UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
Diseño e implementación de interfaz para
Control de Elementos de Sistemas de
Distribución en Arquitectura Hardware-Software
(GridTeractions)
Jose Ernesto Pestana Calderín
Tesis presentada como requisito para optar el título de Profesional en Ingeniería Electrónica
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Declaración de Autoría
1. Soy consciente que cualquier tipo de fraude en esta Tesis es considerado como una falta grave en la Universidad. Al rmar, entregar y presentar esta propuesta de Tesis o Proyecto de Grado, doy expreso testimonio de que esta propuesta fue desarrollada de acuerdo con las normas establecidas por la Universidad. Del mismo modo, aseguro que no participé en ningún tipo de fraude y que en el trabajo se expresan debidamente los conceptos o ideas que son tomadas de otras fuentes.
2. Soy consciente de que el trabajo que realizaré incluirá ideas y conceptos del autor y el Asesor y podrá incluir material de cursos o trabajos anteriores realizados en la Universidad y por lo tanto, daré el crédito correspondiente y utilizaré este material de acuerdo con las normas de derechos de autor. Así mismo, no haré publicaciones, informes, artículos o presentaciones en congresos, seminarios o conferencias sin la revisión o autorización expresa del Asesor, quien representará en este caso a la Universidad.
Firma:
Nombre: Jose Ernesto Pestana Calderín Código: 201111434
C.C.: 1102863798 de Sincelejo, Sucre
Fecha: Por Asignar
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
Resumen
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
En este documento se encuentra un aporte realizado a GridTeractions, una plataforma exible y de fácil escalabilidad para la implementación de Sistemas de Potencia de Distribución y prueba de algoritmos de automatización avanzada para control de los mismos. En particular, se incorporan elementos eléctricos como la Fuente de Voltaje, la Fuente de Corriente, el Reactor de Línea, el Panel Fotovoltaico y el Conversor AC/DC. Adicionalmente, se complementa la parte hardware del proyecto con el desarrollo de interfaces sobre pantallas HMI, que incrementan la interacción entre el hombre y la máquina, permitiendo un mayor dinamismo para el control de redes inteligentes. Cabe resaltar que el desarrollo realizado se hizo en lenguaje de programación Java y el uso de plataformas de recurso abierto como OpenDSS y DSSim-PC para lograr la simulación en tiempo real y la lectura y modicación de los parámetros eléctricos de los elementos mencionados. En el contenido del documento se encuentra la metodología que fue llevada a cabo, el diseño realizado y los resultados obtenidos basados en caso de pruebas construidos.
Agradecimientos
A Dios por darme la posibilidad de culminar mis estudios universitarios y haberme llenado de segu-ridad, paciencia y sabiduría en el desarrollo de este proyecto de grado.
A mi padre Jose Miguel, mi madre Nelsy y mi hermana Melisa, quienes me brindaron su apoyo incondicional a lo largo de todos mis estudios.
A mis compañeros de GridTeractions, por toda su colaboración en el desarrollo del proyecto.
A los profesores Gustavo Ramos y David Celeita, por su atención, acompañamiento y enseñanzas durante la elaboración del proyecto de grado y los cursos de pregrado.
A mis amigos y demás familiares, quienes hicieron parte de alguna u otra forma de este proceso y contribuyeron de forma positiva en lo personal y académico.
Índice general
Declaración de Autoría i
Resumen ii
Agradecimientos iii
Índice de guras vi
Índice de tablas vii
Abreviaturas viii
1. Introducción 1
2. Denición del Problema y Objetivos 3
2.1. Denición del Problema . . . 3
2.2. Objetivos . . . 4
2.2.1. Objetivo General . . . 4
2.2.2. Objetivos Especícos . . . 4
2.2.3. Alcance y Productos Finales . . . 4
3. Marco Teórico 6 3.1. OpenDSS, DSSim-PC y GridTeractions . . . 7
3.2. Elementos Eléctricos . . . 9
3.2.1. Fuente de Voltaje . . . 9
3.2.2. Fuente de Corriente . . . 9
3.2.3. Reactor de Línea . . . 9
3.2.4. Panel Fotovoltaico . . . 10
3.2.5. Conversor AC/DC . . . 10
4. Metodología 12 5. Diseño y Desarrollo 14 5.1. Arquitectura . . . 14
5.2. Integración de los Elementos . . . 15
Índice general v
5.2.1. Modelos . . . 15 5.2.2. Interfaz . . . 17 5.2.3. Implementación en Pantallas HMI . . . 19
6. Validación del Diseño y Resultados 21
6.1. Validación . . . 21 6.2. Resultados . . . 23
7. Discusión y Conclusión 26
7.1. Discusión . . . 26 7.2. Conclusiones y Trabajo Futuro . . . 26
Índice de guras
3.1. Diagrama de Flujo de Metodología de GridTeractions . . . 8
3.2. Modelo Panel Fotovoltaico . . . 10
4.1. Metodología . . . 12
5.1. Arquitectura . . . 15
5.2. Interfaz para Fuente de Corriente . . . 17
5.3. Interfaz para Fuente de Voltaje . . . 18
5.4. Interdaz para Reactor de Línea . . . 18
5.5. Interfaz para Panel Fotovoltaico . . . 19
5.6. Interfaz para Conversor AC/DC . . . 19
6.1. Sistema de prueba para Fuente de Voltaje y Panel Fotovoltaico . . . 22
6.2. Sistema de prueba para Reactor de Línea . . . 22
6.3. Resultados para prueba del Panel Solar . . . 23
6.4. Resultados para prueba del Reactor de Línea . . . 25
Índice de tablas
5.1. Parámetros Eléctricos de los modelos de los elementos . . . 16
6.1. Resultados para modicación de Red con Panel Solar . . . 24 6.2. Resultados para modicación de Red con Reactor . . . 25
Abreviaturas
ADA Advanced Distribution Automation
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition DER Distributed Energy Resources
AMI Advanced Distribution Automation DSM Demand Side Management
DG Distributed Generation GUI Graphical User Interface HMI Human Machine Interface IP Internet Protocol
TCP Transmission Control Protocol UML Unied Modeling Language
Capítulo 1
Introducción
La conabilidad en las redes de distribución siempre ha sido una preocupación para las entidades prestadoras del servicio de energía eléctrica. Con el incremento de la demanda y la preocupación por el cuidado del medio ambiente, se ha incentivado al uso de nuevas tecnologías para la generación de electricidad, la optimización de los recursos existentes y la gestión energética. En primer lugar, la generación distribuida (DG) a partir de recursos renovables (energía solar, energía eólica, energía hidráulica, etc.) suponen un gran impacto a la red de distribución, puesto que la intermitencia natural de la disponibilidad de estos recursos obliga al uso de baterías y otras soluciones que pueden causar distorsiones de voltaje y corriente; además, la autogeneración con Diesel plantea retos como el ujo de excedentes de energía a la red.
En segundo lugar, cambiar la infraestructura existente para cumplir con las restricciones de nuevas tecnologías tendría un costo elevado, no solo por la compra de los elementos apropiados y la mano de obra, sino también por el impacto que el no suministro de energía puede causar a la sociedad y las pérdidas económicas que esto implicaría. Por esta razón, se están implementando métodos de automatización de distribución avanzados (ADA) [1] que por medio de algoritmos optimizan los recursos existentes para garantizar el suministro de energía eléctrica a pesar de que existan contingencias en el sistema. No obstante, la aplicación de estos tiene un impacto sobre la red que debe ser analizado.
En tercer lugar, la gestión energética (DSM) supone otra de las soluciones a través de la imple-mentación de políticas y normas que contribuyan con el buen uso de la energía. Dentro de estas se
Capítulo 1. Introducción 2
encuentran los programas de respuesta de la demanda (DR), que con ayuda de medición inteligente (AMI) permiten que el usuario conozca el comportamiento del mercado eléctrico y sus precios, y a partir de esto se capaz de tomar decisiones de consumo que ayuden a disminuir la curva de demanda en horas pico del día, con lo cual se aliviaría la congestión en la red.
Por último, aunque los factores mencionados anteriormente suponen grandes retos, hacen parte de una red inteligente que tiene muchas ventajas, como el incremento en la conabilidad, la calidad del servicio, la reducción de la congestión y las pérdidas de potencia en el sistema, y la disminución en la emisión de gases contaminantes como el CO2. Por esta razón, surge la necesidad de crear un espacio donde sea posible simular un sistema que tenga todas estas características y una topología cercana a la real, con el n de observar el impacto que tendría la implementación de esta tecnología, y el análisis de los datos adquiridos por los sistemas de medición, para el uso de técnicas avanzadas de control que brinden soluciones optimas de reconguración, control de protecciones y deslastre de carga inteligente [2].
Ahora bien, este trabajo de grado hace parte de un gran proyecto llamado GridTeractions que busca la construcción de un entorno de simulación. Especícamente, con este proyecto se pretende diseñar e implementar el modelo de una fuente de corriente, una fuente de voltaje, un reactor de línea, un conversor y una celda fotovoltaica, que hacen parte del sistema de distribución (como red inteligente) para su operación en arquitecturas Hardware Software, que para este caso en particular, se incorpora por medio de pantallas HMI que permitan la interacción hombre máquina.
Capítulo 2
Denición del Problema y Objetivos
2.1. Denición del Problema
El desarrollo de las redes inteligentes requiere métodos de análisis que soporten las decisiones que tome el operador de red. Los sistemas de control que se encargan de entregar este soporte son críticos, puesto que necesitan procesar información proveniente de sistemas SCADA [3] que están constan-temente tomando mediciones de los parámetros eléctricos de la red. Sumado a esto, se encuentra la penetración de fuentes de energía intermitentes como la solar y la eólica, el uso de vehículos eléc-tricos y baterías para el almacenamiento de energía. Todo lo anterior, es controlado bajo un mismo esquema que garantiza la seguridad del sistema y que debe ser operado teniendo en cuenta acciones que ayuden a superar posibles contingencias, permitiendo conabilidad y resiliencia en el sistema de potencia.
En este orden de ideas, el rol de las herramientas de simulación acelera el desarrollo y la imple-mentación de las redes inteligentes, puesto que permite el entendimiento de su comportamiento [4]. Además, muestran una visión en conjunto a todos los agentes involucrados; por un lado, a los operadores y reguladores, puesto que una buena implementación les permite contar con una mayor conabilidad y un manejo adecuado de sus recursos, y, por otro lado, el usuario, puesto que conta-rá con mayor información para la toma de decisiones y podconta-rá participar activamente del mercado incorporando generación distribuida o aplicando a programas de respuesta de la demanda. Por otra parte, el desarrollo de herramientas de recurso abierto potencializa su uso en ambientes académicos,
Capítulo 2. Denición del Problema y Objetivos 4
permitiendo la creación de nuevos entornos de simulación que incorporen interacción hardware/soft-ware para la construcción de algoritmos y soluciones de automatización por parte de estudiantes y profesores que estén interesados [5]. Finalmente, contar con ventanas de simulación en tiempo real, robustas y exibles permitirán la estandarización de una red versátil con un alto grado de libertad.
2.2. Objetivos
2.2.1. Objetivo General
Diseñar e implementar el modelo de elementos de sistemas de distribución, tales como fuente de corriente, de voltaje, conversores, reactores y celdas fotovoltaicas, para operar en la arquitectura hardware software GridTeractions.
2.2.2. Objetivos Especícos
Desarrollar los modelos de los elementos en Java para conexión entre el servidor de GridTe-ractions y DSSim-PC.
Desarrollar los modelos de los elementos en Java para conexión entre el cliente de GridTerac-tions y DSSim-PC.
Implementar el desarrollo realizado en una Raspberry.
Denir, seleccionar y programar una interfaz HMI donde sea posible la interacción con estos elementos usando la plataforma GridTeractions.
Hacer una prueba que evidencie el funcionamiento de todo el sistema implementado, donde el usuario pueda interactuar con la plataforma para conocer el estado del sistema de distribución y modicar las propiedades de sus elementos en tiempo real.
2.2.3. Alcance y Productos Finales
Capítulo 2. Denición del Problema y Objetivos 5
Archivos de programación totalmente funcionales en Java, junto con los comentarios que faci-liten la lectura del código para futuras modicaciones.
Archivos de programación totalmente funcionales para la implementación del desarrollo reali-zado en la Rashberry, junto con los comentarios que faciliten la lectura del código para futuras modicaciones.
Presentar varias pantallas HMI programadas para un uso nal por el usuario, que le permitan la lectura, escritura y modicación de los parámetros eléctricos de los elementos seleccionados en un entorno de simulación con DSSim-PC.
Documentar todo el diseño y la implementación realizada para futuros trabajos y mejoras del prototipo nal.
En complemento con otros trabajos, presentar el primer prototipo funcional de un laboratorio de Smart Grids en la universidad de los Andes.
Capítulo 3
Marco Teórico
Alrededor del mundo se han desarrollado espacios que simulen redes inteligentes y permitan la investigación en diferentes áreas de interés. Dentro de los ejemplos que se destacan y que sirven como guía se encuentran el laboratorio de redes inteligentes INGRID de la corporación tecnológica Tecnalia de España [6], en el cual es posible realizar experimentos en alta tensión y alta potencia, que contemplen equipos y componentes de las redes eléctricas inteligentes y la gestión inteligente del consumo de energía eléctrica. Esta infraestructura es viva y adaptable, con capacidad de interactuar con la industrial y servir como soporte a la investigación y el desarrollo tecnológicos de las empresas del sector. Por otro lado, en el Royal Institute of Technology de Suecia, también se han creado espacios que apoyen la investigación, sin embargo, a diferencia del ejemplo anterior, este busca la construcción de un laboratorio a muy bajo costo [7].
No obstante, para realizar este proyecto de grado es necesario apoyarse en estudios y trabajos rea-lizados previamente que se encuentren relacionados con este tema. Por esta razón, se tendrán en cuenta los avances logrados por el grupo de trabajo que inició con este proyecto llamado GridTerac-tions, que como alcance pretende implementar una plataforma de simulación para interactuar con sistemas de distribución. Por lo tanto, es esencial tener conocimiento sobre el funcionamiento de DSSim, OpenDSS y de los elementos eléctricos en estudio en estos softwares.
Capítulo 3. Marco Teórico 7
3.1. OpenDSS, DSSim-PC y GridTeractions
OpenDSS es una herramienta usada para simular sistemas eléctricos de transmisión y distribución creada por EPRI [8]. Por su parte, DSSim PC [9] es un simulador basado en OpenDSS, que por medio de una interfaz gráca, permite hacer uso de todas las herramientas proporcionadas por la herramienta desarrollada por EPRI. En este orden de ideas, GridTeractions es una plataforma de simulación para sistemas de distribución que permite controlar remotamente componentes eléctricos basados en la arquitectura multi terminal y multiplataforma. La arquitectura del sistema tiene un único servidor programado en Java que se ejecuta en un computador con sistema operativo Windows 7 o superior y varios clientes que se ejecutan en RaspBerry Pi 2 [10]. Ambos se comunican a través de un protocolo TCP/IP por medio de internet [11]. La metodología empleada para el funcionamiento de GridTeractions se muestra en la Figura 3.1, la cual se tiene en cuenta para la programación de los elementos eléctricos a añadir.
Capítulo 3. Marco Teórico 8
Figura 3.1: Diagrama de Flujo de Metodología de GridTeractions
Por otro lado, la característica de recurso abierto al público de este tipo de software los convierte en una opción bastante aceptable para el desarrollo de proyectos académicos e investigativos. Por ejemplo, se han implementado métodos ADA para construir metodologías y herramientas compu-tacionales que brinden soporte a redes de distribución con técnicas RT-HIL, reduciendo el tiempo de diseño y prueba, y sus costos [12].
Capítulo 3. Marco Teórico 9
3.2. Elementos Eléctricos
Las deniciones presentadas a continuación son tomadas del manual de OpenDSS [13], con el n de conocer la forma en cómo se desarrollaron en OpenDSS los elementos que se implementaran en GridTeractions.
3.2.1. Fuente de Voltaje
Es un elemento de conversión de energía especial, puesto que se utiliza para inicializar la solución de ujo de potencia con todas las demás fuentes de inyección jas en cero. Los datos que se especican en este elemento son para determinar la fuente de potencia equivalente del sistema, es decir, se dene el voltaje línea a línea y los MVA de cortocircuito. Este elemento tiene dos terminales, una que se conecta al sistema de interés y otra se aterriza a tierra. También, puede ser usada entre dos nodos, dependiendo del estudio que se esté realizando.
3.2.2. Fuente de Corriente
Es un elemento de una terminal que se puede conectar a cualquier nodo del sistema de potencia. Su uso más común es para representar fuentes de armónicos y para realizar estudios de respuesta de frecuencia de modelos de circuitos. La corriente a través de esta fuente es independiente al nivel del voltaje a la cual está conectada, y es proporcionada de manera constante.
3.2.3. Reactor de Línea
Es un elemento de impedancia constante que se puede congurar para diferentes conexiones. Al igual que un condensador, su segunda terminal generalmente está conectada a tierra. En caso en que este elemento se encuentre en derivación, su impedancia es representada por la matriz Y. El reactor puede presentar una conexión en serie R L o en paralelo R L. Las características de impedancia de este elemento permiten tener respuestas de frecuencia, que son útiles para simulaciones de estudios de armónicos, puestos que pueden ser manejados como ltros. Además, el reactor se puede utilizar como una fuente equivalente o impedancia equivalente donde la capacitancia de una línea es innecesaria.
Capítulo 3. Marco Teórico 10
Usualmente en estos elementos se denen las propiedades de kV, kVar, R y X, y su característica de acoplamiento mutuo entre fases se puede denir por medio de la propiedad Rmatrix y xMATRIX.
3.2.4. Panel Fotovoltaico
Este elemento en OpenDSS combina un modelo de generador fotovoltaico e inversor fotovoltaico en un modelo cómodo de usar en estudios de impacto para sistemas de distribución. En la Figura 3.2, se muestra un diagrama esquemático del modelo del sistema fotovoltaico usador OpenDSS.
Figura 3.2: Modelo Panel Fotovoltaico
Este modelo asume que el inversor es capaz de encontrar el máximo punto de potencia (mpp) rápidamente. Esto simplica el modelamiento de sus componentes, lo cual es mucho más adecuado para los estudios. Para el modelo presentado, la potencia activa es función de la irradiación, la temperatura y la potencia nominal en el máximo punto de potencia.
3.2.5. Conversor AC/DC
Este elemento permite convertir una entrada de voltaje continua a una salida de voltaje alterno, por lo tanto, es conocido como inversor. Dentro de los parámetros eléctricos con los que cuenta está el índice de modulación, el cuál determina el ancho del pulso PWM, una técnica muy útil para lograr
Capítulo 3. Marco Teórico 11
que la componente principal de la onda sinusoidal de la salida sea mayor a la de los armónicos superiores, por lo esta razón, ayuda en la mitigación de la distorsión. Otras de las características eléctricas son la corriente RMS máxima y mínima que resiste el elemento y el número de fases AC y DC que tiene conectadas.
Capítulo 4
Metodología
Gracias a los adelantos realizados en el desarrollo de la plataforma de GridTeractions siguiendo el diagrama de ujo presentado en el Capítulo 3, se propone la metodología mostrada en la Figura 4.1 para integrar los elementos propuestos al Software.
Figura 4.1: Metodología
Ahora bien, las actividades incluyen varias tareas que se denen de manera adecuada a continuación:
1. Identicar Propiedades y Modelos: Esta actividad consiste en estudiar en qué consiste cada uno de los parámetros eléctricos que tienen los elementos.
Capítulo 4. Metodología 13
2. Seleccionar Propiedad según importancia: Esta actividad consiste en darle prioridad a los parámetros eléctricos. Su importancia se centrará en el impacto que puede generar sobre la red eléctrica una modicación en el valor de dicha variable.
3. Identicar Comandos de OpenDSS: En primer lugar, un comando permite establecer un enlace de comunicación entre DSSim-PC y OpenDSS. Este enlace proporciona información especíca sobre algún parámetro. Por tal razón, esta actividad consiste en seleccionar los comandos que proporcionen datos sobre los elementos en estudio.
4. Programación: Esta macroactividad incluye el desarrollo de la interfaz gráca que permita la visualización en tiempo real de los valores de los parámetros de los elementos dados por la simulación, las pruebas de funcionamiento en la plataforma de GridTeractions y la integración de esta a las pantallas HMI.
Capítulo 5
Diseño y Desarrollo
En este capítulo se muestra el diseño del software que se desarrolló teniendo en cuenta la arquitectura de GridTeractions y el funcionamiento de los sistemas de distribución. También, se implementa la metodología planteada.
5.1. Arquitectura
La arquitectura de la plataforma de GridTeraction está desarrollada en el lenguaje de programación Java. Cuenta con un único servidor instalado en un computador con las características de proce-samiento y memoria que soporten la aplicación. Se conecta al DSSim-PC y realiza la simulación del sistema de distribución en estudio, leyendo toda la información de los elementos de la red. Por otro lado, cuenta con múltiples clientes, cada uno operando en un Raspberry [10]. Este presenta una interfaz que visualiza los parámetros eléctricos de los elementos que el cliente elija, cuya información es tomada del servidor a través de una comunicación TCP/IP creada para tal n. Adicionalmente, el cliente es capaz de modicar los valores de los parámetros y visualizar en tiempo real el impacto que este cambio puede tener sobre el sistema. La arquitectura se muestra en la Figura 5.3, donde se encuentran resaltados los elementos en estudio para este proyecto de grado.
Capítulo 5. Diseño y Desarrollo 15
Figura 5.1: Arquitectura
Por otro lado, es importante conocer la forma en cómo se realiza una simulación con GridTeraction y la conguración del servidor y el cliente, las cuales se explican de manera muy clara en [11].
5.2. Integración de los Elementos
Para integrar los elementos al sistema, se desarrolla la metodología propuesta para tal n. Por tal razón, se presentan los modelos de los elementos junto con sus parámetros eléctricos, se muestra la interfaz diseñada y su implementación en las pantallas HMI.
5.2.1. Modelos
Según la metodología propuesta se seleccionan los parámetros eléctricos de mayor relevancia para la simulación, los cuales son presentados en la Tabla 5.1.
Capítulo 5. Diseño y Desarrollo 16
Tabla 5.1: Parámetros Eléctricos de los modelos de los elementos
Elemento Parámetros que se leen Parámentros que se modican Fuente de Voltaje Estado, Frecuencia, Voltaje
Base en kV y en p.u., Án-gulo, Capacidad de Corto-circuito Trifásica, Relación X/R positiva y negativa, Im-pendancia de secuencia ce-ro, positiva y negativa, y Se-cuencia.
Estado, Ángulo, Secuencia, Capa-cidad de Cortocircuito, Frecuen-cia, Voltaje Base, Relación X/R e Impedancia.
Fuente de Corriente Estado, Corriente de la Fuente, Fase de la Fuente, Secuencia.
Estado, Corriente de la Fuente, Fa-se de la Fuente, Secuencia.
Reactor de Línea Voltaje, Potencia Reactiva, Resistencia, Reactancia, Re-sistencia en Paralelo, Modo Paralelo, Impedancia de Se-cuencia Positiva, Negativa y Cero.
Voltaje, Potencia Reactiva, Re-sistencia, Reactancia, Resistencia en Paralelo, Modo Paralelo, Impe-dancia de Secuencia Positiva, Ne-gativa y Cero.
Panel Fotovoltaico Voltaje, Potencia Reactiva, Potencia Aparente, Factor de Potencia, PMPP, Irradia-ción, Temperatura, Modelo, Voltaje Máximo y Voltaje Mínimo.
Potencia Reactiva, Potencia Apa-rente, Factor de Potencia, PMPP, Irradiación, Temperatura, Mode-lo, Voltaje Máximo y Voltaje Mí-nimo.
Conversor AC/DC Máxima corriente AC de lí-nea, Máxima corriente DC, Índice de Modulación, Nú-mero de conductores DC, Potencia Activa, Potencia Reactiva, Resistencia AC, Reactancia AC.
Máxima corriente AC de línea, Máxima corriente DC, Índice de Modulación, Número de conducto-res DC, Potencia Activa, Potencia Reactiva, Resistencia AC, Reac-tancia AC.
Capítulo 5. Diseño y Desarrollo 17
Ahora, el único elemento que cuenta con un modelo dinámico es el panel Fotovoltaico, el cual se describe en el Marco Teórico del documento. Para este caso en particular, fue necesaria la implemen-tación de dos funciones. La primera permite agregar una curva de eciencia a lo largo del tiempo, y la segunda, una curva de temperatura e irradiación.
5.2.2. Interfaz
A continuación se muestra la GUI diseñada para cada uno de los elmentos.
Capítulo 5. Diseño y Desarrollo 18
Figura 5.3: Interfaz para Fuente de Voltaje
Capítulo 5. Diseño y Desarrollo 19
Figura 5.5: Interfaz para Panel Fotovoltaico
Figura 5.6: Interfaz para Conversor AC/DC
5.2.3. Implementación en Pantallas HMI
Las pantallas HMI permitirán que la plataforma sea mucho más interactiva y amigable con el usuario, además, proporcionarán movilidad y exibilidad a la hora de operar el simulador. Así mismo, para la escogencia de las pantallas se tuvieron en cuenta las características técnicas y la facilidad de uso
Capítulo 5. Diseño y Desarrollo 20
y programación. En este orden de ideas, se selecciona el dispositivo fabricado por Raspberry, puesto que no necesita una conguración especíca para ser usada, ya que se conecta directamente a la tarjeta como un monitor. También, cuenta con un tamaño de 7 pulgadas con una resolución de 800x480 pixeles, y es táctil con capacidad de soportar el toque de 10 dedos a la vez. Por último, la visualización de la interfaz del cliente será la misma que se diseñó para los elementos dado que el sistema operativo de la Raspberry Pi permite la ejecución del software.
Capítulo 6
Validación del Diseño y Resultados
6.1. Validación
Para validar el correcto funcionamiento de los elementos en la plataforma, se plantean varios esce-narios de pruebas en DSSim-PC donde se corre un ujo de carga en tiempo real modicando los parámetros eléctricos, lo cual permite observar el impacto de la variación sobre el sistema. Luego, se procede a analizar si los resultados tienen coherencia y están acordes a los cambios realizados.
En primer lugar, se plantea el sistema de pruebas de la Figura 6.1 que viene por defecto en los archivos de ejemplo de DSSim-PC. Se observa que cuenta con un generador Fotovoltaico. Sin embargo, el código fuente de OpenDSS asocia una Fuente de Voltaje a cualquier elemento de generación (Generador, Turbina eólica, etc.). Por lo tanto, con este caso en particular, se pueden validar los dos elementos mencionados.
Capítulo 6. Validación del Diseño y Resultados 22
Figura 6.1: Sistema de prueba para Fuente de Voltaje y Panel Fotovoltaico
En segundo lugar, se plantea el sistema de pruebas de la Figura 6.2, donde se implementa el caso de estudio IEEE 13 nodos y se añaden dos reactores de línea en nodos diferentes, con el n de evaluar el impacto en pérdidas de potencia en la línea con el uso de estos elementos.
Capítulo 6. Validación del Diseño y Resultados 23
6.2. Resultados
En este orden de ideas, se presentan los resultados para las pruebas mencionadas. En la Figura 6.3 se observa el comportamiento del voltaje, la corriente, la potencia reactiva y la potencia activa del panel fotovoltaico de este caso de estudio. Para vericar el correcto funcionamiento de la celda solar, se realizan varios cambios durante la simulación en el tiempo. Inicialmente, el valor de las variables son para un escenario donde no se encuentra conectada la generación distribuida. A los 460s, esta se conecta con una irradiación de 0.5 kW/sq-m, por lo tanto, hay un incremento de la corriente, la potencia activa que es inyectada por el panel y la potencia reactiva consumida. A los 520s, se incrementa la irradiación a 1kW/sq-m e inmediatamente aumenta la corriente y la potencia activa que este generador aporta a la red. Por último, se desactiva el bus principal a los 500s aproximadamente, por esta razón, se aprecia que todas las variables caen a 0, puesto que es como si se desconectara el circuito en su totalidad.
Por otra parte, en la Tabla 6.1 también se pueden apreciar estos cambios. Finalmente, cabe resaltar, que las fases B y C de la tensión y la intensidad del panel tienen magnitud igual a 0, ya que en el sistema este elemento es monofásico. De esta manera, se logra vericar el funcionamiento del panel fotovoltaico y de la fuente de voltaje, que funciona como la alimentación principal de la red.
Capítulo 6. Validación del Diseño y Resultados 24
Tabla 6.1: Resultados para modicación de Red con Panel Solar
Variables nodo de conexión del Panel Fotovoltaico
Caso Va (p.u) angA (grados) Vb (p.u) angB (grados) Vc (p.u) angC (grados) P (kW) Q (kVar) Sin Panel 0.9928 -1.556 0.9928 -121.5 0.9928 118.44 0 0 Con Panel
Irradiación = 0.5kW/sq-m
0.9875 -0.423 1.0077 -120.6 0.9927 118.44 -123.3 71.79
Con Panel Irradiación = 1kW/sq-m
0.9817 0.694 1.0220 -119.7 0.9926 118.44 -243.3 142.85
Sin
alimentación Principal
0.0006 -146.300 0.0014 -71.95 0 -4.572 0 0
De la misma forma que en el panel solar, para el caso de estudio presentado para el reactor de línea, se hace varias modicaciones en el tiempo y se observa el comportamiento del voltaje, la corriente y las potencias activas y reactiva para la carga LD14 que se encuentra continua al nodo donde se está conectado el reactor. Inicialmente, este elemento presenta una Resistencia (R) y una Reactancia (X) muy bajas. A los 330s, se incrementa la R a 1 ohm, luego, a los 380s, se realiza otro aumento a R = 10 ohms, y por último, a los 420s se cambia a R = 1 ohm y X = 10 ohms. En la Figura 6.4 se aprecia los cambios en las variables medidas, por lo tanto, se valida el funcionamiento de este elemento. Por otra parte, en la Tabla 6.2, se muestran el cambio de voltaje en el nodo donde se encuentra conectado el reactor y las pérdidas de potencia de la línea donde se conecta. Como era de esperarse, esta línea sufre mayores pérdidas al conectar el reactor, especialmente, cuando el valor de la impedancia del mismo es muy baja.
Capítulo 6. Validación del Diseño y Resultados 25
Figura 6.4: Resultados para prueba del Reactor de Línea
Tabla 6.2: Resultados para modicación de Red con Reactor
Voltaje nodo de conexión de Reactor Pérdidas Linea 645-645 Caso Va (p.u) angA (grados) Vb (p.u) angB (grados) Vc (p.u) angC (grados) P (kW) Q (kVar) Sin
Reactor 0 0 1.0288 -121.2 1.0191 118.77 0.2129 0.1689 Con
Reactor, R = 1 ohm
0 0 0.7201 -134.6 0.8343 94.2480 487.21 428.98
Con Reactor, R = 10 ohm
0 0 1.0032 -123.4 1.0232 115.61 10.325 9.1971
Con Reactor,
R = 1 + 1i ohm
Capítulo 7
Discusión y Conclusión
7.1. Discusión
En el desarrollo del proyecto de grado se pudo evaluar el trabajo previo y mejorarlo, lo cual permitió optimizar los recursos computacionales con la implementación de mejores métodos. Una de las decisiones fue migrar toda la programación existente al lenguaje Java, lo que facilitó la comunicación entre el servidor y el cliente. Por otro lado, se logra cumplir con todos los objetivos planteados y se verica la funcionalidad de los elementos en la plataforma GridTeraction. Además, fue posible el empalme con el trabajo de los otros participantes del proyecto sin ningún inconveniente, con lo cual se materializa una nueva versión del software, mucho más completa y con la integración de algoritmos de automatización de control para redes de distribución.
7.2. Conclusiones y Trabajo Futuro
La implementación de la nueva plataforma de GridTeractions trae consigo cambios muy buenos, puesto que ahora es mucho más completa, ideal para realizar simulaciones en tiempo real y pruebas de algoritmos de automatización avanzada aplicados a sistemas de distribución muy parecidos a los reales. Además, cuenta con mejoras en hardware gracias a la incorporación de pantallas HMI que hacen del software mucho más atractivo y exible en su uso.
Capítulo 7. Discusión y Conclusión 27
Por otra parte, la integración de muchos otros elementos fue soportada por la arquitectura planteada, lo cual convierte a GridTeractions en una plataforma altamente escalable, robusta y de muy bajo costo. Además, al ser un recurso abierto, es una herramienta que puede ser usada en el ámbito académico, aportando a investigaciones, talleres de clases y elaboración de laboratorios para el entendimiento de los Sistemas de distribución.
Finalmente, aún hay muchos aspectos a mejorar a futuro. Falta la integración de más algoritmos de automatización avanzada, la incorporación de mensajes de alerta que notiquen al usuario en tiempo real de algo sucedido en el sistema y, por último, la integración de elementos reales como paneles fotovoltaicos, baterías, etc. que den cuenta de una verdadera Smart Grid coordinada por un centro de control.
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