algoritmo genético y Big Bang–Big Crunch

Mantener las luces encendidas cuando la energía circula en ambos sentidos

A medida que hogares y negocios instalan paneles solares en tejados, pequeños aerogeneradores y otros generadores locales, la electricidad deja de fluir únicamente desde las grandes centrales hacia afuera. En su lugar, la energía puede moverse en muchas direcciones a la vez, especialmente cuando partes de la red operan como microrredes aisladas desconectadas del sistema principal. Este cambio favorece las energías limpias, pero complica enormemente garantizar que las fallas —como los cortocircuitos— se detecten y aíslen rápidamente sin desconectar a más clientes de los necesarios. Este estudio explora cómo los algoritmos de búsqueda modernos pueden ajustar los dispositivos de protección de la red para que sigan funcionando con fiabilidad en este nuevo y más complejo escenario.

Por qué las nuevas fuentes de energía confunden la protección antigua

Las redes de distribución tradicionales se construyeron con una idea simple: la energía fluye desde la red principal a través de líneas y transformadores hacia los clientes. Dispositivos de protección llamados relés de sobrecorriente vigilan la cantidad de corriente que pasa por ellos. Si esa corriente aumenta de forma repentina, señalando una falla, un relé cercano actúa primero mientras otros esperan un poco más para proporcionar respaldo. Esta temporización cuidadosa, llamada coordinación, asume que las corrientes de falla siempre provienen de una dirección. Una vez que se añaden generadores locales como paneles solares y turbinas eólicas por toda la red, esa suposición deja de ser válida. Las corrientes de falla pueden ahora originarse en múltiples puntos y en ambos sentidos, cambiando su magnitud y trayectoria según cómo estén configurados en cada momento los generadores y las líneas.

Cuando la red se convierte en una isla

El problema es aún más difícil cuando una red vecinal se desconecta del sistema mayor y funciona por sí sola, un modo conocido como operación en isla. En ese caso, los generadores basados en inversores proporcionan sólo una corriente de falla limitada, reduciendo la diferencia entre condiciones normales y de falla. Eso deja menos margen de error en la temporización de los relés: disparar demasiado rápido puede desconectar partes sanas de la red, disparar demasiado lento incrementa el riesgo de daños en el equipo y prolonga las interrupciones. Los autores estudian dos redes de prueba —un sencillo trazado radial de 9 barras y una malla más intrincada de 30 barras— para ver qué tan bien distintos métodos de optimización pueden hallar ajustes de relé que funcionen en condiciones conectadas a la red, con generación distribuida y en modo isla.

Permitir que los algoritmos busquen mejores ajustes

En lugar de ajustar los parámetros de los relés manualmente, los investigadores tratan la coordinación como un problema de optimización. El objetivo es minimizar el tiempo que tardan los relés primarios en despejar las fallas, manteniendo al mismo tiempo una separación temporal segura antes de que actúe cualquier relé de respaldo. Usan cálculos de corriente de falla procedentes de software especializado de sistemas de potencia y aplican tres algoritmos metaheurísticos —Algoritmo Genético (GA), Algoritmo del Ciclo del Agua (WCA) y Big Bang–Big Crunch (BB‑BC)— para explorar posibles ajustes del multiplicador de tiempo de cada relé. Estos métodos imitan procesos naturales como la evolución, el flujo del agua o la expansión y contracción cósmica para examinar un gran número de combinaciones sin necesitar gradientes matemáticos detallados.

Qué ocurre en redes simples y complejas

Para el sistema más simple de 9 barras en modo normal conectado a la red sin generación local, los tres métodos encuentran rápidamente buenas soluciones con tiempos de despeje cortos y coordinación adecuada. Cuando se añaden generadores distribuidos y las corrientes de falla se vuelven bidireccionales, la tarea se complica. GA encuentra el tiempo total de despeje más rápido pero en algunos casos se acerca o excede ligeramente el margen de seguridad deseado entre relé primario y respaldo. WCA y BB‑BC ofrecen tiempos totales algo más largos pero mantienen márgenes de coordinación más saludables. Bajo operación en isla, donde las corrientes de falla son más bajas y los márgenes más ajustados, GA vuelve a ofrecer el tiempo total más corto pero muestra una violación de coordinación en al menos un par de relés, mientras que WCA mantiene la coordinación a costa de una acción algo más lenta y BB‑BC presenta mayores dificultades. En la más compleja red mallada de 30 barras, que emplea relés que distinguen entre direcciones de falla hacia adelante y hacia atrás, los tres métodos tienen éxito, siendo WCA el que produce el tiempo combinado de despeje más bajo.

Qué significa esto para las redes del futuro

Para el público no especializado, la conclusión es que mantener un sistema eléctrico a la vez limpio y fiable es un acto de equilibrio. Forzar las temporizaciones de los relés para que sean lo más rápidas posible no siempre es la mejor opción cuando hay generadores locales basados en inversores y las corrientes de falla son modestas. En su lugar, métodos como el Algoritmo del Ciclo del Agua que equilibran rapidez, robustez y respeto por los márgenes de seguridad pueden ofrecer una protección más fiable a medida que las redes se vuelven más dinámicas y descentralizadas. El estudio sugiere que herramientas de optimización bien elegidas, combinadas con modelos realistas del comportamiento de las fallas, pueden ayudar a asegurar que, incluso cuando los flujos de energía se complican, las fallas se despejen de forma selectiva y la mayoría de los clientes sigan con suministro.»

Cita: Mohamed, R.E., Saleh, S.M. & Ahmad, A.G. Comparative optimization of overcurrent relay coordination in DG-integrated distribution networks: water cycle algorithm versus genetic algorithm and big bang–big crunch. Sci Rep 16, 10529 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43242-z

Palabras clave: generación distribuida, protección de microrredes, relés de sobrecorriente, coordinación de relés, optimización metaheurística