Infraestructura de medición avanzada para microrredes eléctricas

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(1)INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. Autor Tatiana Morales Vega Tutores Francisco Santamaría Piedrahita, Ph.D César Leonardo Trujillo, Ph.D. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones Énfasis en Teleinformática Bogotá, Colombia febrero de 2018.

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(3) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. Tabla de Contenido. Resumen ..............................................................................................................................8 Palabras Clave .....................................................................................................................8 1.. INTRODUCCION...........................................................................................................9 1.1. 2.. 3.. 4.. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................9. Objetivos......................................................................................................................13 2.1. Objetivo General ..................................................................................................13. 2.2. Objetivos Específicos ...........................................................................................13. MARCO TEÓRICO ......................................................................................................14 3.1. MICRORREDES ELÉCTRICAS ...........................................................................14. 3.2. Gestión de la Energía en Microrredes..................................................................16. 3.2.1. Sistema de Gestión en microrredes ..............................................................16. 3.2.2. Estrategias de gestión para el sistema de gestión en microrredes ...............17. ARQUITECTURA DEL SISTEMA AMI ........................................................................19 4.1. MÓDULOS DEL SISTEMA AMI ...........................................................................19. 4.1.1. Unidad de medida .........................................................................................20. 4.1.2. Unidad concentradora ...................................................................................20. 4.1.3. Sistema de gestión y operación ....................................................................20. 4.1.4. Sistema de comunicaciones .........................................................................21. 4.1.5. Interfaces del sistema AMI ............................................................................23. 4.1.6. Seguridad ......................................................................................................26. 4.2. REQUISITOS PARA EL SISTEMA AMI ...............................................................26. 4.2.1. Requisitos de la unidad de medida ...............................................................26. 4.2.2. Requisitos de la unidad concentradora .........................................................31. Página | 3.

(4) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 5.. 4.2.3. Requisitos del sistema de gestión y operación .............................................32. 4.2.4. Requisitos de comunicaciones......................................................................33. 4.2.5. Requisitos de seguridad................................................................................35. IMPLEMENTACION Y PRUEBAS...............................................................................39 5.1. IMPLEMENTACION AMI......................................................................................39. 5.1.1. Unidad de Medida .........................................................................................39. 5.1.1. Módulo de seguridad.....................................................................................45. 5.1.2. Módulo de comunicaciones...........................................................................46. 5.1.3. Unidad concentradora ...................................................................................47. 5.1.4. Sistema de gestión y operación ....................................................................48. 5.2. PRUEBAS DEL SISTEMA AMI ............................................................................51. 5.2.1. Pruebas de la Unidad de medida ..................................................................53. 5.2.2. Pruebas de comunicaciones .........................................................................58. 5.2.3. Prueba de seguridad .....................................................................................61. 6.. CONCLUSIONES ........................................................................................................67. 7.. LINEAS FUTURAS ......................................................................................................68. 8.. REFERENCIAS ...........................................................................................................69. 9.. ANEXOS......................................................................................................................72 9.1. Características eléctricas de los sensores ...........................................................72. 9.2. Diagramas circuitales de la unidad de medida .....................................................74. 9.3. Código pruebas AES ............................................................................................77. 9.4. Código encriptación..............................................................................................81. 9.5. Código del dispositivo de procesamiento dsp ......................................................83. Página | 4.

(5) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. Listado de Figuras Figura 1. Esquema de una microrred [21] ..........................................................................15 Figura 2. Arquitectura del sistema AMI...............................................................................19 Figura 3. Modelo ISO-OSI de referencia de siete capas ....................................................24 Figura 4. Flujo de datos y señales de control en una microrred .........................................34 Figura 5 Esquema general del ataque MINM .....................................................................37 Figura 6.Módulos del sistema AMI implementado ..............................................................39 Figura 7 Módulo Medidor ....................................................................................................40 Figura 8. Vista frontal de la etapa de sensores del medidor ..............................................40 Figura 9. Diagrama de bloques de la sección de acondicionamiento de la señal de tensión ............................................................................................................................................41 Figura 10.Diagrama de bloques del acondicionamiento de la señal de medición de frecuencia. ..........................................................................................................................42 Figura 11.Diagrama de bloques del acondicionamiento de la señal de corriente. .............42 Figura 12. Diagrama de bloques del acondicionamiento de corriente para generar PWM 43 Figura 13.Diagrama de bloques para la obtención del PWM del ángulo de desfase. ........44 Figura 14.Vista frontal del módulo de acondicionamiento de señales y procesamiento de datos ...................................................................................................................................45 Figura 15 Composición del sistema de seguridad del AMI .................................................45 Figura 16 Etapas del sistema de comunicaciones .............................................................46 Figura 17.Vista frontal módulo de comunicaciones ............................................................47 Figura 18. Composición de la unidad de medida ...............................................................47 Figura 19. Diagrama de flujo del algoritmo de toma de decisión del sistema de gestión y operación ............................................................................................................................49 Figura 20 Esquema del sistema AMI sobre la microrred ....................................................52 Figura 21.Topología de la unidad de medida del sistema AMI sobre la microrred .............52 Figura 22 Disposición de los módulos para las pruebas del medidor ................................53 Figura 23. Montaje de los medidores AMI para pruebas de las unidades de medida, concentrador .......................................................................................................................54 Figura 24 Módulos de gestión y operación .........................................................................56 Figura 25. Composición de la trama de datos de la unidad de medida..............................56 Figura 26. Método de captura de datos para el sistema AMI .............................................57. Página | 5.

(6) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. Figura 27 Prueba del módulo de comunicaciones..............................................................58 Figura 28. Medición del espectro radioeléctrico en la banda de 868.5 MHz (LoRa) ..........59 Figura 29 Topología de la red LoRa en estrella para las pruebas de comunicaciones ......60 Figura 30 Prueba de seguridad ..........................................................................................61 Figura 31 Descripción del certificado SSL ..........................................................................62 Figura 32 Archivo de clave pública RSA ............................................................................63 Figura 33 Lectura del mensaje en el servidor.....................................................................64 Figura 34 velocidad promedio de autenticación .................................................................65 Figura 35 Mensaje de prueba y su velocidad promedio de envío. .....................................66 Figura 38 Diagrama circuital del módulo de sensores........................................................74 Figura 39 Diagrama circuital del circuito de acondicionamiento y protección ....................75 Figura 40 Diagrama circuital del dispositivo de procesamiento DSP .................................76. Página | 6.

(7) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. Listado de Tablas Tabla 1 Referencias normativas para los requisitos metrológicos de la Unidad de Medida ............................................................................................................................................28 Tabla 2 Componentes utilizados en la unidad de medida ..................................................41 Tabla 3 Componentes utilizados en la unidad concentradora ............................................51 Tabla 4 Comparación tensiones de entrada vs unidad de medida.....................................54 Tabla 5 Comparación corrientes de entrada vs unidad de medida ....................................55 Tabla 6 Resultados del delay y PDR para el transmisor de la unidad de medida ..............60 Tabla 8-1. Características del transductor de corriente LEM (LTSR 25-NP). .....................72 Tabla 8-2. Características del transductor de tensión LEM (LV-25P). ...............................73. Página | 7.

(8) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. RESUMEN. En este proyecto se diseñaron e implementaron los elementos estructurales de una Infraestructura de Medición Avanzada para microrredes eléctricas, atendiendo los requisitos y recomendaciones principales plasmados en la norma NTC 6079 de 2014. Los dispositivos de medición, adquisición y transmisión de datos implementados realizan las funciones de monitoreo de los elementos de generación y consumo en una microrred, que son administrados por un sistema de gestión y operación ubicado en un dispositivo concentrador, éste a su vez mantiene el balance de potencia entre las fuentes y las cargas para la asignación de conexión/desconexión de dispositivos en la microrred. Establecidos los elementos estructurales del sistema AMI, al sistema se le realizaron dos tipos de pruebas, la primera orientada al funcionamiento de la unidad de medida, transmisión de datos y el sistema de gestión; y la segunda con la validación del funcionamiento del sistema de seguridad.. PALABRAS CLAVE. Generación Distribuida, Microrredes Eléctricas, Fuentes No Convencionales de Energía, Sistema de Medición.. Página | 8.

(9) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 1. INTRODUCCION. Las microrredes eléctricas surgen como solución a la generación de energía en el mismo lugar de consumo, incluyendo las zonas donde no hay conexión a la red eléctrica convencional. Se hace uso de la generación distribuida involucrando fuentes no renovables para mantener la autonomía en el servicio. Debido a que los recursos disponibles no son continuos como la generación eólica y la radiación solar, hacen que la intermitencia en la generación sea común y más acentuada en zonas apartadas. La forma de realizar un balance adecuado entre la generación y consumo, requiere del uso de modelos de gestión de energía apoyados en las tecnologías de la información y comunicaciones que permitan tener actualizado en tiempo real el estado de los elementos de la microrred. De esta forma, los grupos de investigación LIFAE, GCEM y GITUD han desarrollado diversos proyectos aplicados a microrredes eléctricas con la financiación del Centro de Investigaciones y Desarrollo Científico (CIDC), con el propósito de tener una infraestructura eléctrica con diferentes fuentes no renovables y cargas controladas, formando investigadores desarrollando proyectos en Control, Gestión Energética, Comunicaciones y Electrónica de Potencia que permitan ser un referente nacional en el área.. 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Recientemente ha sido aceptado he implementado en todo el mundo el concepto de microrred, debido a sus características de mejor utilización de energía, reducción de la demanda, y el uso extendido de fuentes renovables de energía. Estas son utilizadas junto a sistemas avanzados de potencia con funciones automáticas de monitoreo, diagnóstico y reparación. En ellas la medición de varios parámetros se ha convertido en una tarea crucial [1] ya que varias circunstancias cambian los parámetros de la red, tales como fluctuaciones. Página | 9.

(10) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. en la demanda, defectos en transformadores, aparición de armónicos, perturbaciones atmosféricas, etc [2]. Las redes eléctricas del futuro son sistemas inteligentes de suministro de energía que soportan integración de potencia (plug and play) y servicios de información y seguridad. Poseen un amplio rango de atributos que les permite hacer frente a la distribución de flujo de potencia, entrega intermitente de energía, fallos en las líneas de transmisión, sistemas de almacenamiento de energía, comandos y control de la infraestructura para lograr mayores eficiencias [3]. Esto se logra con el desarrollo de una infraestructura avanzada de medición (AMI por sus siglas en ingles), sin embargo, las investigaciones enfocadas al desarrollo de AMI, hasta ahora están empezando. Por lo general, los dispositivos AMI deben comunicarse con los demás dispositivos a través de varios protocolos de comunicaciones, medios físicos, y túneles seguros; así como transferir los datos siguiendo políticas o protocolos de seguridad, ya que ataques a la seguridad debido a errores de configuración o a violaciones de restricciones tienen el potencial de causar daños críticos, incluyendo cortes de energía y destrucción de equipos [4]. En una microrred se realizan dos actividades primordiales, como lo son la gestión de los recursos energéticos [5] y el control en los equipos de conversión de energía [6], orientados a mantener el balance de la energía generada por las fuentes y su consumo en las cargas. En ese sentido el sistema se torna inteligente en la medida que pueda identificar la demanda y se logre asignar los recursos energéticos disponibles en tiempo real prolongando así la autonomía de la microrred [7]. Las fallas en el servicio energético en una microrred aislada están ligadas a la desatención de la demanda [8], debido a la falta de recursos energéticos disponibles, requiriendo así del suministro de energía de la red eléctrica convencional cambiando al modo de operación interconectado [9]. Por otro lado, el desconocimiento de eventos inesperados como sobretensiones, huecos de tensión, exceso de generación entre otras, hacen que el sistema no opere adecuadamente [10]. Aunque existen sistemas de medición y monitoreo convencionales, como los SCADA, estos no reúnen los requerimientos de disponibilidad y persistencia de la información, incluso no cuentan con sistemas de comunicaciones eficientes y redundantes para la transmisión de los datos que le permitan al sistema de gestión tomar decisiones para la activación/desactivación de fuentes y la conexión/desconexión de cargas en una microrred. Página | 10.

(11) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. en tiempo real. La mejor forma de identificar el comportamiento de la demanda y el de las fuentes de generación, consiste en realizar la medición de los niveles de tensión, corriente, fase, frecuencia y potencia; parámetros que también son utilizados en los sistemas de control. Esto hace necesario establecer una infraestructura de medición avanzada que registre las variables mencionadas y se transmitan a través de esquemas de comunicaciones que recolecten estas medidas c ons tantemente en una microrred. El sistema de comunicaciones debe cumplir con los requerimientos básicos de una infraestructura de comunicaciones como lo son la seguridad, tiempos de retardos bajos, confiabilidad y escalabilidad [11]. Además de esto, si se tiene en cuenta que el esquema de operación de una microrred es dinámico [12], los dispositivos de medición avanzada deben permitir la aplicabilidad del esquema de control que esté operando en el momento. Esto influenciará sobre los cambios de topología y los requerimientos de tráfico para el intercambio de información y control. Una interacción que no se encuentre alineada dentro de los elementos de la microrred por causa de un sistema de medición obsoleto y con sistemas de comunicaciones poco robustos, generará inestabilidad en la operación de la microrred ocasionando una falla en el servicio [13]. Hoy en día las Smart Grid (SG) son la última tendencia en el desarrollo y revolución de los sistemas de energía eléctrica [14]. La comisión europea, USA, China, Japón, Corea del sur, Australia, Tailandia y otros países, han estudiado e investigado intensamente para conseguir adelantos tecnológicos en esta área [15], [16]. La mayor parte del trabajo inteligente de una SG ha sido logrado en las redes de distribución y en el lado del usuario. Aparte de eso, la instalación de una infraestructura avanzada de medición (AMI) es considerada como un puente hacia la construcción de SG. Los innegables beneficios de los sistemas AMI incluyen una reducción en el proceso de recolección y medición de datos, tarea que típicamente es realizada por humanos. Además, las características antimanipulación como el servicio remoto de conexión/desconexión puede realizarse en el sistema AMI [17]. En la última década, los sistemas de comunicaciones en redes eléctricas se centran en los medidores inteligentes, los colectores de información y otros dispositivos de gestión de consumo de energía. Mediante estos, los usuarios y proveedores tienen acceso. Página | 11.

(12) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. en tiempo real a la información histórica y actual de cantidad de carga, consumo, perdidas, caída de energía, flujo de energía y facturación de los usuarios asociados a la red, comprendido en un marco propuesto como AMI [14]. En una microrred hay servicios que involucran innovación y eficiencia en el manejo de energía, que ofrecen confiabilidad operacional y ventajas de valor agregado para clientes y proveedores de energía. El mercado potencial para las microrredes muestra que harán parte de la más amplia y critica infraestructura desplegada en el siglo 21 [18]; de la cual la AMI es su principal componente, ya que a diferencia de las redes tradicionales, las redes inteligentes del futuro están compuestas por diversos dispositivos que hacen parte de la AMI, tales como medidores inteligentes, colectores inteligentes de datos, sistemas de cabecera, hosts, routers, firewalls, etc [18]. Debido al gran impacto que tienen las infraestructuras avanzadas de medición en el desarrollo de las redes inteligentes de suministro de energía eléctrica del futuro, y en el desarrollo de microrredes eléctricas, la inversión en investigación para el desarrollo de AMI es prioritaria ya que:  De las experiencias operacionales en otros países con AMI se han encontrado muchas ventajas, sin embargo, su construcción no es fácil debido a la compleja comunicación entre los millones de medidores de potencia y que las investigaciones enfocadas al desarrollo de AMI recién están comenzando.  Los métodos para tratar los cortes de energía por parte de las compañías son limitados prácticamente por los sensores y la información disponible que generalmente se obtiene de sistemas SCADA (supervisory control and data adquisition), conectados a las subestaciones. Por definición, un sistema AMI es el único sistema en el cual todos los segmentos de la línea y las subestaciones de todo el sistema son detectables. Las microrredes son el resultado de la actualización de redes de energía a lo largo de los últimos 20 años, y han sido promovidas por varios gobiernos como una manera de encaminarse hacia la independencia energética, combatir el calentamiento global y resistir emergencias.. Página | 12.

(13) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 2. OBJETIVOS. 2.1. OBJETIVO GENERAL. Diseñar e implementar una Infraestructura de Medición Avanzada para la gestión de los recursos energéticos en una microrred.. 2.2 . OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar el análisis de requerimientos para la operación de una microrred eléctrica en términos de adquisición, procesamiento y transmisión de datos e identificar sus posibles fallos.. . Diseñar e implementar los nodos sensores/actuadores que realicen la adquisición, procesamiento y transmisión de tensión, corriente, frecuencia, fase y potencia en los elementos que hacen parte de una microrred eléctrica.. . Diseñar e implementar un sistema de gestión energética que a partir de los datos generados en los nodos sensores/actuadores realice el balance de energía entre la generación y consumo.. . Analizar y evaluar la Infraestructura de Medición Avanzada propuesta en términos de latencia, pérdida de paquetes y Jitter que garantice la operación de la microrred.. Página | 13.

(14) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 3. MARCO TEÓRICO. 3.1. MICRORREDES ELÉCTRICAS. Una microrred puede definirse como la interconexión de dispositivos de almacenamiento de energía, recursos energéticos distribuidos (DERs), y cargas dentro de límites definidos y que actúa como una entidad individual y controlable. Las microrredes están pensadas para proveer servicio eléctrico confiable cuando están conectadas al sistema de energía eléctrica, cuando operan como una isla eléctrica [19], y durante la transición entre estos dos estados. El sistema de control de la microrred debe ser estable en estos tres modos de operación: conectado a la red, aislado de la red (isla), y transiciones entre los dos estados anteriores. El sistema de control de la microrred debe tener autoridad sobre suficientes recursos (capacidad de generación, capacidad de almacenamiento electroquímico o electromecánico, herramientas para gestión de carga, etc) disponibles para proveer servicio bajo condiciones de aislamiento por un periodo predeterminado de tiempo. Bajo condiciones de estado estable es deseable el despacho a uno o varios objetivos [5]. Los DERs cuya potencia provienen del viento o el sol son atractivos porque la energía creada reemplaza la generación de combustible fósil, y en general contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Las pérdidas en la transmisión, distribución y en sistemas eléctricos secundarios también son reducidas. La reducción más significativa de perdidas ocurre en las plantas de energía fósil donde cerca del 60% de la energía química es liberada en cuerpos de agua o en la atmosfera [20]. En la figura 1, se muestra la estructura de una microrred, incluyendo un dispositivo de almacenamiento de energía, DERs tales como turbinas de viento y paneles solares, una micro turbina generadora, y una carga que puede ser la combinación de cargas comerciales, residenciales, o industriales. En el modo conectada a la red, una microrred opera en paralelo con el sistema de energía eléctrica; también se pueden integrar múltiples microrredes con la red general, donde cada microrred es vista como una parte integral del sistema de distribución, este podría ser un ejemplo de una SG.. Página | 14.

(15) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. Figura 1. Esquema de una microrred [21]. En el modo aislado, la microrred es desconectada de la red general y alimenta solamente cargas en los límites de la microrred. Un sistema autónomo de control debe mantener la tensión y la frecuencia dentro de los límites predefinidos. El modo de transición entre conectado y aislado de la red general, ocurre cuando el sistema de energía eléctrica deja de estar disponible. Cuando la microrred está operando en modo aislado y el sistema de potencia vuelve a estar disponible, el sistema de control debe sincronizar y conectar los sistemas. Los sistemas expuestos anteriormente son concebidos para operar en microrredes eléctricas que manejan niveles de potencia media y baja. Sin embargo, la autonomía de operación depende de una infraestructura que permita realizar mediciones, analizar los datos, tomar decisiones en instantes de tiempo cortos. Para esto es necesario establecer estrategias de gestión que faciliten la gestión y operación de la micorred soportado en una infraestructura de medición inteligente. Es por esta razón que uno de los objetivos del presente proyecto se centra en el hecho diseñar e implementar una infraestructura de medición avanzada que permita la gestión de recursos energéticos en una microrred.. Página | 15.

(16) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 3.2. GESTIÓN DE LA ENERGÍA EN MICRORREDES. Los programas de la gestión de la demanda de energía se diseñan con el propósito de reducir el consumo de energía total y la reducción en la curva de la demanda de energía. Por lo que la eficiencia energética, la conservación de la energía y la respuesta a la demanda hacen parte de la estrategia para la reducción de la demanda de energía, requiriendo un trabajo coordinado para que sean eficientes. Dado que la generación distribuida presenta un flujo bidireccional de energía debido a la forma de generación y la aparición de nuevos actores del mercado que generan y consumen su propia energía, obligan a plantear estrategias de gestión más flexibles. El uso de medidores inteligentes en los sistemas de gestión de energía, incluyen al consumidor como un elemento controlable, facilitando realizar una regulación de la curva de generación en usuarios residenciales e industriales. Para esto, el sistema de gestión de energía se centra en maximizar cinco aspectos clave: seguridad, disponibilidad, eficiencia, productividad y sostenibilidad [22]. Las estrategias de control y operación de una microrred pueden ser muy diferentes a las empleadas en los sistemas de potencia convencionales, por ejemplo en las fuentes de energía y cargas distribuidas con las características en estado estable y dinámicas, su conexión y desconexión inmediata a la microrred, así como en los sistemas de almacenamiento de energía que utilizan los excedentes de energía.. 3.2.1. Sistema de Gestión en microrredes. Se utiliza para administrar y operar una microrred automáticamente, de tal forma que al presentarse una falla en la red externa, la microrred se desconecta automáticamente, operando en modo isla. Las estrategias de control en este modo, mantienen estables la frecuencia y en la microrred, de lo contrario, la microrred saldría de operación. Al momento de superar la falla, la microrred automáticamente retorna al modo conectado a red. Teniendo en cuenta los parámetros de operación de la microrred, las principales tareas del sistema de gestión de energía relacionadas en [23] son: . Recopilar la información de los equipos de la microrred, incluyendo los tipos, las limitaciones, el costo inicial y los ciclos de mantenimiento de las unidades generadoras, y los efectos sobre el medio ambiente, entre otros.. Página | 16.

(17) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. . Con base en pronósticos meteorológicos exactos, hacer el mejor uso de las energías renovables para reducir la contaminación de los generadores convencionales.. . Determinar la cantidad de energía intercambiada cuando la microrred está conectada a la red externa, y ajustar los niveles de potencia y tensión de cada GD para garantizar la estabilidad de la frecuencia de la microrred cuando opere de manera aislada.. . Estabilizar la microrred durante la transición entre el modo conectado a la red y el modo isla.. . Proporcionar una estrategia sencilla para que sea conveniente para los clientes participar en el mercado eléctrico de las microrredes y puedan compartir sus beneficios. En relación con los precios de la energía en el mercado, los beneficios de los productores, consumidores y las empresas de energía pueden ser equilibrados.. 3.2.2 Estrategias de gestión para el sistema de gestión en microrredes La producción de potencia activa y reactiva debe ser compartida entre todas las unidades de fuentes de energía distribuida; por lo que se debe asignar referencias de potencia real y reactiva, y también otras señales de control apropiadas para las fuentes renovables de energía, las fuentes convencionales y las cargas controlables.. 3.2.2.1 Gestión de la energía a largo plazo y balance de potencia a corto plazo La gestión de la energía a largo plazo incluye la predicción de los recursos disponibles provenientes delas fuentes de energía distribuida para cada hora e incluye la dependencia temporal de la fuente principal, los impactos ambientales, y el costo de la generación. También la gestión de cargas controlables que pueden ser conectadas/desconectadas de acuerdo con los requerimientos del sistema; la provisión de un nivel de capacidad de reserva de energía acorde con el mercado eléctrico y el pronóstico de demanda de carga. Por otro lado, el balance de potencia a corto plazo incluye: la regulación de la tensión RMS y control de la frecuencia fundamental; el despacho de potencia en tiempo real entre las fuentes internas del sistema de energía distribuido. El sistema de supervisión energética está compuesto por un sistema central, que abarque toda la microrred para la gestión de la. Página | 17.

(18) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. energía a largo plazo y otro antes de la carga, que realice el balance de potencia en corto tiempo... 3.2.2.2 Sistema de Gestión de la energía en regiones apartadas Una de las características más importantes de las microrredes eléctricas es su capacidad de operar y suministrar electricidad a regiones remotas o de difícil acceso, en donde no llega el sistema interconectado. En este sentido la alternativa de implementar una microrred en regiones apartadas es aprovechar los recursos renovables distribuidos en el área con objetivos claros como: reducir al mínimo el uso de combustible diésel, entregar puntos de ajuste para las fuentes de generación, incluyendo el banco de baterías, enviar señales a los consumidores que promueven cambios de comportamiento.. Página | 18.

(19) 4. ARQUITECTURA DEL SISTEMA AMI. La arquitectura del sistema AMI está compuesta por diferentes módulos que varían según el diseño del fabricante y las tecnologías utilizadas por cada entidad prestadora del servicio. En la figura 2 se muestra en diagrama de bloques la arquitectura del sistema AMI.. Figura 2. Arquitectura del sistema AMI. 4.1. MÓDULOS DEL SISTEMA AMI. Según la norma NTC 6079 del 2014, la arquitectura del sistema AMI se estructura en cinco módulos: unidad de medida, unidad concentradora, sistema de operación y gestión, comunicaciones y seguridad..

(20) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 4.1.1. Unidad de medida. Es la encargada de realizar la medición de la energía eléctrica, visualizarla y realizar la acción de conexión/desconexión. El medidor de energía tiene las funciones básicas de medir y/o registrar la energía eléctrica recibida o suministrada a través de un dispositivo que realice la medición de forma directa con un transformador de medida o indirecta empleando sensores. El visualizador muestra la energía registrada por el medidor, que puede encontrarse incorporado al medidor de energía eléctrica o como dispositivo externo. Finalmente, el dispositivo de conexión/desconexión es capaz de interrumpir y restablecer el flujo de energía eléctrica operado por medio de un comando enviado a través de la unidad de medida o de la unidad concentradora.. 4.1.2 Unidad concentradora Es un elemento intermedio entre la unidad de medida y el sistema de gestión y operación, que opera como puerto de enlace (pasarela) o como puerto de enlace y almacenamiento, sin embargo, no es un componente esencial de un sistema AMI, ya que la comunicación podría darse directamente dependiendo del tipo de tecnología utilizada. Tiene como tareas administrar los enlaces de comunicaciones con los medidores, el intercambio de datos con el medidor de energía, comunicarse con el sistema de gestión y operación y proporcionar datos a otros sistemas (opcional). Está compuesta por el concentrador, los mecanismos de operación y mantenimiento del concentrador. El concentrador también tiene funciones de puerta de enlace para los medidores, toma de información y envío de comandos hacia las unidades de medida, transmisión de datos almacenados al sistema de gestión y operación. Apoya el acceso desde el sistema de gestión y operación a los medidores, para la toma de lecturas, histórico de consumo o el envío de comandos.. 4.1.3. Sistema de gestión y operación. El sistema de gestión y operación permite controlar, administrar y gestionar toda la información relacionada con la medición del consumo de energía de los usuarios. También está a cargo de la configuración, control, operación y mantenimiento de los componentes. Página | 20.

(21) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. del sistema. Dentro de sus funciones está el tratamiento de eventos y alarmas, y la administración y operación de todas las comunicaciones del sistema.. 4.1.4. Sistema de comunicaciones. El sistema de comunicaciones garantiza el flujo de información entre todos los componentes del sistema AMI, emplean diversas interfaces y protocolos de comunicaciones para el intercambio de información. Los enlaces de comunicaciones utilizados se clasifican en cableados e inalámbricos.. 4.1.4.1 Enlaces cableados Son empleados por los medios de transmisión metálicos (cable) o dieléctricos (ópticos) y le corresponde a los estándares de comunicaciones el uso de la interfaz eléctrica como medio de transmisión, ejemplo RS-232, RS-485, ModBus, Ethernet, PSTN. Muchos controladores y medidores emplean interfaces de comunicaciones serial por simplicidad y su funcionalidad Maestro/Esclavo. Inicialmente se adoptaron los estándares seriales RS-232 y RS-485 para realizar la interconexión de dispositivos y periféricos sencillos, muchos fabricantes adoptaron los controladores seriales UART, SPI e I2C como estándares para el despliegue y facilidad de uso de sus tecnologías. Los medios de transmisión cableados tienen dos importantes limitaciones como son la flexibilidad y la escalabilidad, por ejemplo utilizar PLC implica el uso de puentes o bridges alrededor de los transformadores para pasar los datos y el ancho de banda disponible es bajo (20 kbps); adicionalmente son dependientes de la estructura de la red a sensar [24]. Finalmente, las necesidades de velocidad y ancho de banda hicieron que se evolucionara a la interfaz Ethernet (TCP/IP) y a la Fibra Óptica, brevemente descritos a continuación: . Ethernet, IEEE 802.3: 2005/Cor 2‐2007. Este estándar puede alcanzar velocidades de 10 Mbps, 100 Mbps y 1 Gbps. La facilidad de instalación y configuración son una de sus ventajas, sin embargo, el alto costo y los requerimientos de energía no son convenientes para la conexión de todos los medidores en una red tipo HAN.. Página | 21.

(22) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. . Fibra Óptica. La fibra óptica últimamente se ha usado en aplicaciones de redes inteligentes como en el backbone de comunicaciones, interconectando subestaciones con centros de control. Esto debido a las principales ventajas de usar esta tecnología como lo son: inmunidad al ruido e interferencia electromagnética, proveer anchos de banda del orden de los Gbps para largas distancias del orden de los kilómetros. Empleando un tipo de cable óptico especial (Optical Power Ground Wire, OPGW) en las líneas de transmisión y distribución, se tiene la funcionalidad de puesta a tierra y transmisión de datos a grandes distancias con tasas de transferencias altas.. 4.1.4.2 Enlaces inalámbricos La característica de alta escalabilidad hace que las redes de comunicaciones inalámbricas sean un buen candidato para la transferencia de datos en una microrred rural y aislada. Esto debido a que el uso de enlaces físicos para el despliegue y diseño de la infraestructura de comunicaciones se torna complejo a medida que aumenta la cantidad de nodos, las condiciones ambientales adversas en zonas desérticas, selváticas y húmedas. A continuación, se mencionan varias tecnologías de enlaces inalámbricos que podrían ser implementados en el sistema AMI: . XBee/LoRa, IEEE 802.15.4:2006. Es un estándar considerado ideal para el monitoreo de múltiples nodos, debido a su bajo consumo de energía, bajo costo de despliegue, características de auto-configuración y auto-organización [25]. Especifica la capa física y de acceso al medio para las redes LRWPAN (Low Rate-Wireless Personal Area Networks). Dentro de las tecnologías que adoptan y evolucionaron éste estándar están ZigBee, ZigBEE IP, WirelessHART, 6LowPAN y LoRa. Para el uso de redes de sensores, el estándar evolucionó al IEEE 802.15.4-2015 (Low Rate Wireless Network) . Wi‐Fi, IEEE 802.11: 1999. Opera en la banda libre industrial, científica y médica (Industrial, Scientific, Medical, ISM) de los 2,4 GHz y 5 GHz. La banda no licenciada es una de las ventajas que ofrece esta tecnología, siendo robusta en ambientes ruidosos. Sin embargo, presenta un consumo de. Página | 22.

(23) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. energía más alto que en el caso de los estándares IEEE 802.15.4. El estándar convencional con sus derivaciones IEEE 802.11 a/b/g/n/ac, ha mejorado aspectos como el consumo de energía aplicado a las redes de sensores con la enmienda al estándar IEEE 802.11ah.. 4.1.5 Interfaces del sistema AMI Las interfaces del sistema AMI permiten realizar el enlace de comunicaciones entre la unidad de medida y el concentrador o el sistema de gestión y operación y entre el concentrador y el sistema de gestión y operación. A continuación se describe brevemente su funcionalidad.. 4.1.5.1 Unidad de Medida- Unidad Concentradora (UM-UC) La interfaz de la unidad de medida - unidad concentradora (UM-UC), permite el enlace bidireccional entre la unidad de medida y la unidad concentradora. La información desde la unidad de medida corresponden a lecturas, intentos de sabotaje, que viajan hacia el concentrador de datos para almacenarse o se envíe al sistema de gestión y operación a través de la interfaz unidad concentradora – sistema de gestión y operación (UC-SGO). En sentido contrario, la unidad concentradora envía órdenes y/o información desde el sistema de gestión hacia la unidad de medida.. 4.1.5.2 Unidad Concentradora – Sistema de Gestión y Operación (UCSGO) La interfaz está presente cuando existe unidad concentradora como intermediario para los enlaces de comunicaciones entre la unidad de medida y el sistema de gestión y operación. Esta interfaz permite los enlaces bidireccionales entre la unidad concentradora y el sistema de gestión del sistema AMI. Permite el intercambio de los datos que la unidad de medida envió al concentrador hacia el sistema central, en el sentido contrario se envían órdenes e información desde el sistema central hacia el concentrador, para que posteriormente se envíe a la unidad de medida a través de la interfaz UM-UC.. Página | 23.

(24) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 4.1.5.3 Unidad de Medida – Sistema de Gestión y Operación (UC-GSO) Esta interfaz permite tener los enlaces de comunicaciones bidireccionales entre la unidad de medida y el sistema de gestión, enviando los respectivos comandos, ordenes, información, datos entre otros en las arquitecturas de red donde la unidad concentradora está ausente.. 4.1.5.4 Protocolos de comunicaciones y modelo de datos Un modelo muy reconocido que organiza el concepto de sistemas de comunicaciones es el modelo de siete capas del OSI de ISO. En la figura 3 se muestra el modelo de capas del OSI.. Figura 3. Modelo ISO-OSI de referencia de siete capas. Debido al uso de diversos dispositivos, tecnologías y protocolos de comunicaciones, es esencial asegurar la interoperabilidad entre las redes de comunicaciones formadas, utilizando estándares y arquitecturas de red abiertas. Esto permite el uso de métodos y técnicas no propietarias; licencias libres de cargo por su uso o distribución; sin limitaciones. Página | 24.

(25) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. con respecto al área de uso, tipo de usuario o tecnologías y productos particulares; y están disponibles y son adoptadas como estándares internacionalmente. La interoperabilidad también se debe garantizar a nivel de aplicaciones. Es común que hoy en día se relacionen o se ubiquen los protocolos utilizados en alguna de las capas que maneja el modelo TCP/IP, independientemente de si se utilizan o no los protocolos propuestos para este modelo. TCP/IP está compuesto por 4 capas: Enlace, Red, Transporte y Aplicación. En cuanto estándares enfocados a la medición e intercambio información, se ha resaltado en gran medida el estándar DLMS/COSEM conocido también como IEC 62056 internacionalmente. DLMS (Device Language Message Specification) compone los estándares y protocolos descritos en IEC 62056, y COSEM ó Companion Specification for Energy Metering, describe la estructura de los datos al nivel de aplicación. Entre los protocolos que componen el estándar DLMS/COSEM, se encuentra i) a nivel de enlace, para transferencia de información punto a punto el protocolo HDLC; ii) el nivel de transporte y red, se utilizan los protocolos UDP/IP, para comunicaciones no orientadas a la conexión, o TCP/IP para orientadas a la conexión [26], soportados sobre IPv4. Actualmente DLMS User Association se encuentra trabajando conjuntamente con ZIGBEE Alliance para incluir DLMS/COSEM sobre redes Zigbee [27]. SML (Smart Language Message) y el estándar internacional IEC61850, enfocado a la automatización de estaciones [28], de igual forma que COSEM, son enfocados a la capa de aplicación, y también se pueden utilizar sobre la pila de protocolos TCP/IP, pero no se ha obtenido el mismo rendimiento como se demuestra en [29]. Para transmisión de información entre equipos inteligentes y estaciones controladoras se ha implementado el estándar DNP3, altamente utilizado en Estados Unidos por empresas prestadoras del servicio de energía, y en varios lugares expandido para otros servicios como agua o gas. Este estándar cuenta con 3 capas, que referenciándolas con el modelo TCP/IP, vienen siendo: Enlace, transporte y aplicación. Estudios recientes demuestran la posibilidad de utilizar este estándar sobre TCP/IP en comunicaciones para redes inteligentes [30], [31],[32]; sin embargo, a pesar de su funcionalidad y su seguridad, presenta limitaciones en cuanto a los tiempos de respuesta.. Página | 25.

(26) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 4.1.6 Seguridad El módulo de seguridad trata especialmente la seguridad en las comunicaciones y la información, especialmente en el trasporte y almacenamiento de datos. Este componente se debe incluir como aspecto esencial en cada uno de los módulos e interfaces del sistema y la elección de tecnologías o soluciones de seguridad dependen de las características de cada proyecto.. 4.1.6.1 Niveles de seguridad Son los esfuerzos mínimos necesarios para lograr un buen comportamiento de la seguridad establecida, en caso de un ataque directo a los mecanismos de seguridad, y se pueden clasificar en tres niveles:  Nivel Básico (N1): Proporciona una protección adecuada frente a un ataque de bajo nivel, dando respuesta parcial a los requisitos de seguridad (ej: ataque accidental o de baja complejidad).  Nivel Medio (N2): Ofrece seguridad frente a un ataque de nivel intermedio, dando una respuesta convincente a los requisitos de seguridad (ej: violación de seguridad del sistema que no es fácil de realizar).  Alto Nivel (N3): Proporciona protección adecuada frente a un ataque de alto nivel, dando una respuesta incuestionable a las exigencias de seguridad (ej: violación de seguridad del sistema con planeación y organización).. 4.2. REQUISITOS PARA EL SISTEMA AMI. Los requisitos para el sistema AMI se dividen por cada módulo según sus componentes y funciones, es decir, para la unidad de medida, la unidad concentradora, el sistema de gestión y operación, y el sistema de comunicaciones y seguridad.. 4.2.1. Requisitos de la unidad de medida. Los requisitos para la unidad de medida comprenden los requisitos eléctricos, mecánicos y metrológicos, de operación y mantenimiento, de visualización, identificación de datos, conexión/desconexión y seguridad. Los requisitos particulares para el medidor están relacionados en la norma NTC 5019.. Página | 26.

(27) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 4.2.1.1 Requisitos eléctricos La norma NTC 5226 establece los requisitos eléctricos para conexiones directas, semidirectas e indirectas para las tensiones, corrientes y frecuencias normalizadas de referencia, teniendo como base las normas NTC 4052, NTC 4569 y NTC 2147. El consumo de potencia en el circuito de corriente, influencia de sobrecorrientes de corta duración e influencia de autocalentamiento se clasifican según sus tipos de conexión y clases. Adicionalmente, no debe ser susceptible de descargas electrostáticas, y debe cumplir con las normas NTC 5226, IEC 61000-4-2:2001 (ítem 7.5.2), IEC 61000-4-4:2004 (ítem 7.5.4), IEC 61000-4-5:2001 (ítem 7.5.6), IEC 61000-4-6:2003 (ítem 7.5.5) y IEC 61000-4-3:2002 (ítem 7.5.3) para considerarse electromagnéticamente compatibles.. 4.2.1.2 Requisitos mecánicos Los requisitos generales para la unidad de medida se toman de la norma técnica NTC 5226, que corresponden a la caja del medidor, bloque de terminales, tapa de bloques terminales, distancias de seguridad y de fuga, medidor de caja aislada con protección clase II, resistencia al calor y fuego, penetración al polvo y agua, visualización de valores medidos, dispositivos de salida, identificador del medidor y condiciones climáticas.. 4.2.1.3 Requisitos metrológicos Los requisitos metrológicos para medida directa, semidirecta e indirecta se basan en las normas relacionadas en la tabla 1:. Página | 27.

(28) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. Tabla 1 Referencias normativas para los requisitos metrológicos de la Unidad de Medida Conexión por medio de transformador (S). Conexión Directa Requisitos metrológicos Activa clase 1. Reactiva clase 2 y 3. Activa Clase 1, 0.2s y 0.5s. Reactiva clase 2 y 3. NTC 4052 (IEC 62053‐21). NTC 4569 (IEC62053‐23). NTC 2147 (IEC62053‐22). NTC 4569 (IEC62053‐23). Límites de error de variación en corriente Límites de error a factores de influencia Arranque y funcionamiento sin carga Constante del medidor Condiciones de los ensayos NTC 4856. Ensayos de rutina. Tomado de: [33]. 4.2.1.4 Requisitos de mantenimiento y operación local Estos requisitos deben tener como objetivo la realización de diagnósticos, permitir tomar lecturas local y remotamente sin que el usuario se vea afectado como resultado de estas funciones. . Permitir la descarga de alarmas de manera local. . Contar con todos los mecanismos de seguridad que impidan que el personal no autorizado realice estas funciones. . Garantizar que el reemplazo de la batería se puede realizar con seguridad sin desconectar el equipo ni romper el sello de calibración. . No afectar la integridad de la información al cambiar una batería. . Permitir actualización de forma remota y local sin afectar la información. . Verificar la orden de conexión – desconexión y reporta el valor de la lectura correspondiente. . Comprobar la integridad de la información almacenada. . Registrar y reportar pérdidas o inconsistencias en la información almacenada. . Tener un puerto local estándar para instalación y mantenimiento. Página | 28.

(29) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. . Permitir lectura local y descarga de la información. . Garantizar la comunicación del medidor instalado. . Responder una prueba del sistema de comunicación generada por el sistema de operación y gestión. . Reestablecer la comunicación después de un evento de corte de flujo de energía. . Enviar la configuración y estado de los medidores al sistema de operación y gestión. . Soportar una descripción uniforme de los errores enviados. . Permitir de forma local la programación, reconfiguración de parámetros y recuperación de datos, en caso que fallen as comunicaciones remotas.. . Identificar el tipo de energía suministrada y el operador correspondiente, registrando de manera independiente las unidades de medida de otras fuentes. 4.2.1.5 Requisitos del visualizador Los requisitos del visualizador se establecen para que el usuario pueda leer su consumo de acuerdo a la información registrada y almacenada en el medidor, el cual debe contar con un número de serie.. 4.2.1.6 Requisitos de identificación de datos En cuanto a la gestión de datos la unidad de medida de cumplir con los siguientes requisitos: . Cada datos del medidor debe estar identificado, cumpliendo con la norma IEC 62056-6-1 o la ANSI C12.19. . Facilitar el diagnostico de fallas de la unidad de medida. . Los datos de identificación almacenados del medidor deben coincidir con los datos impresos físicamente en el medidor. . Proporcionar n lecturas periódicas, donde n puede ser parametrizable desde cualquier modulo del sistema. . Permitir mantenimiento local y remoto. 4.2.1.7 Requisitos de desconexión y conexión Los mecanismos de conexión y desconexión deben cumplir con los siguientes requisitos:. Página | 29.

(30) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. . Permitir la comunicación bidireccional entre el sistema de operación y gestión y el mecanismo de corte, validando el estado de conexión del dispositivo.. . Permanecer operable para todos los valores de tensión de alimentación especificados en la placa del medidor. . Conducir e interrumpir todos los valores de corriente hasta su valor de interrupción nominal Ic, cuyo valor debe ser mayor o igual a la Imáx del medidor. . Realizar mínimo 6000 operaciones de cierre y apertura sin necesidad de mantenimiento. . Garantizar la apertura o cierre simultánea de todas las fases en redes polifásicas. . Conservar su último estado en caso de interrupción del fluido eléctrico (Biestabilidad). No debe poseer disparo termo-magnético. . Verificar que no exista tensión en el polo de carga antes del cambio de estado, para evitar un corto circuito. 4.2.1.7 Requisitos de seguridad Para la seguridad física de la unidad de medida se deben cumplir los siguientes requisitos: . Rechazar cualquier solicitud incompatible y enviar un evento como resultado de esto. . Detectar intentos de sabotaje físico a nivel de la cubierta de terminales, tapa principal, caja y/o armario.. . Tener inmunidad frente a campos magnéticos externos. . Tener clase de protección II. . Permitir la instalación de sellos de seguridad en la caja portamedidor o el medidor. 4.2.1.8 Disposiciones de uso La unidad de medida puede instalarse como un sistema monocuerpo, bicuerpo o de medida centralizada, cumpliendo con las normas relacionadas en la siguiente tabla y la NTC 4052: Adicionalmente, los sistemas bicuerpo deben permitir la visualización en un dispositivo independiente garantizando la integridad de las lecturas de la unidad de medida. Y los sistemas de medida centralizada deben cumplir los siguientes requisitos adicionales:. Página | 30.

(31) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. . Las conexiones deben estar protegidas eléctrica y mecánicamente. . Suspender el suministro en caso de manipulación indebida o acceso no autorizado. . Contar con sistemas aptos para instalación en cualquiera de las condiciones técnicas utilizadas. . Contemplar niveles de protección IP de acuerdo con las condiciones ambientales a las que sean expuestas. . Permitir pruebas de rutina en sitio. . Contar con un sistema de puesta a tierra de conformidad con el reglamento técnico vigente. 4.2.2. Requisitos de la unidad concentradora. Los requisitos generales que garantizan el correcto funcionamiento de la unidad concentradora son: . Garantizar la comunicación entre la unidad de medida y el sistema de operación y gestión. . Permitir la recuperación de datos comunicados por la unidad concentradora. . Tener interfaces de entrada/salida para acceso local. . La conectividad local no debe afectar la conectividad remota. . Debe contar con mecanismo de seguridad de datos y protección con accesos no autorizados. . Generar eventos de actualización exitosa de firmware, los cuales no deben generar modificación o supresión de datos de medición. . Detectar y reportar el registro de información y cualquier evento propio. . El reloj interno debe estar sincronizado a la hora estándar nacional. . Almacenar durante un período de tiempo todas las lecturas y eventos de las unidades de medida. . Enviar la información almacenada de todos los medidores al sistema de operación y gestión. Página | 31.

(32) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 4.2.3. Requisitos del sistema de gestión y operación. Los requisitos del sistema de operación y gestión se clasifican según las funcionalidades del mismo:. 4.2.3.1 Requisitos de administración de información y datos . Inicia con la administración de los datos mínimos que el sistema debe almacenar y gestionar, permitiendo el registro y/o la modificación de datos técnicos en las unidades de medida, tales como: Numero de medidor, Localización, Tipo de energía, Niveles de tensión y corriente, entre otros que se consideren relevantes. Adicionalmente, debe permitir la configuración de los períodos de lectura y almacenar los datos obtenidos.. . Finaliza administrando la información que el sistema debe generar, permitiendo la lectura local y remota con registro de hora y fecha, el acceso a los datos para la construcción de perfiles de carga, el monitoreo de la disponibilidad operativa, Adicionalmente, deberá proporcionar información para la gestión de conexiones y desconexiones y reportar la pérdida de los datos almacenados y del firmware.. 4.2.3.2 Requisitos. de. configuración,. control. y. operación. de. componentes . Asegurar que el registro y/o retiro se implemente únicamente en medidores autorizados y autenticados. . Configurar la lista de unidades de medida administradas. . Permitir la configuración de conexión y desconexión remota y local. . Sincronizar todos los medidores con la hora oficial de Colombia, para garantizar exactitud y comprobar la hora interna de todos los componentes. . Permitir envío de ajuste de hora para los medidores desincronizados. . Permitir la actualización del firmware remota y localmente. . Contar con las herramientas necesarias para su mantenimiento. . Permitir las operaciones de lectura y de conexión y desconexión de forma automática. . Permitir la automatización de procesos cuando sea posible. Página | 32.

(33) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. . Emitir confirmaciones de la ejecución oportuna y correcta a las peticiones. . Permitir la gestión de carga, de calidad de la energía, del pago anticipado y de diferentes fuentes de alimentación. 4.2.3.3 Requisitos de gestión de eventos y alarmas Estos requisitos son necesarios para detectar y controlar cualquier situación que pueda afectar el correcto funcionamiento del sistema AMI: . Gestionar las alarmas y eventos, incluyendo estampa de tiempo. . Detectar las intervenciones no autorizadas a los equipos. . Identificar el intervalo de restablecimiento de la alimentación después de una interrupción de suministro de energía. . Identificar y reportar eventos críticos que afecten la capacidad de almacenamientos del medidor y la unidad concentradora, las fallas en los enlaces y en la red de comunicación, las pérdidas del suministro de energía y su restablecimiento. 4.2.3.4 Recomendaciones de administración y operación del sistema de comunicaciones Se recomiendan los siguientes aspectos para el correcto funcionamiento de la gestión de las comunicaciones: . Interoperabilidad a nivel de aplicación. . Adaptación automática a los cambios de la red. . Posibilidad de servicio prepago y permitir el cambio de prepago a pospago y viceversa de manera remota o local. 4.2.4. Requisitos de comunicaciones. 4.2.4.1 Generales Los sistemas AMI deben proporcionar las funcionalidades de autenticación y autorización de comunicación de datos en todas sus interfaces, de tal manera que se rechacen las. Página | 33.

(34) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. transferencias de datos no autorizadas o erradas, sin afectar la operación del equipo o la interfaz. Las interfaces deben estar habilitadas para la trasferencia de datos de forma segura en ambas direcciones. Los protocolos de las capas bajas de la interfaz de comunicación como lo son la de transporte, red, enlace de datos y física deben usar estándares públicos “defacto”. Durante los eventos como fallas de comunicaciones, los componentes del sistema AMI deben tener la capacidad de continuar operando. Inclusive tener la capacidad de reconectarse automáticamente a los canales de comunicación disponible, después de un corte de energía. También deben disponer de funcionalidades de verificación del enlace, que se puede realizar antes, durante o después de un mantenimiento. En la figura 4 se muestran los flujos de datos entre la microrred y el sistema de medición.. Figura 4. Flujo de datos y señales de control en una microrred. 4.2.4.2 Tecnologías, protocolos y modelo de datos En la capa de aplicación existe la recomendación de uso de los protocolos definidos en los estándares IEC 62056 (DLMS/COSEM Suite), ANSI C12.22, IEC 61968-9. Como modelo. Página | 34.

(35) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. de datos se utilizan los estándares IEC 62056 y ANSI C12.19. Estos estándares pretenden garantizar la interoperabilidad entre la unidad de medida (UM) y el sistema de gestión y operación (SG) en los sistemas AMI que no tienen concentradores instalados en su red. En la integración de los sistemas de gestión y operación con otras aplicaciones de software y sistemas de información, se utiliza el estándar IEC 61968-9 (Common Information Model, CIM) y Multispeak.. 4.2.5. Requisitos de seguridad. Las medidas de seguridad alternativas específicas para la tecnología AMI, deben ser aceptadas siempre y cuando se demuestre que estas medidas cumplen con la confidencialidad, integridad y disponibilidad de la información. En términos generales los requerimientos generales de seguridad deben evidenciar la intervención (autorizada o no) al software, allí es crítico identificar las características y parámetros, almacenados o transmitidos que deben protegerse contra su integridad accidental o intencional. También se deben proteger los datos ante la manipulación, corrupción, fraude y acceso no autorizado. El uso de protocolos de seguridad permite asegurar los datos durante su transmisión, para lo cual es necesario establecer métricas para mantener los enlaces del sistema AMI seguros y confiables como lo son: la falla del enlace, el cambio de enlace, el levantamiento de enlace y la calidad del enlace. La seguridad aplicada al contexto de las redes eléctricas inteligentes comprende un conjunto de retos determinados por las vulnerabilidades factibles dentro de la red, en general, se puede expresar un conjunto de requerimientos necesarios para determinar la fiabilidad de un método de seguridad seguro, los requerimientos expuestos por el NIST se describen brevemente a continuación. . Disponibilidad: garantizar el acceso y utilización oportuna y confiable de la información. Esta es una de las tareas más importantes de las redes eléctricas inteligentes, puesto que una pérdida de disponibilidad representa la interrupción del. Página | 35.

(36) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. acceso y uso de la información, lo cual podría debilitar la gestión y entrega de energía. . Integridad: asegurar que la información no sea alterada de manera no autorizada. Esta política protege contra la modificación y destrucción inapropiada de la información, asegurando de esta manera el no repudio y la autenticidad de la misma.. . Confidencialidad: preservar la restricción de acceso y divulgación de la información. Esta política aborda la protección de la propiedad de la información asegurando que información sensible no sea divulgada a personas, entidades o procesos no autorizados.. En las redes AMI, más específicamente en los medidores inteligentes, es de importancia mantener dos de los tres objetivos de seguridad mencionados anteriormente, la confidencialidad deja de ser una opción para convertirse en una necesidad, estudios realizados en [ 3 4 ] muestran cuál método de encriptación tiene el mejor rendimiento energético, en este punto, es importante revisar que generalmente cada protocolo de comunicación tiene un método de encriptación definido.. 4.2.5.1 Control de acceso y uso Estos requisitos establecen el correcto acceso a la información e indican los intentos de acceso no autorizado y el registro de los accesos autorizados, para lo cual se definen: Autenticación del remitente: permite asegurarse que la entidad que produce la información es la correcta. Autenticación del receptor: permite asegurarse que el consumidor o entidad que recibe la información es el esperado. Auditoría: Es la capacidad de seguir y almacenar el registro de los accesos al conjunto de ordenes (solicitudes) ejecutadas desde el software y los resultados o efectos reportados por las unidades concentradoras y/o medida. Los usuarios del sistema deben ser autenticados y autorizados para acceder solamente a los componentes del sistema a los que tiene autorización. El sistema debe gestionar los derechos de acceso a cualquiera de sus componentes, autenticar entidades, permitir o. Página | 36.

(37) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. rechazar tanto a los usuarios y dispositivos individuales, como también a los grupos de usuarios y dispositivos.. 4.2.5.2 Integridad de datos La información se mantiene sin cambios, para lo cual el sistema debe garantizar su integridad en todo momento, para esto es necesario implementar algoritmos de encriptación. Los mecanismos de seguridad se aplicarán para garantizar la protección de los datos y claves de cifrado almacenados en los equipos. También es necesario contar con el mecanismo anti-repetición, evitando la repetición de mensajes para los comandos críticos (desconexión, alarmas, etc). Dentro de los ataques frecuentes a redes de comunicaciones, está el denominado Hombre en el medio (Man in the Middle, MINM), que es un tipo de ataque informático en donde el atacante tiene conexiones independientes con las víctimas y trasmite mensajes entre ellos, haciéndoles creer que están hablando directamente entre sí a través de una conexión privada, cuando en realidad toda la conversación es controlada por el atacante. De esta forma el atacante intercepta todos los mensajes que van entre las dos víctimas e inyectar nuevos, lo cual es sencillo en muchas circunstancias (por ejemplo: un atacante dentro del rango de recepción de un punto de acceso de una red inalámbrica Wi-Fi sin encriptar, puede insertarse como un hombre en el medio). En la figura 5 se puede apreciar el esquema general del ataque MINM.. Figura 5 Esquema general del ataque MINM. Página | 37.

(38) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. Dentro de la aplicación del servicio de confidencialidad del proyecto, este ataque se presenta como un elemento clave de analizar y revisar las estrategias de protección empleadas en su uso, este ataque representa una de las técnicas clásicas más usadas para vulnerar un sistema de seguridad, la prevención de este tipo de ataque se relaciona directamente al servicio de confidencialidad, debido a la amenaza de intercepción de la información, permitiendo que un usuario no autorizado tenga la capacidad de acceder a datos dentro del entorno cibernético que no le corresponden.. 4.2.5.3 Control de acceso, integridad y confidencialidad de datos Los requisitos de confidencialidad de datos garantizan que la información secreta solo pueda ser accedida por las entidades o personas autorizadas. De esta manera el quipo debe proporcionar la funcionalidad de preservar la confidencialidad de los datos almacenados, incluyendo claves de cifrado. El sistema debe ser capaz de cifrar las comunicaciones, asegurar la confidencialidad (privacidad) de la señal y el control de acceso a los equipos del cliente. También se deben emplear algoritmos simétricos y asimétricos.. 4.2.5.4 Disponibilidad de recursos En la supervisión del comportamiento del sistema se deben detectar situaciones anómalas y ejecutar algunas acciones automáticas para contrarrestarlas. Todas las partes del sistema deben estar bajo supervisión, administración y control.. Página | 38.

(39) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. 5. IMPLEMENTACION Y PRUEBAS. 5.1. IMPLEMENTACION AMI. La implementación del sistema AMI está referido a los requisitos expuestos en el capítulo anterior, teniendo en cuenta la norma NTC 6079 del 2014. A continuación se describe el esquema general del sistema AMI implementado, partiendo de diseños realizados en [35] para la unidad de medida. En la figura 6 se muestran los módulos implementados del sistema AMI con la unidad de medida, que cuenta con los módulos del medidor, seguridad y comunicaciones; y la unidad concentradora con los módulos de gestión y operación, seguridad y comunicaciones.. Figura 6.Módulos del sistema AMI implementado. 5.1.1. Unidad de Medida. El medidor diseñado está compuesto por la etapa de sensores. Se utilizaron sensores de bucle cerrado con aislamiento galvánico (transformador) aislando el dispositivo de medición de la red trifásica. Se utilizan tres (3) sensores de tensión tipo LEM (LV25-P) (Anexo 8.1), para medir la tensión de línea-línea y cuatro (4) sensores de corriente tipo LEM (LTSR 25NP) (Anexo 8.1), para medir corrientes de línea incluyendo el neutro. Las entradas al módulo van directamente a los sensores de corriente, y la salida de estos sensores va a los. Página | 39.

(40) INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS. sensores de tensión. En la figura 7 se muestra el diagrama de bloques del medidor y las etapas que lo componen.. Figura 7 Módulo Medidor. En la figura 8 se muestra la tarjeta PCB de la etapa de sensores de la unidad de medida.. Figura 8. Vista frontal de la etapa de sensores del medidor. La etapa de acondicionamiento de señal del medidor permite ajustar los niveles de tensión de los sensores a los niveles de tensión que emplean los dispositivos de comunicaciones y procesamiento, mientras que los circuitos de protección, cumplen la función de evitar tensiones y corrientes superiores a las permitidas en las entradas del dispositivo de procesamiento. En la tabla 2 se muestra el listado de componentes utilizados en la unidad de medida y en el anexo 8.2 se muestran los diagramas circuitales del módulo de acondicionamiento de señal y protección implementados.. Página | 40.