Desarrollo de un Sistema de Monitoreo para caracterizar la generación, demanda y almacenamiento de energía en una microrred experimental

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Desarrollo de un Sistema de Monitoreo para caracterizar la generación, demanda y almacenamiento de energía en una microrred experimental

Julián David Casabón Martínez

Asesor: Javier Revelo Fuelagán, PhD.

Programa de Ingeniería Electrónica

Universidad de Nariño

Resumen

En este documento se presentan los resultados de la implementación de un prototipo de medición de variables eléctricas para el monitoreo de una red de energía, con el fin de evaluar el comportamiento del flujo energético y analizar la calidad de la potencia. La investigación se enfocó en desarrollar un sistema de monitoreo conformado de un componente de hardware y software, que permite obtener la medición de las variables requeridas para la caracterización de la generación, demanda y almacenamiento de energía en una red eléctrica. En lo que corresponde al componente de Hardware, se desarrolló una tarjeta electrónica donde el circuito integrado central es el ADE7953 de Analog Devices, que se encarga de realizar lecturas de medidas de variables eléctricas como voltaje, corriente, potencia, energía, entre otras, y que se comunica con el resto de la tarjeta por medio de un protocolo de comunicación SPI (Interfaz Periférica Serial).  En lo relacionado al software, se desarrolló una aplicación con una interfaz gráfica, programada a través de Python y diseñada con la herramienta QT Designer. Finalmente, se evaluó el funcionamiento del sistema de monitoreo con varios tipos de señales eléctricas para determinar la calidad de la potencia y energía. Además, se proyecta la aplicación de la tarjeta desarrollada para el monitoreo de una microrred experimental.

Palabras clave: ADE7953; Sistema de monitoreo; Calidad de la potencia.

1. INTRODUCCIÓN

    I-A. Definición del problema.

En la última década, el estudio y la implementación de energía eléctrica a través de fuentes renovables ha provocado un interés global, con el fin de reducir una serie de sucesos poco favorables para la generación de energía, como por ejemplo el cambio climático y el crecimiento de la economía mundial, entre otros, lo cual ha desencadenado un cambio en la forma de usar la energía, transformándola en uso intensivo que genera un alto consumo de energía [1].

    Por este motivo, se debe buscar métodos alternativos no contaminantes de generar energía eléctrica, capaces de suplir las necesidades de una red eléctrica que opere de manera óptima y reduzca las pérdidas de la producción de energía eléctrica causadas por generación centralizada en grandes centros de consumo alejados [2]. Por eso, hoy en día, la innovación tecnológica y un cambio en el entorno económico y regulatorio han dado como resultado, un interés renovado por la generación distribuida. Sin embargo, la evolución hacia un sistema descentralizado requiere una serie de cambios técnicos que no alteren la calidad de potencia, el desarrollo de nuevas tecnologías de comunicación, monitoreo y control y, la incorporación de fuentes de energía renovables, entre otros [3].

    De este modo, la generación distribuida es una alternativa para la solución de problemas técnicos, económicos y ambientales de los sistemas actuales de energía, siendo un sistema de distribución a pequeña escala en el cual las fuentes de generación, están cerca de los centros de consumo [4] [5]. Al crecer la demanda, se requiere mayores potencias generadas, lo que se traduce en centrales de generación más robustas y, como alternativa, se incluye las fuentes renovables [6] [7]. Las principales ventajas técnicas de la generación distribuida son reducción de las pérdidas de línea, mejoras en el perfil de tensión, reducción de las emisiones contaminantes, aumento de la eficiencia energética, fiabilidad, seguridad mejorada del sistema y la mejora de calidad de la energía [8].

    Esta modernización se ha extendido por toda la industria eléctrica, planteando un concepto que comprende un conjunto de soluciones tecnológicas enfocadas a la actualización del sistema eléctrico de potencia para desarrollar una Red Inteligente (Smart Grid), la cual consiste en una red que está equipada con esquemas de soportes de comunicación y técnicas de medida que tengan la posibilidad de ser visualizados en tiempo real desde diferentes dispositivos electrónicos, para mejorar tanto la confiabilidad como la protección, ante posibles perturbaciones no deseadas [9].

    Por lo anterior, la presente investigación se enfoca en el desarrollo práctico de un sistema de monitoreo para una microrred experimental. Para ello, se diseña una tarjeta electrónica que pueda conectarse a la red, con el fin de realizar una lectura de medición de variables eléctricas como voltaje, corriente, potencia y energía, entre otras.

    I-B. Estado del arte.

Actualmente, las microrredes son utilizadas como alternativas de solución para la entrega de potencias de forma más eficiente, teniendo en cuenta condiciones y eventos que puedan ocurrir en una red. Por esta razón, ha sido importante el desarrollo de proyectos de investigación que involucren técnicas no convencionales para la gestión de la energía, donde se ha logrado resultados confiables. Por tanto, es importante resaltar los trabajos más recientes basados en sistemas de medición en microrredes, que aportan al desarrollo de este trabajo.

    Para realizar un prototipo de monitoreo, se requiere sistemas de medición seguros, confiables y cómodos para un operario. Un ejemplo similar se muestra en [10], donde se presenta un sistema de comunicaciones basado en sensores inalámbricos que permiten toma de decisiones necesarias para el control del sistema en una microrred en modo ‘isla’.

    En [11] se evidencia la implementación de elementos estructurales en una Infraestructura de Medición Avanzada (AMI), donde los dispositivos de medición, adquisición y transmisión de datos implementados realizan las funciones de monitoreo de los elementos de generación y consumo de una microrred, con la finalidad de garantizar calidad de potencia energética.

    Por otra parte, en [12] se propone un sistema de medición para un modelo de microrred (IEEE 13) escalado a 42V, a fin de adaptar o diseñar dispositivos electrónicos que se ajusten a las condiciones eléctricas del sistema, que sean económicos y que estén en capacidad de recolectar y transmitir de forma inalámbrica, datos a un NOC (Network Operation Center) donde se evalúa la efectividad de la transmisión de datos al momento de realizar mediciones de tensión y corriente.

    Por ello es necesario el estudio de la energía en redes no convencionales y la Universidad de Nariño cuenta con un potencial interesante al emprender en temas de redes y energías renovables, por lo que se acude a [13] para el conocimiento de un Sistema de Gestión de Medida, desde el proceso de diseño hasta la implementación de un prototipo de medidor inteligente en la microrred de la universidad. Este dispositivo se caracteriza por el constante registro de medidas con resolución de 24 bits, suficiente para realizar análisis de calidad de la potencia. Además, se integra al sistema SCADA, a través de protocolos abiertos con técnicas de ciberseguridad programada, para darle paso al diseño de plataformas de gestión para monitorear variables eléctricas.

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