Modelo del sistema de comunicaciones para una microrred eléctrica aislada, basado en una red de sensores inalámbricos, para la transferencia de datos de control

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MODELO DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES PARA UNA

MICRORRED ELÉCTRICA AISLADA, BASADO EN UNA RED DE

SENSORES INALÁMBRICOS, PARA LA TRANSFERENCIA DE DATOS DE

CONTROL

PEDRO ALEJANDRO MANCERA LAGOS

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INFORMACIÓN Y LAS COMUNICACIONES

BOGOTÁ

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MODELO DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES PARA UNA

MICRORRED ELÉCTRICA AISLADA, BASADO EN UNA RED DE

SENSORES INALÁMBRICOS PARA LA TRANSFERENCIA DE DATOS DE

CONTROL

PEDRO ALEJANDRO MANCERA LAGOS

Cód.: 20112195005

Tesis de grado para optar al título de

Magister en Ciencias de la Información y las comunicaciones

Director

Ing. Msc. ELVIS EDUARDO GAONA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INFORMACIÓN Y LAS COMUNICACIONES

BOGOTÁ

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Nota de aceptación:

_________________________________

Firma del Director del Trabajo de Grado

_________________________________

Firma del jurado

_________________________________

Firma del jurado

_________________________________

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DEDICATORIA Y AGRADECIMIENTOS

A Dios, todopoderoso quien me ha permitido cumplir todas mis metas propuestas, guiándome siempre por el camino del bien.

A mis padres Carmen y Alejandro, y a mi hermano Luis, que con su amor, educación y apoyo lograron fortalecer mi espíritu para superar todos los retos de la vida.

Al ingeniero Jesús Augusto Guzmán, por su apoyo incondicional, por compartir su experiencia y conocimientos, y por enseñarme a creer en la verdadera amistad, y en la bondad de las personas.

Al ingeniero Elvis Eduardo Gaona, por su gran apoyo en este arduo camino y por su acertada tutoría para lograr este objetivo.

Al ingeniero Augusto Guarín por creer en mis habilidades y ofrecerme la oportunidad de entrar al hermoso mundo de la docencia universitaria.

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RESUMEN

Debido a la creciente preocupación por la demanda de energía y los retos ambientales para proveer electricidad en áreas rurales, la generación de forma distribuida ha sido estudiada durante muchos años con el fin de encontrar métodos para la integración de los distintos tipos de fuentes de energía renovables, como los paneles fotovoltaicos y turbinas eólicas, ofreciendo energía eléctrica limpia y mejorando las estrategias de gestión.

Las microrredes están compuestas de elementos de almacenamiento, cargas y generadores distribuidos, todos integrados, sincronizados y gestionados por un esquema de control, especialmente si opera de forma independiente o modo “Isla”. Dependiendo del esquema de control escogido para la microrred, es necesario el intercambio de datos provenientes de los generadores y las cargas, y encaminarlos hacia un nodo central, a través de un sistema de comunicaciones rápido y confiable, para realizar tareas de gestión, manteniendo los valores óptimos de tensión y potencia, para entregar energía de buena calidad a los usuarios.

Por lo anterior, en este documento se describe la propuesta de un sistema de comunicación basado en una red de sensores inalámbricos, como soporte al esquema de control centralizado de tipo maestro – esclavo escogido para la gestión de energía en una microrred en modo “Isla”, donde un nodo central contiene un algoritmo de toma de decisiones que activa o desactiva los generadores distribuidos y las cargas, de acuerdo a parámetros de tipo operacional como los valores de tensión y potencia establecidos como referencia, la demanda de los usuarios, condiciones climáticos, prioridad de las cargas y la posibilidad de fallos.

Para la gestión de los aspectos relacionados con la generación y distribución de energía en la microrred por medio del intercambio de información de control proveniente de cada carga o generador, la red de sensores inalámbricos debe basarse en una tecnología LR-PAN adecuada para las transmisiones rápidas y confiables de datos, con un bajo consumo de energía, como ZigBee y LoRa. El algoritmo de toma de decisiones y el modelo de la red de sensores inalámbricos se implementan en OMNeT++, para integrarlo con un modelo de microrred desarrollado en matlab, con el fin de validar el modelo y obtener los resultados y las conclusiones.

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ABSTRACT

Due to the growing concern about energy demand and environmental challenges to provide electricity in rural areas, distributed power generation, has been studied for many years, in order to find methods to integrate different types of renewable energy sources, such as photovoltaic panels and wind turbines, providing clean electric power and improving the energy management strategies.

Microgrids are composed of distributed storage elements, loads and distributed generators DG, integrated, synchronized and managed by a control scheme, especially when it operates independently or “islanded mode”. Depending on the control Scheme chosen for the microgrid, it is necessary to exchange data from generators and loads towards a central node, through a fast and reliable communications system, to perform some management tasks and maintain optimal values of voltage and power, to deliver good quality power to customers.

According to the above, a communication system, based on a wireless sensor network, is proposed in this document, to support a centralized master slave control scheme for an islanded microgrid energy management, operating in “islanded mode”, where a central node, contains a decision making algorithm, performing activation and deactivation of distributed generators and loads, depending on some operational aspects like voltage and power references values, user demand, weather conditions, load priority and possibly faults.

To manage all the microgrid generation and distribution issues, by exchanging control information from each load or energy source, the wireless sensor network must be supported by a low rate wireless personal area network LR-PAN technology, suited for fast and reliable data transmissions with low energy consumption, such as Zigbee and LoRa. The decision making algorithm and the wireless sensor network model, are implemented in OMNeT++, and then interfacing with a microgrid model developed in Matlab, validating the model and obtained results and conclusions.

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Contenido

RESUMEN ... 5

ABSTRACT ... 6

1 INTRODUCCIÓN ... 12

2 DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN ... 13

2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 13

2.2 JUSTIFICACIÓN ... 14

2.3 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN ... 15

2.4 OBJETIVO GENERAL ... 15

2.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15

3 MARCO DE REFERENCIA ... 16

3.1 MICRORREDES ELÉCTRICAS ... 16

3.2 MICRORREDES ELÉCTRICAS EN COLOMBIA Y LA LEY 1715 DE 2014 ... 18

3.3 CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UNA MICRORRED RURAL ELÉCTRICA ... 18

3.4 DISPOSITIVOS E INTERFACES EN UNA MICRORRED AISLADA ... 20

3.5 GESTIÓN Y CONTROL... 22

3.5.1 ESQUEMAS DE GESTIÓN DE ENERGÍA BASADOS EN LA COMUNICACIÓN ... 23

3.5.2 ESQUEMAS DE GESTION DE ENERGIA SIN COMUNICACIÓN ... 26

4 REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS ... 29

4.1 DEFINICIÓN Y GENERALIDADES ... 29

4.2 NODO SENSOR ... 30

4.3 MODELO OSI, EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS ... 31

4.3.1 CAPAS FÍSICA Y DE ENLACE DE DATOS: EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4 ... 31

4.3.2 CAPAS SUPERIORES EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS ... 36

4.3.3 CAPA DE APLICACIÓN: LAS TECNOLOGÍAS ZIGBEE... 45

4.4 HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ... 48

4.5 OMNET++ ... 50

4.5.1 COMPONENTES DE SIMULACIÓN EN OMNET++ ... 51

5 METODOLOGÍA Y DESARROLLO ... 57

5.1 CONSUMO EN MICRORREDES AISLADAS EN COLOMBIA ... 58

5.2 MODELO DE COMUNICACIONES ... 62

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5.3.1 MODELO DE MICRORRED ELECTRICA EN MODO ISLA ... 63

5.3.2 ALGORITMO DE TOMA DE DECISIONES PARA CONTENCION DE ERRORES BASADO EN PRIORIDADES AMBIENTALES Y DESLASTRE DE CARGAS ... 65

5.3.3 IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO DE TOMA DE DECISIONES EN OMNeT++. ... 69

6 ANALISIS DE RESULTADOS ... 75

6.1.1 Resultados obtenidos del Algoritmo de toma de decisiones... 75

6.1.2 Resultados de simulación: Algoritmo de encaminamiento ... 77

6.1.3 Resultados de simulación: métricas del rendimiento de la red. ... 79

6.1.4 TOPOLOGÍA ESTRELLA ... 80

6.1.5 TOPOLOGÍA ÁRBOL ... 82

7 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ... 84

7.1 CONCLUSIONES ... 84

7.2 TRABAJOS FUTUROS ... 87

8 BIBLIOGRAFÍA ... 88

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Microrred aislada. Autor ... 17

Figura 2: Jerarquía en una microrred aislada o modo Isla [16]. ... 19

Figura 3: Inversor IGBT [18]. ... 20

Figura 4: Inversores IGBT conectados en paralelo [18]. ... 21

Figura 5: Esquema de control de límite central [15]... 25

Figura 6: desviación de potencia [15]. ... 26

Figura 7: Técnica de control P-Q. ... 27

Figura 8: Componentes de un nodo sensor [21],[23],[25]. ... 31

Figura 9: Campos de la unidad de datos de la capa física IEEE 802.15.4 ... 32

Figura 10: Bandas y esquemas de modulación IEEE 802.15.4 Autor. ... 33

Figura 11: Campos que componen la subcapa MAC en IEEE 802.15.4 ... 33

Figura 12: Formato supertrama [30]... 36

Figura 13: Clasificación de protocolos para WSN [23], [24], [32]. ... 37

Figura 14: Dispositivos y topologías ZigBee. Autor ... 47

Figura 15: Modelo de capas de ZigBee. ... 47

Figura 16: Muestra de la interfaz gráfica de simulación de OMNeT++. Autor. ... 51

Figura 17: Módulos simples y compuestos descritos en lenguaje NED, en OMNeT++. Autor ... 52

Figura 18: declaración de compuertas para un módulo simple. Autor ... 52

Figura 19: Ejemplo de canal definido por la función DatarateChannel. Autor ... 53

Figura 20: Definición de los campos de un paquete en un archivo de extensión .msg. Autor ... 54

Figura 21: Creación de los archivos de extensión .cc y .h. autor ... 54

Figura 22: Resultados de simulación en forma de histogramas. Autor ... 55

Figura 23: Ejemplo de archivo de configuración con varios escenarios. Autor ... 55

Figura 24: Metodología. Autor ... 57

Figura 25: Datos de cobertura en soluciones de energía y monitoreo para ZNI. Fuente: IPSE [47]. ... 58

Figura 26: Estructura General del CNM [47]. ... 59

Figura 27: Ejemplo de tabla de datos en informe mensual CNM [47]. ... 59

Figura 28: Esquema general de infraestructura energética y sistemas de telemedida [47]. ... 60

Figura 29: Potencia diaria consumida [47]. ... 61

Figura 30: Potencia diaria [47]. ... 61

Figura 31: Carga promedio diaria en un mes [47]. ... 61

Figura 32: Modelo de comunicaciones propuesto. Autor. ... 62

Figura 33: Esquema de la microrred de estudio, modo isla. Autor ... 64

Figura 34: Modelo de toma de decisiones en árbol. Fuente: autor ... 66

Figura 35: Topología de gestión centralizada para microrred aislada. Autor. ... 68

Figura 36: Diagrama de clases del algoritmo de toma de decisiones. Autor ... 68

Figura 37: Esquema de conexión de los módulos de la microrred en topología estrella. Autor ... 69

Figura 38: Esquema de conexión de los elementos de la microrred en topología árbol. Autor ... 69

Figura 39: Escenario de simulación en OMNeT++, para AODV. Autor ... 71

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Figura 41: Separación entre nodos para topología árbol. Autor ... 73

Figura 42: Ejemplo del uso de señales en Omnet++. Autor ... 75

Figura 43: Estados de activación para isla fuerte en Cartagena-Bolívar, según el algoritmo de toma de decisiones. Autor ... 77

Figura 44: Escenario de simulación AODV. Autor ... 78

Figura 45: Resultados obtenidos para escenario 1. Autor ... 81

Figura 51: Throughput para el nodo central en el escenario 1. Autor ... 92

Figura 52: Numero de paquetes total, exitosos y descartados para escenario 1. Autor ... 92

Figura 53: Numero de paquetes retransmitidos por nodo en escenario 1. Autor ... 92

LISTA DE TABLAS Tabla 1: Microrredes en distintas regiones de Colombia ... 13

Tabla 2: Aplicaciones de las redes de sensores inalámbricos [21],[23]. ... 29

Tabla 3: Características del estándar IEEE 802.15.4 ... 32

Tabla 4: Cuadro comparativo de las herramientas de simulación para redes de sensores inalámbricos [43]. ... 49

Tabla 5: Cuadro comparativo de simuladores usados para redes de sensores inalámbricos [43][44][45]. ... 50

Tabla 6: Marcos de trabajo para WSN en OMNeT++. Tomado de omnetpp.org ... 51

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Tabla 8: Plantilla de horario y estado de funcionamiento, para generadores y cargas. Autor ... 65

Tabla 9: Condiciones de simulación para el algoritmo AODV. Autor... 71

Tabla 10: Condiciones de Simulación topología estrella. Autor ... 74

Tabla 11: Condiciones de Simulación topología árbol. Autor ... 74

Tabla 12: datos de generación y consumo para isla fuerte Bolívar [1]. ... 76

Tabla 13: Resultados de simulación del algoritmo AODV. Autor ... 78

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1 INTRODUCCIÓN

La crisis energética que se presenta en la actualidad, debida a los cambios climáticos, los problemas ambientales y la alta demanda de electricidad, ha fomentado el estudio de las redes inteligentes de energía eléctrica, usando distintos tipos de fuentes renovables con el fin de mitigar esta problemática.

Las redes eléctricas inteligentes o Smart Grid, se proponen como una alternativa para operar y controlar de forma eficiente y segura, los procesos de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica hacia distintos entornos con cargas fijas o variables, teniendo en cuenta la calidad de servicio y usando las tecnologías de la información y las comunicaciones, herramientas que permiten mejorar características puntuales como la toma de decisiones al momento de conectar o desconectar generadores distribuidos, por medio de la gestión de los datos que provienen de cada elemento que la conforman [1].

Los retos ambientales, conducen a un aumento en el uso de generadores de energía renovables de tipo eólico y solar, cuyo funcionamiento y niveles de energía dependen de los cambios impredecibles del clima, siendo necesaria una administración o gestión en tiempo real de todos sus parámetros para garantizar los niveles de tensión y la frecuencia del flujo eléctrico. Las microrredes se componen de un grupo de generadores distribuidos, muchos de ellos de energía renovable, que funcionan conectadas a la red general o de forma autónoma, a niveles bajos de tensión [1]. El funcionamiento autónomo requiere de un control en tiempo real que garantice una buena gestión, y coordinación de las fuentes y evitar posibles daños, garantizando la máxima eficiencia en los distintos tipos de carga conectadas [2].

Para garantizar este control, se proponen las Redes de Sensores Inalámbricos, como la aplicación de las tecnologías de la información y las comunicaciones, al manejo y transporte de datos tomados de distintas fuentes o generadores a un nodo central, haciéndolas ideales para propósitos de administración y gestión. Sin embargo, no existe un protocolo de encaminamiento único para las distintas topologías y arquitecturas de red, y solo dependen de la aplicación, permitiendo que existan distintos trabajos relacionados con algoritmos para este tipo de redes que se ajustan a las necesidades particulares [3].

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2 DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El sistema eléctrico en Colombia, muestra la existencia de un gran número de Zonas No Interconectadas (ZNI) que requieren apoyo por parte del gobierno nacional, para poder extender el servicio a las regiones apartadas e incluir los sistemas compuestos por fuentes de energía renovable. Elvis [4], hace una revisión de la situación de las microrredes en Colombia, donde señala como principales problemáticas, la falta de infraestructura para cubrir el territorio nacional, los fenómenos climáticos impredecibles, los problemas de orden público y la ausencia de una definición técnica y legal de las microrredes. Sin embargo existen varias regiones como la Guajira, donde la alta radiación solar y los vientos, hacen posible la instalación de paneles solares y sistemas eólicos capaces de generar suficiente energía, en un país donde el 67% de la electricidad se produce con recursos hídricos, el 27% es generación térmica y un 5% se compone de generadores pequeños, donde la mayoría son de tipo diésel. La Tabla 1 muestra varios casos de microrredes en distintas regiones de Colombia.

MICRORREDES EN DISTINTAS REGIONES DE COLOMBIA

POBLACIÓN DEPARTAMENTO TIPO DESCRIPCIÓN

Titumate Chocó práctica 70% Paneles Solares (18 horas de operación); 30% Diesel (6 horas de operación).

Cardón Guajira práctica _{Hace parte de la SIN, es decir no es una microrred} aislada. Interconecta El Cardón (Eólico y Solar) y el Cabo de la Vela (Eólico y Solar), por un circuito de 13,2 KV. U. Nacional Bogotá académica Fuentes Fotovoltaicas, consumo de 315 KWh.

Nazareth Guajira práctica 425 KW, Presentó problemas mecánicos en la turbina de viento y mal cálculo en la capacidad de los bancos de batería. Aunque sigue trabajando con fuentes Diesel y paneles Solares.

Cravo Arauca práctica Sistema Fotovoltaico.

Flor del Paraíso Guajira práctica Solar y Eólico. Hasta 5 KW (7 horas de operación). La Chorrera Amazonas práctica Solar y Diesel. Hasta 3.6 KW (5 horas de operación).

Tabla 1: Microrredes en distintas regiones de Colombia

Las microrredes, son sistemas compuestos por generadores de energía distribuidos y elementos de almacenamiento, que alimentan un conjunto de cargas de forma autónoma, es decir, sin estar conectada a la red de distribución principal, convirtiéndose en una opción, para llevar electricidad a entornos rurales donde no se tiene acceso a la red principal [5].

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Al ser consideradas una alternativa a la distribución de energía en entornos rurales aislados, donde las condiciones climáticas variables, topología irregular y vida natural diversa, afectan su funcionamiento normal, las microrredes deben funcionar bajo un esquema de control, donde se intercambien datos de control que permitan sincronizar y mantener la calidad de la energía producida. Según Llaria en su artículo [3], el proceso de intercambio de información entre los elementos que componen la microrred puede realizarse a través de las redes de sensores inalámbricos, usando una tecnología de transmisión rápida eficiente y confiable, lo que se convierte en un reto y una oportunidad, debido a la falta de un estándar definido en los protocolos de encaminamiento.

2.2 JUSTIFICACIÓN

De acuerdo a lo expresado por Gaona en [4], la transmisión y distribución de energía eléctrica es un requerimiento fundamental para el crecimiento y desarrollo de sociedades y economías, ofreciendo recursos energéticos esenciales, controlados y eficientes, para cumplir con una creciente demanda de energía, especialmente en entornos rurales dedicados a la agricultura y ganadería, donde no llega el Sistema Interconectado Nacional (SIN).

En el caso de las zonas rurales y apartadas de Colombia, con el fin de mejorar las condiciones del sistema eléctrico, se justifican los trabajos de investigación en microrredes, y las ventajas que ofrecen aplicando las redes de sensores inalámbricos en la gestión y encaminamiento de la información , debido a que al no existir un protocolo de encaminamiento definido para estas redes, se debe proponer un protocolo específico para suplir las necesidades de procesamiento, transporte y gestión de información proveniente de los distintos componentes de una microrred.

Las redes de sensores se están implementando para el control de los parámetros que intervienen en el funcionamiento de las microrredes, en tiempo real como se muestra en [6], donde se busca construir una red casera con sensores para la carga, sistema de gestión de carga y sistemas distribuidos para controlar el consumo de los usuarios y tomar decisiones de conmutación de forma remota.

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Lo anterior muestra que las redes de sensores inalámbricos ofrecen un alto nivel de confianza en el manejo pero su aprovechamiento de las redes depende de la aplicación.

Ese nivel de confianza se describe de nuevo en [9], donde se propone un sistema de gestión de energía aplicado ahora a una microrred en entorno rural, basándose en la necesidad de mejorar el sistema eléctrico de las granjas, ya que no solo enfrentan problemas ambientales sino también de producción, al no contar con una calidad de servicio óptima. En estos casos, siempre se va a requerir que la red de sensores permita a la microrred, tomar decisiones según su algoritmo de encaminamiento.

Para implementar una red de sensores, que maneje la información de una microrred eléctrica, en una zona rural, se requiere de un algoritmo de encaminamiento robusto y flexible que permita reconfigurar su topología para el correcto funcionamiento de los dispositivos que se van a gestionar en la microrred; para esto se realizará un estudio basado en análisis y simulaciones de los diferentes topologías de funcionamiento. También se realizará el análisis del algoritmo de toma de decisión para que se lleve a cabo este cambio de topología a partir de variables en términos de la generación hay disponible, priorización de cargas y estado de carga de las baterías.

2.3 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN

Con base en los requerimientos de funcionamiento de microrredes para entornos rurales, se plantea la siguiente pregunta de investigación:

¿Cuáles deben ser las condiciones de funcionamiento de un sistema de comunicación basado en una red de sensores inalámbricos, que permita reconfigurar su topología, para que una microrred opere en modo “Isla” basado en un algoritmo de toma de decisión para la gestión de todos sus recursos?

2.4 OBJETIVO GENERAL

Proponer el modelo del sistema de comunicaciones de una microrred eléctrica aislada, basado en una red de sensores inalámbricos para la transferencia de datos de control, permitiendo la gestión de sus recursos de forma eficiente.

2.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Identificar las topologías de conexión de los dispositivos de control y las condiciones de operación de una microrred eléctrica de tipo rural.

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• Desarrollar el algoritmo de toma de decisión que se ajuste a las condiciones de operación de una microrred eléctrica aislada.

• Evaluar el protocolo de encaminamiento en la WSN que permita la correcta operación de una microrred eléctrica aislada.

3 MARCO DE REFERENCIA

3.1 MICRORREDES ELÉCTRICAS

El concepto de red eléctrica inteligente (Smart Grid), está asociado con el manejo eficiente y controlado, de la energía eléctrica, a través del uso de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, mejorando aspectos como la seguridad, la gestión de los recursos y la estabilidad en el servicio eléctrico. Esas redes son consideradas una integración de los conceptos de microrred y generación distribuida, y se caracterizan por su capacidad de control de parámetros como la frecuencia, el tensión y las variaciones de consumo en las cargas, en tiempo real, permitiendo el aprovechamiento de todos los recursos energéticos que la componen, como los tradicionales generadores de combustible fósil o de energía renovable [10].

Con el fin de aprovechar al máximo las fuentes de energía renovable, aparece la generación distribuida, como una alternativa a las redes eléctricas convencionales, donde distintos tipos de unidades generadoras de electricidad independientes, que trabajaban con medias y bajas tensiones, son capaces de proveer electricidad en escenarios como hogares, áreas rurales y ciudades pequeñas.

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Figura 1: Microrred aislada. Autor

Una red de distribución principal, puede interactuar con una microrred, estableciendo los valores de referencia óptimos de tensión, frecuencia y potencia, y nivelando la cantidad de energía en casos de un aumento o disminución, en la producción o en la demanda de electricidad. Sin embargo, las microrredes que funcionan de forma aislada o modo “Isla”, no poseen ningún tipo de conexión con la red de distribución principal, y deben trabajar bajo un esquema de control más elaborado, con el fin de gestionar adecuadamente todos los recursos y garantizar el servicio a los usuarios.

Un esquema de control para una microrred, define los parámetros de funcionamiento, estableciendo el tipo de control e intercambio de información entre los elementos que la componen, según las fluctuaciones debidas a fallas o variaciones en el consumo, y así mantener los niveles requeridos de potencia entregados.

En entornos rurales, la calidad de la energía proveniente de las fuentes renovables, depende del fenómeno natural que la produce. Por ejemplo, el viento y la luz del sol no permanecen constantes, por lo que se necesita un esquema de control robusto que facilite una gestión en tiempo real de parámetros importantes como los niveles de tensión, la frecuencia utilizada y los sistemas de almacenamiento de energías o baterías. Frecuencia y tensión, definidos según las características de la carga, es decir, las necesidades del usuario [2].

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3.2 MICRORREDES ELÉCTRICAS EN COLOMBIA Y LA LEY 1715 DE 2014

La ley 1715 del 13 de mayo 2014, tiene como finalidad “la regulación de la integración de las energías renovables no convencionales al sistema eléctrico nacional”[13]. Lo anterior indica el establecimiento de las condiciones mínimas para promover el uso, la integración y la gestión de las fuentes de energía renovables en el país, especialmente en las zonas no interconectadas rurales, apartadas de la red de distribución principal y los instrumentos necesarios para la inversión, investigación y desarrollo de energías que no contaminen el medio ambiente.

Cabe destacar los siguientes artículos que se relacionan directamente con el concepto de microrred y que muestran específicamente los requerimientos y las reglamentaciones para la instalación de fuentes de energía renovable:

Artículo 5º: Define conceptos técnicos mínimos para el entendimiento de los fenómenos de generación y distribución de energía eléctrica, incluyendo los tipos de fuentes de energía renovable como la solar, eólica, biomasa, entre otras.

Artículo 8º: Indica el compromiso del gobierno nacional de promover la autogeneración a pequeña y gran escala, el uso de la generación distribuida y los mecanismos para el intercambio y remuneración de la energía producida.

Artículo 9º: Especifica la implementación de un programa que busca sustituir gradualmente el uso de los generadores diesel en las zonas no interconectadas de Colombia. Lo anterior muestra el interés por parte del gobierno de dar prioridad al uso de energías limpias para la producción de electricidad, tanto a nivel rural como urbano.

Artículo 11º: Describe el fomento a la investigación, desarrollo e inversión en fuentes de energía limpia y los beneficios tributarios para los inversionistas en estos tipos de tecnologías.

Los artículos 19º y 20º, mencionan el fomento en el uso de las energías solar y eólica, indicando que se deben estudiar inicialmente sus características técnicas para luego proceder con su reglamentación.

Se espera que gracias a la política de apoyo al uso de energías alternativas en Colombia, aumente el número de zonas no interconectadas con servicio de electricidad proveniente de microrredes compuestas en su mayoría por generadores de energía limpia.

3.3 CONDICIONES DE OPERACIÓN DE UNA MICRORRED RURAL ELÉCTRICA

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estocástico e intermitente, que interconectados de forma adecuada y operando bajo un esquema de control confiable, pueden producir electricidad en un área específica, e incluso dar soporte a la red de distribución principal, si tiene la posibilidad de conectarse [14].

Las redes de energía modernas se enfrentan a múltiples retos, como el aumento en el número de cargas, los cambios en la distribución geográfica de los generadores, el desgaste de la infraestructura convencional, la aparición de nuevas políticas ambientales y aspectos económicos [15].Los recursos energéticos distribuidos DER (Distributed energy resources), son los elementos relacionados con la generación, consumo y almacenamiento de energía. Una microrred rural aislada, puede estar compuesta inicialmente por generadores Diesel, que pueden ser reemplazados gradualmente por fuentes de energía renovable, como paneles solares o generadores eólicos, junto a un sistema de almacenamiento de energía, comúnmente un banco de baterías o súper capacitores, conectados a buses DC, AC o híbridos, a través de inversores o convertidores, lo que corresponde a un modelo general de microrred como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, el aumento en el número de recursos energéticos distribuidos obliga a que las redes de distribución se conviertan en sistemas activos, enfrentándose a múltiples factores técnicos como el incremento de fallas, el control de los flujos de potencia, los cambios de tensión o frecuencia y la calidad de la energía [16].

Figura 2: Jerarquía en una microrred aislada o modo Isla [16].

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convertir el tensión de salida las fuentes de energía, al tipo y valor requerido por los buses de alimentación [16][17].

3.4 DISPOSITIVOS E INTERFACES EN UNA MICRORRED AISLADA

En la actualidad el avance en las tecnologías de los dispositivos electrónicos de potencia, permite que los distintos generadores puedan conectarse a cualquier tipo de red de distribución con posibilidades de control y gestión. Un conversor, convertidor o inversor electrónico de potencia, es un dispositivo que permite la conexión e interfaz de los generadores distribuidos, con los buses de alimentación de una red o hacia las cargas conectadas, transformando el tensión proveniente desde o hacia los generadores, para adecuarlo a los niveles y condiciones apropiados de los buses, según las necesidades de la microrred, haciendo más flexible el control y la operación de las fuentes de energía.

Un inversor tradicional, está compuesto básicamente de conmutadores o switches basados en Transistores Bipolares de Compuerta Aislada (por sus siglas en inglés IGBT:Isolated Gate Bipolar Transistor) controlados por un modulador por ancho de pulso (por sus siglas en inglés

PWM: Pulse Width Modulation) el cual, genera señales de control hacia las compuertas de los IGBT [18].

Debido a que la mayoría de los generadores de energía modernos ofrecen una salida de tensión directa DC o sus niveles de señal AC son muy irregulares, los convertidores electrónicos de potencia se usan como interfaz desde las fuentes hacia la red de distribución y las cargas, y deben considerarse varios requerimientos como la configuración del sistema de distribución, los niveles de tensión, la calidad de la energía y el sistema de almacenamiento. Sin embargo, en sistemas AC, las interfaces electrónicas de potencia tienen la desventaja de poder incrementar la inyección de armónicos y de ser muy sensibles a las perturbaciones del sistema, lo que no ocurre en sistemas DC [17],[19].

Cada recurso distribuido de energía, posee un convertidor o inversor con capacidades de control que varían dependiendo de la conexión, la cantidad de recursos energéticos distribuidos conectados a los buses y de las cargas que debe alimentar. Según Zhang [18], los esquemas de control dependen de si se tiene en cuenta cada inversor por aparte, o si se conectan en paralelo. La Figura 3 y la Figura 4 muestran la forma de conexión de los inversores:

Un solo inversor: Esquema de control tensión-frecuencia (V-f) en modo aislado o de potencia activa-potencia reactiva (P-Q) conectado a la red.

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Varios inversores conectados en paralelo: Los controles Droop de potencia activa- frecuencia (P-f) y de potencia reactiva – tensión (Q-V) se usan para distribuir o compartir las potencias activa y reactiva en operación aislada.

Figura 4: Inversores IGBT conectados en paralelo [18].

En [17], se clasifican los convertidores para los generadores distribuidos de salida DC como los paneles solares, según su configuración o topología de una etapa o de doble etapa:

La configuración de única etapa DC-AC, se caracteriza por una mayor eficiencia y menos procesos de conversión, reduciendo el uso de convertidores electrónicos de potencia, pero con deficiencias en la flexibilidad del control y un rango limitado de operación.

La topología de doble etapa DC-DC y DC-AC, permite en su primera etapa, aumentar la tensión DC de enlace y controlar la potencia de salida de los generadores distribuidos. La segunda etapa puede trabajar de dos formas, según los requerimientos de control: Modo de control de tensión de Bus (dc bus tensión control mode) o modo de control de corriente y potencia de salida (output power/current control mode).

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3.5 GESTIÓN Y CONTROL

Una microrred en modo “isla”, funciona totalmente independiente de la red principal, y necesita un esquema de control robusto que pueda definir los parámetros de funcionamiento, manteniendo la calidad de la energía, mediante la nivelación de parámetros como las corrientes, las tensiones y las potencias activa y reactiva en cada elemento y en la red en general.[19]

Existen dos factores importantes que se deben controlar en una microrred aislada, para mantener sus valores dentro de los límites aceptados: La frecuencia y la tensión. Las fluctuaciones en la frecuencia y la tensión, dependen de la magnitud y frecuencia de las fluctuaciones en las cargas que causan variaciones de tensión, fuera de los límites de la frecuencia. Por lo anterior, aparecen estrategias de control propias de la aplicación, que gestionan parámetros como las potencias real y reactiva, las distintas cargas según su prioridad, los niveles y tipos de tensión en buses de alimentación y los sistemas de almacenamiento. Es importante revisar factores generales que intervienen en la operación de una microrred en modo isla [20] :

• Control de la Tensión y la frecuencia: La red de distribución principal controla estos parámetros en una microrred cuando está en modo “conectado”, pero en modo “aislado”, el esquema de control debe permitir que las fuentes de energía ajusten sus niveles de tensión y frecuencia según las necesidades de las cargas.

• Equilibrio entre generación y demanda: Deben existir acciones de control sobre el equilibrio que se debe mantener entre generación y consumo, especialmente en casos de desconexión repentina de la red principal.

• Calidad de la Potencia: En este caso los dispositivos de almacenamiento reaccionan ante cambios bruscos de tensión o frecuencia e intercambian grandes cantidades de potencia real y reactiva entre sus elementos.

• Las fuentes: Los dispositivos electrónicos de potencia que se conectan a las fuentes

reaccionan a situaciones de alta demanda y ajusta los niveles de flujo de energía, por lo que es importante contar con sistemas de almacenamiento de energía.

• La comunicación entre los componentes de la microrred: Es importante al elegir la topología de control adecuada, la implementación de una infraestructura de comunicación que enlace los componentes de la microrred.

• La microrred debe planearse para modo “isla”.

• Gestión de las cargas según la demanda “Load Shedding”.

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3.5.1 ESQUEMAS DE GESTIÓN DE ENERGÍA BASADOS EN LA COMUNICACIÓN

En estos esquemas de gestión o control, la información del sistema (corriente, tensión y potencia) debe transferirse a través de la microrred a todos sus elementos, para determinar el punto de operación adecuado de cada generador distribuido. Estos esquemas integran tecnologías de comunicación y procesamiento para determinar la potencia de salida de cada generador distribuido o el consumo de las cargas. En el caso de una microrred rural, el método apropiado de comunicación, se determina teniendo en cuenta factores como la distancia entre generadores, la seguridad, los costos y las tecnologías disponibles, basándose en tecnologías de transmisión como la fibra óptica, microondas, infrarrojo, power line carrier (PLC) o redes inalámbricas basadas en radio (GSM y CDMA), junto a una combinación de protocolos industriales y el protocolo IP [17].

Las estrategias de control basadas en la comunicación, logran buenos resultados en la regulación de la tensión y el reparto de la potencia. Sin embargo, necesitan líneas de comunicación entre los distintos módulos para lograr el intercambio de información necesaria para el esquema de control, aumentando los costos y la vulnerabilidad debido a las grandes distancias, limitando la flexibilidad del sistema. Los esquemas basados en la comunicación se dividen en dos: Centralizados y descentralizados [15] [17]:

Centralizados: conocida como “supervisory energy management”, basado en control maestro-esclavo. En este esquema de control un sistema basado en un nodo central, toma las decisiones y determina los puntos de operación de los generadores distribuidos. Recibe todas las señales de tensión, corriente y potencia, medidas en las unidades de energía de la microrred y establece los puntos de operación de los generadores distribuidos, basándose en los objetivos y restricciones, como el minimizar la operación del sistema y sus costos de mantenimiento, impactos ambientales y aumentar la eficiencia. Después de tomar las decisiones, las señales de control son llevadas a los controladores locales de cada generador distribuido, los cuales definen la operación de los convertidores electrónicos de potencia.

El sistema central recibe toda la información del sistema logrando una optimización basado en la información disponible a través de un sistema de gestión de energía de múltiples objetivos, sin embargo, la carga computacional es mayor y cualquier falla puede generar un apagado general [17].

Descentralizado: Todos los controladores locales de cada generador distribuido, están conectados a través de un bus de comunicación para intercambiar datos entre ellos, y cada controlador conoce el punto de operación de los distintos conversores, lo cual permite determinar el punto de operación de su propio generador distribuido de acuerdo a los objetivos establecidos. Puede extender la capacidad de control al momento de conectar nuevos generadores (plug and play), el poder reducir los requerimientos de procesamiento de cada controlador y mejorar la redundancia y la modularidad del sistema. Un ejemplo de sistema de gestión de energía descentralizado es el sistema multi agentes (MAS), en el cual unos agentes computacionales autónomos toman decisiones basados en los objetivos o metas del entorno donde se encuentren, y comunican la información de sus logros a otros agentes independientes.

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centralizado para optimizar su funcionamiento. Entre los distintos grupos se usa un esquema descentralizado para la optimización global. Este esquema es válido para sistemas compuestos de varias microrredes donde cada microrred tendría un control centralizado, y la comunicación o coordinación entre microrredes seria descentralizado [17].

3.5.1.1 CARACTERÍSTICAS DE UN CONTROLADOR CENTRAL

Un controlador central debe coordinar las interfaces electrónicas, para mantener el balance o equilibrio de las potencias activa (P) y reactiva (Q), en condiciones de estado estable del sistema. Lo anterior requiere de enlaces de comunicación entre el controlador central y cada unidad que compone la microrred, resultando en un aumento de los costos y la necesidad de una mayor supervisión. Sin embargo, un controlador central no necesita complejos algoritmos de control en los convertidores, pero no se puede implementar un sistema compuesto de un elevado número de generadores distribuidos. Las unidades de generación distribuida, funcionan en modo controlado por tensión “grid forming mode” o controlado por corriente “grid following mode”. En modo “isla”, se necesita al menos una unidad controlada por tensión para mantener el equilibrio en la potencia según la tensión de referencia [15].

Un tipo de control central se basa en la operación de un único maestro, donde hay una unidad controlada por tensión y el reparto o distribución de potencia se logra usando un controlador central que mide la potencia total de la carga y distribuye el valor ponderado hacia todas las unidades. El resto de generadores distribuidos funcionan en modo controlados por corriente, estando pendientes de la tensión de la red y cambiando la potencia de salida de acuerdo a las señales intercambiadas a través del sistema de comunicación, realizándose la sincronización a través de un PLL.[15]

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Figura 5: Esquema de control de límite central [15].

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Figura 6: desviación de potencia [15].

3.5.1.2 CONTROL MAESTRO-ESCLAVO

Es una estrategia de control ampliamente usada, centralizada y basada en la comunicación, donde se requieren controladores de corriente y de tensión, y el maestro solo tiene control del voltaje y no de la corriente. El modulo maestro es responsable de la regulación la tensión de salida y de especificar la corriente de referencia de cada inversor. Las unidades esclavas rastrean o monitorean las órdenes relacionadas con la corriente, que provienen del maestro, para lograr una distribución equitativa de la corriente. Este control se caracteriza por un buen desempeño en el reparto de corriente con una muy sencilla implementación, pero no logra una redundancia mientras la unidad esclava dependa del módulo maestro. Además la corriente de salida del maestro no está controlada, por lo que puede ocurrir un aumento excesivo de esta corriente durante un transiente. Las unidades esclavas, reaccionan lento a la demanda de corriente en un transiente, por lo que el maestro deberá proveer una corriente de compensación. También se puede generar una alta corriente durante el transiente del encendido, si no hay control de corriente en el maestro.

3.5.2 ESQUEMAS DE GESTION DE ENERGIA SIN COMUNICACIÓN

Los esquemas sin comunicación no son aplicados en el modelo propuesto en el documento, sin embargo es importante conocer las características generales de este tipo de esquemas.

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método descentralizado eficaz, donde la potencia activa de salida se ajusta de acuerdo a la desviación de frecuencia, y la potencia reactiva de salida se ajusta según la desviación de a tensión. El control droop está basado en que debe asumir que la impedancia de salida de un generador es principalmente inductiva y usa características droop de la amplitud del voltaje y la frecuencia en cada generador distribuido para controlar su salida. En este documento no se especifican los controles autónomos que no requieran enlaces de comunicación [17],[19].

Las fuentes de energía deben coordinarse o cooperar entre sí, a través de distintas técnicas de control. Un ejemplo es el control de potencia de salida de las fuentes es también llamado control P-Q mostrado en la Figura 7, donde el generador se comporta como fuente de corriente controlada por voltaje, variando la potencia de salida cuando cambian los valores nominales de frecuencia o voltaje [20].

Figura 7: Técnica de control P-Q.

Otras técnicas de control se describen a continuación [20]:

El control de fuente de energía primario, permite que en modo aislado, después de una desconexión, los dispositivos de almacenamiento funcionen como un generador síncrono para restaurar el voltaje y la frecuencia a los niveles preestablecidos.

En el control “Droop puro”, las fuentes y los dispositivos de almacenamiento deberán ser capaces de regular sus potencias de salida en modo droop al desconectarse de la red.

Reverse Droop Control: Las fuentes son controladas en modo P-Q y el dispositivo de almacenamiento tiene control “Droop”. Este sistema de control Droop para el inversor del dispositivo de almacenamiento, regula el voltaje controlando la potencia real y regula la frecuencia controlando la potencia reactiva.

Autonomous Control: La microrred debe seguir un modelo peer to peer y plug and play, donde las fuentes deben tener su propia unidad de almacenamiento integrada.

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Parallel Line Interactive UPS Based System: Una variación de los sistemas UPS en paralelo lo que permite su operación en modo conectado o modo aislado.

Microgrid Automation. A self Configuring Approach: En este tipo de control, se utiliza el concepto de gestión de demanda automatizado, donde el controlador central de la microrred tiene comunicación con las cargas para aislarlas directamente en tiempo real cuando existe una sobre demanda de cargas especialmente en horas pico.

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4 REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS

4.1 DEFINICIÓN Y GENERALIDADES

Una red de sensores inalámbricos, es un conjunto de nodos sensores móviles o estacionarios, con capacidad de procesamiento y transmisión inalámbrica, conectados entre sí para transportar información, hacia un nodo central, con el fin de permitir la toma de decisiones de acuerdo a los requerimientos de la aplicación. Estos nodos pueden ser desplegados en posiciones fijas previamente seleccionadas (despliegue determinístico), o de forma aleatoria (auto configurable) en lugares de difícil acceso [21] [22].

Las redes de sensores inalámbricos se usan principalmente, para la adquisición, intercambio y encaminamiento de información capturada a través de los nodos sensores (por ejemplo, fenómenos físicos como temperatura y humedad), con el fin de analizarla y tomar decisiones, de acuerdo a los requerimientos de la aplicación. La Tabla 2, muestra varios campos de aplicación para éste tipo de redes [23].

CAMPOS DE APLICACIÓN DE LAS REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS WSN

Aplicación Descripción

MILITAR

Vigilancia en el campo de batalla.

Obtención de datos relacionados con los daños causados, después de un ataque. Prevención de ataques nucleares, biológicos y químicos.

Inventario de equipo y armamento militar.

MEDIO AMBIENTE

Detección y prevención de inundaciones, incendios forestales u otros tipos de desastres naturales. Control de aspectos agrícolas como la calidad de los suelos, niveles de humedad y temperatura. Mapeo de la biodiversidad en un entorno.

SALUD

Gestión en la administración de medicamentos en hospitales.

Monitoreo de información biológica humana a distancia: Telemedicina y Tele-cuidado. Seguimiento a doctores y pacientes en una entidad médica.

HOGAR Automatización y domótica.

COMERCIALES Inventarios, control de calidad, detección de robos, diagnostico de maquinaria, robótica, Internet de las cosas (IoT). Tabla 2: Aplicaciones de las redes de sensores inalámbricos [21],[23].

Gracias a los avances en diseño y construcción de dispositivos electrónicos, junto a las nuevas tecnologías de transmisión inalámbrica, los nodos sensores son de tamaño reducido, económicos y poseen capacidades de procesamiento que permiten implementar redes de bajo costo, eficientes en transmisión y consumo de energía, teniendo en cuenta los siguientes aspectos de diseño [24]:

• Despliegue de los Nodos: El despliegue determinístico permite conocer la posición y el

número de nodos usados en la red. Sin embargo, en una aplicación que requiere cientos o miles de nodos, desplegados de forma aleatoria en un área geográfica desconocida, se deben considerar técnicas más elaboradas de encaminamiento y ahorro de energía, similares a las usadas en redes “Ad-hoc”.

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la cual, se deben aplicar técnicas que disminuyan el tiempo de procesamiento y transmisión de la información, o que permitan usar otros nodos para suplir la función de los que quedan fuera de servicio.

• Función de los nodos en la red: Un campo de sensores, es un conjunto de nodos desplegados en un área geográfica determinada, que cumplen una función específica. Una red puede tener varios campos de sensores, a los cuáles se les asigna una tarea, como, la medición de temperatura, presión y humedad. Lo anterior permite tener respaldo y redundancia en las mediciones, ante la existencia de daños en uno o varios nodos del mismo campo.

• Tolerancia a los fallos: Las capas de red y enlace de datos, intervienen directamente en las acciones que se deben ejecutar, para superar fallas por ausencia de energía, interferencias o daño total, en uno o varios nodos, gestionando los canales existentes y redirigiendo los paquetes para mantener el tiempo de vida de la red. Las fallas no deben afectar la función principal de la red.

• Dinámica de la red y escalabilidad: Los esquemas de gestión de red, deben considerar el incremento del número de nodos, la estabilidad de los enlaces y el intercambio de la información, en entornos estacionarios o móviles.

• Medio de transmisión y conectividad: Para garantizar la conectividad entre los nodos

sensores, se deben controlar los problemas que usualmente se presentan en un enlace inalámbrico, como la atenuación y la tasa de error de bits. Lo anterior sugiere, que la tecnología inalámbrica de una red de sensores, maneje un ancho de banda mínimo, paquetes de menor tamaño, y tecnologías de acceso al medio, que ofrezcan una mayor velocidad de transmisión y poco consumo de energía.

• Agregación de datos y calidad de servicio: Debido a la redundancia que genera un grupo de sensores con la misma función, se puede usar la agregación de datos para combinar los paquetes que son similares a través de funciones de agregación, con el fin de optimizar el número de transmisiones.

4.2 NODO SENSOR

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Figura 8: Componentes de un nodo sensor [21],[23],[25].

Debido a que los nodos sensores, poseen limitaciones en ancho de banda, procesamiento y consumo de energía, deben tomar decisiones de acuerdo a su función principal, el tipo de información que gestiona y los recursos disponibles de hardware, energía y comunicación.

Para crear una red de sensores inalámbricos, cada nodo debe implementar las principales capas del modelo de referencia OSI, de tal forma que cumpla con los requerimientos que las caracterizan: Un mínimo costo y mayor facilidad en su implementación, transmisiones de baja potencia, poca tasa de transferencia, uso eficiente de la energía proveniente de baterías, y un protocolo simple y flexible.

4.3 MODELO OSI, EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS

La eficiencia de una red de sensores inalámbricos, depende de la gestión de sus recursos. Cada capa del modelo de referencia OSI, permite ejercer un control sobre todos los aspectos que intervienen en el intercambio de la información. La capa física se encarga de la asignación de las bandas de radio y la selección de las técnicas de modulación, actuando directamente en el consumo de energía de un nodo sensor. La capa de enlace de datos se encarga de las retransmisiones y la aplicación de las técnicas de detección y corrección de errores, según la integridad de la información recibida. La capa de red, usa los algoritmos de encaminamiento para encontrar las mejores rutas y enviar los paquetes generados hacia su destino. Finalmente, la capa de aplicación genera la información que se intercambia en la red, y depende específicamente del fabricante de la tecnología y su aplicación. Por ejemplo, la tecnología inalámbrica ZigBee [26], fue desarrollada para redes de sensores inalámbricos, basada en el estándar IEEE 802.15.4 para sus capas física y de enlace de datos, pero posee su propia capa de aplicación y algoritmos de encaminamiento para la capa de red.

4.3.1 CAPAS FÍSICA Y DE ENLACE DE DATOS: EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.4

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interconexión entre dispositivos que usan tecnologías de radio, en una red de área personal. Tabla 3 muestra sus principales características.

CARACTERISTICAS DEL ESTANDAR IEEE 802.15.4

Capa Descripción

CAPA FÍSICA

Tres bandas de operación: 868 MHz, 915 MHz y 2.4 GHz, con tasas de transferencia de 20 kb/s, 40 kb/s y 250 kb/s, y compuestas de 1, 10 y 16 canales, respectivamente.

Tres esquemas de modulación: O-QPSK, BPSK Y ASK.

Uso de técnicas de espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS) y la tecnología de Ultra Banda Ancha (UWB). Gestión de parámetros como la activación y desactivación de los dispositivos de radio, la detección de niveles de energía (Energy Detection), el indicador de calidad del enlace para los paquetes recibidos LQI (Link Quality Indicator ), el evaluador del estado de uso del canal CCA (Clear Channel Assessment), y la sintonización de las frecuencias de los canales.

CAPA DE ENLACE

Uso de CSMA /CA ranurado y no ranurado, como tecnología de acceso al medio. Modo de trabajo con señalización (Beacon)

Dos formas de asignación de direcciones IEEE: 16-bit short y 64-bit long. TOPOLOGÍAS Y

DISPOSITIVOS DEFINIDOS

Estrella, Malla y árbol de clusters.

Dispositivo de Funcionalidad Completa FFD

Dispositivo de funcionalidad reducida RFD (Reduced Function Device)

Tabla 3: Características del estándar IEEE 802.15.4

La capa física, es la responsable de la transmisión y recepción de datos, sirviendo como interfaz entre la subcapa MAC y el canal de transmisión, definiendo parámetros como las bandas de frecuencia, las técnicas de modulación y las técnicas de ensanchamiento de espectro. Ésta capa se encarga de la gestión de parámetros importantes relacionados al canal, como la activación y desactivación de los dispositivos de radio, la detección de niveles de energía (Energy Detection), el indicador de calidad del enlace para los paquetes recibidos (Link Quality Indicator LQI), el evaluador del estado de uso del canal (Clear Channel Assessment (CCA)), para detectar si el canal está libre u ocupado, y la sintonización de las frecuencias de los canales. La unidad de datos de protocolo de la capa física del estándar IEEE 802.15.4, se muestra en la Figura 9.

Figura 9: Campos de la unidad de datos de la capa física IEEE 802.15.4

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inicia en 2400 MHz y termina en los 2483.5 MHz, cuenta con 16 canales separados entre sí cada 5 MHz, con una tasa de transferencia de 250 kb/s.

El estándar IEEE 802.15.4, define en su capa física, el tipo de modulación para cada banda de operación: Por desplazamiento de fase binaria BPSK (del inglés Binary Phase Shift Keying), por desplazamiento de fase por cuadratura con corrimiento O-QPSK (del inglés Offset quadrature phase-shift keying), y la modulación por desplazamiento en amplitud ASK (del inglés Amplitude-shift keying). También especifica el uso del espectro ensanchado por secuencia directa DSSS (del inglés Direct Sequence Spread Spectrum or of Parallel Sequence Spread Spectrum) y la tecnología de Ultra Banda Ancha (UWB). La Figura 10 muestra las bandas de transmisión y sus respectivos esquemas de modulación, para la capa física.

Figura 10: Bandas y esquemas de modulación IEEE 802.15.4 Autor.

La capa de enlace de datos del estándar IEEE 802.15.4, define los métodos de acceso al medio (canales de transmisión), la estructura de las tramas, la detección y corrección de errores, y el tipo de dispositivos que componen la red, a través de la subcapa MAC (Medium Access Control), la cual define el manejo de los datos, la gestión en la transmisión de tramas de señalización (Beacon), y actúa como una interfaz entre la subcapa de control de enlace lógico LLC (Logical Link Control) y la capa física.

La Figura 11 muestra las tramas que componen la subcapa MAC del estándar IEEE 802.15.4, en su versión del 2006, según Reziouk [28].

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Como mecanismo de acceso a los canales, se usa principalmente, la técnica de acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisión, CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Ésta técnica de acceso al medio, usa el concepto de detección de portadora, para conocer el estado de uso del canal, reduciendo la probabilidad de colisión, a través del manejo de tiempos de espera aleatorios entre transmisiones.

La capa inferior MAC, clasifica los dispositivos que participan en el intercambio de datos, según su nivel de funcionalidad. Lo anterior permite definir las topologías de red en que puede trabajar la red de sensores inalámbricos:

• Dispositivo de Funcionalidad Completa FFD (Full Function Device): Implementa todas

las funciones que ofrece la subcapa MAC. Pueden ser usados en cualquier topología de red, son capaces de cumplir la función de coordinador de red, y poseen la capacidad de comunicarse con cualquier otro elemento. Estos dispositivos poseen tres modos de funcionamiento:

o Coordinador de la red de área personal PAN (Personal Area Network

Coordinator): Es el dispositivo encargado de identificar la red y las configuraciones iniciales. Es el controlador principal.

o Coordinador: En éste modo de funcionamiento, se proveen los servicios de

sincronización entre nodos, a través de la transmisión de señales Beacon. No es capaz de crear su propia red, a diferencia del modo coordinador PAN y debe estar asociado a un coordinador PAN The Coordinator:

o Dispositivo final: Funcionamiento básico, con funcionalidad reducida, aplicado en tareas sencillas ajenas al procesamiento y encaminamiento.

• Dispositivo de funcionalidad reducida RFD (Reduced Function Device): Posee las

funciones básicas de la capa MAC. Solo puede comunicarse con los dispositivos de funcionalidad completa FFD, por lo que y debido a sus limitaciones, funcionan como dispositivos finales, en aplicaciones simples donde no se necesite transmitir grandes cantidades de información, como la activación de interruptores o de sensores pasivos, ideal para aplicaciones de domótica o el creciente fenómeno del Internet de las Cosas (IoT)

En una red de dispositivos, basada en el estándar IEEE 802.15.4, La subcapa MAC emplea dos modos de operación para el intercambio de datos:

Modo con señalización o baliza habilitada (Beacon – Enabled): La emisión periódica de señales

o mensajes Beacon, realizada desde un dispositivo coordinador, permite mantener una

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• El coordinador de la red de área personal (Coordinador PAN), define y transmite las tramas Beacon hacia todos los nodos, para descubrirlos (cuando son nuevos en la red), o confirmar su presencia en la red, activarlos (si se encuentran en modo “sleep”), y sincronizarlos.

• En toda comunicación inalámbrica, la transmisión se realiza generando una señal

portadora, con el fin de combinarla con los datos o la información que se desea enviar (modulación). La técnica de acceso al canal CSMA, detecta la portadora para conocer el estado de uso del canal, antes de realizar la transmisión.

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Figura 12: Formato supertrama [30].

Modo con señalización o baliza deshabilitada (Non – Beacon – Enabled): No existe transmisión de Beacon, y los nodos acceden al canal a través del CSMA/CA no ranurado, significa que no hay ranuras de tiempo por las cuales competir, no se usa la supertrama, y no hay sincronización ni confirmación de presencia.

4.3.2 CAPAS SUPERIORES EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS

Las capas física y de enlace de datos proveen un marco de trabajo que cumple con los requerimientos de las redes LR –WPAN, a través del estándar IEEE 802.15.4. Sin embargo, Las capas de red, de transporte y de aplicación, son más cercanas al usuario, y dependen principalmente de los consorcios que desarrollan las tecnologías. IEEE 802.15.4 permite crear una infraestructura base, en la cual se soportan redes más robustas, como 6LoWPAN, ISA100.11a, WirelessHART, LoRa o ZigBee, para aplicaciones como internet de las cosas IoT [28].

4.3.2.1 CAPA DE RED: IMPORTANCIA DE LOS PROTOCOLOS DE ENCAMINAMIENTO EN REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS

Las redes de sensores inalámbricos, poseen grandes cantidades de nodos con capacidades limitadas en energía, procesamiento y memoria. El encaminamiento confiable y eficiente de los paquetes, entre cientos o miles de nodos sensores, se convierte en una tarea que los protocolos de red convencionales no son capaces de cumplir. Lo anterior conduce a un campo de investigación en el que se pueden generar nuevas técnicas dirigidas a prolongar el tiempo de vida de éste tipo de redes.

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nodos intermedios (vecinos), para encaminar o redirigir los datos y alcanzar una estación base encargada de recibir y procesar la información obtenida. Cada salto entre nodos está asociado a un consumo de energía, un gasto en procesamiento y la aparición de datos adicionales que consumen el ancho de banda, razón por la cual, se estudian distintos tipos de algoritmos de encaminamiento que permitan encontrar las rutas más cortas, con el menor número de saltos entre nodos y que requieran un mínimo número de datos de control (overhead), con el fin de utilizar los recursos disponibles de forma eficiente, optimizar el consumo de energía y prolongar el tiempo de vida de la red [31].

Figura 13, muestra una clasificación general de los protocolos de encaminamiento para redes de sensores inalámbricos según Al-Karaki , Ahmed y Singh [23], [24], [32].

Figura 13: Clasificación de protocolos para WSN [23], [24], [32].

De acuerdo a la

Figura 13, los protocolos para redes de sensores inalámbricos, pueden dividirse en dos

categorías: Por estructura de la red (Network Structure) y por operación del protocolo (Protocol Operation).

Los protocolos por estructura de red se clasifican en:

• Protocolos planos (flat-based routing)

• Basados en la jerarquía (hierarchical-based routing)

• Basados en la ubicación (location-based routing)

Según la operación del protocolo se pueden clasificar en:

• Basados en múltiples caminos (multipath-based).

• Basados en solicitud (query-based)

• Basados en calidad de servicio (QoS-based)

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ruta hacia el destino. En los protocolos proactivos, todas las posibles rutas son calculadas previamente antes de ser necesitadas. En los protocolos reactivos, las rutas se calculan solo en el momento en que se necesiten, es decir, por demanda. Los protocolos híbridos son una combinación entre reactivos y proactivos.

A continuación se realiza una breve descripción de los protocolos según Al-Karaki [24]:

4.3.2.1.1 TÉCNICAS DE PROTOCOLOS POR ESTRUCTURA DE RED

Este tipo de protocolos se basan en la importancia que tiene la estructura subyacente de una red, en el desempeño de una técnica de encaminamiento.

4.3.2.1.1.1 ENCAMINAMIENTO PLANO

En una red plana, todos los nodos tienen la misma función y colaboran entre sí, para realizar las tareas de sensado. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las redes se componen de un elevado número de nodos, por lo que es difícil asignar un identificador global para cada uno. Lo anterior conduce a tener en cuenta, un encaminamiento centrado en los datos, donde la estación base envía solicitudes a regiones específicas y espera los datos provenientes de los sensores de esas regiones. Es importante especificar las propiedades de los datos, nombrándolos con base en sus atributos. A continuación se describen brevemente varios protocolos y paradigmas pertenecientes a ésta categoría [24]:

Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN): Es una familia de protocolos que difunden la información de cada nodo hacia los demás, asumiendo que cada nodo es una posible estación base. Esto le permite al usuario realizar una solicitud a cualquier nodo y así, obtener la información de forma inmediata. Estos protocolos hacen uso del concepto de que los nodos cercanos poseen el mismo tipo de información, por lo que solo se necesita distribuir la información a los nodos que no la poseen.

Directed Diffusion: Es considerado más un paradigma que un protocolo. La difusión directa se centra en los datos generados por los nodos sensores. Estos datos se nombran, asignándoles un valor y un atributo. El objetivo primario es combinar (Agregación), los datos que provienen de distintas fuentes, eliminando la redundancia, disminuyendo el número de retransmisiones, ahorrando energía y prolongando el tiempo de vida de la red. Las solicitudes se realizan a través de inundación de la red (flooding).

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Minimum Cost Forwarding Algorithm (MCFA): Este tipo de algoritmos, se basa en el hecho de que la estación base tiene una posición fija, lo que permite al nodo tener una estimación del menor coste entre sí mismo y la estación base sin necesidad de tener un único identificador global o una tabla de encaminamiento. El mensaje que se envía desde un nodo se difunde hacia sus nodos vecinos. Cuando un nodo vecino recibe el mensaje revisa si se encuentra en el camino de menor coste entre el nodo origen y la estación base. Si es el caso, difunde el mensaje a sus vecinos, y el proceso se repite hasta alcanzar la estación base.

Gradient-Based Routing: La idea principal de este paradigma de encaminamiento es guardar en memoria el número de saltos cuando la solicitud se difunde en toda la red. De esta manera, cada nodo puede calcular con este dato, un parámetro llamado la altura del nodo (node´s height), que consiste en el mínimo número de nodos requeridos para alcanzar la estación base.

COUGAR: Protocolo centrado en los datos, donde se visualiza la red como un sistema de base de datos distribuido. Se usan solicitudes declarativas, donde se especifican (declaran) algunas funciones relevantes de la capa de red (por ejemplo los niveles de importancia o las funciones de los nodos), a través de la agregación de datos.

ACtive QUery forwarding In sensoR nEtworks (ACQUIRE): Es una técnica que se enfoca en la forma de realizar solicitudes a los nodos sensores, considerando la red como un sistema de base de datos distribuido. Las solicitudes provenientes de la estación base son dirigidas hacia los nodos, los cuales al recibirla, intentan responderla de forma parcial, usando una información previamente almacenada, y luego la redirigen a otros nodos. Cuando la solicitud se responde completamente, se devuelve a la estación base a través de la ruta más corta.

Energy Aware Routing: Un protocolo reactivo iniciado de acuerdo al destino, cuyo fin es el de prolongar el tiempo de vida de la red, a través de un conjunto de rutas que establece previamente, según un conjunto de datos probabilísticos que dependen del cálculo del consumo de energía en el recorrido de cada camino. Al tener varias opciones, la energía de un solo camino no se agotaría rápidamente.

4.3.2.1.1.2 ENCAMINAMIENTO POR JERARQUÍA

El encaminamiento jerárquico o basado en Clusters, es ampliamente usado para desarrollar protocolos eficientes en consumo de energía, para redes de sensores inalámbricos. Por ejemplo, en una arquitectura por jerarquías, los nodos que posean mayores niveles de energía se encargarían de las tareas de procesamiento y redirección de la información, mientras que los demás, se dedican directamente al sensado del fenómeno. La creación de Clusters y la asignación

de tareas especiales a las cabezas de cluster, contribuyen a mejorar aspectos como la