UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Diseño e implementación de interfaz para

control de elementos de sistemas distribución

en arquitectura Hardware-Software

(GridTeractions)

Natalia Avendaño Prieto

Tesis presentada como requisito para optar el título de

Profesional en Ingeniería Electrónica

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Mayo 26, 2016

Declaración de Autoría

1. Soy consciente que cualquier tipo de fraude en esta Tesis es considerado como una fal-

ta 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 Univer-

sidad 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, artícu-

los 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: Natalia Avendaño Prieto

Código: 201112745

C.C.: 1.020.788.232

Fecha: Junio 8, 2016

i

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Resumen

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

This document describes GridTeractions' new version, where it has three new elements (ge-

nerator, energy storage system, electric vehicle). This version has a more complete platform

with academic purpose, for testing and analyzing advanced distribution automation strategies

on distribution systems. The elements and systems are modeled with the software OpenDSS

and DSSim-PC, where it is possible to simulate systems in time series with phase domain

results, order to the users can continuously evaluate the electrical elements variables. This

paper includes the methodology used in this graduation project, GridTeractions' new version

architecture, the new elements models, and implementation details and validation based in

IEEE test feeders.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

Resumen

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Este documento describe la nueva versión de GridTeractions, en el cual se agregaron tres nuevos

elementos (generador, sistema de almacenamiento de energía, y vehículo eléctrico). Con esta

versión se tiene una plataforma enfocada a la academia más completa, para realizar pruebas y

análisis de estrategias de automatización avanzada en sistemas de distribución. Los elementos y

sistemas son modelados a partir de las herramientas computacionales OpenDSS y DSSim-PC,

en los cuales se puede realizar simulaciones del sistema en series del tiempo con resultados en

el dominio fasorial, con el objetivo que los usuarios puedan evaluar continuamente las variables

eléctricas de los elementos. Este documento incluye la metodología que se llevó a cabo para

realizar este proyecto de grado, la arquitectura de la nueva versión de GridTeractions, modelo

de los elementos agregados y detalles de la implementación y validación basado en casos de

prueba IEEE.

Agradecimientos

Le doy gracias a mi familia por todo el apoyo y las enseñanzas que me han brindado durante

toda mi vida. A mis papas, Carlos Alfonso Avendaño Cruz y Martha Ligia Prieto Casella, les

agradezco todo el esfuerzo y trabajo que hicieron para poder aportar a mis estudios, futuro,

ayudarme a cumplir mis metas y por enseñarme a ser perseverante y luchar por mis sueños.

A mi hermana Catalina por ser mi ejemplo a seguir y cultivar en mi la pasión sobre viajar y

deportes extremos. A mi hermano Carlos Jose, que no se cansa de verme como su modelo a

seguir, acción que me llena de valor para seguir adelante ante cualquier adversidad, de darme

su con�anza y todos los momentos que alegraste mi día. También, le quiero agradecer a mi tío

Raul Avendaño, mi tía Luz Marina Ovalle y mi prima Carolina Avendaño, quienes fueron un

apoyo incondicional durante mi vida universitaria y fomentaron mi pasantía de investigación

en la Universidad de Cornell, la cual fue una de las experiencias más enriquecedoras que pude

tener en mi vida universitaria y personal.

A mi asesor de proyecto, el profesor Gustavo Ramos, quién ha sabido guiarme con paciencia. A

David Felipe Celeita, quien siempre estuvo atento y resolvió cualquier duda que tuve durante

el desarrollo del proyecto. Por último, le quiero agradecer a mis compañeros de GridTeractions,

quienes me ayudaron a resolver dudas y di�cultades que se presentaron durante el desarrollo

de este proyecto.

iv

Índice general

Declaración de Autoría i

Abstract ii

Agradecimientos iv

Índice de �guras vii

Índice de tablas viii

Abreviaturas ix

1. Introducción 1

2. De�nición del Problema 32.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2. Objetivos Especí�cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3. Descripción de la Solución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3. Marco Histórico y Teórico 63.1. Marco Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.1.1. DSSim-PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.1.2. GridTeractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2. Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2.1. Modelo de Generador en OpenDSS-DSSim-PC . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2.2. Modelo de sistemas de almacenamiento de energía y vehículo eléctricoen OpenDSS-DSSim-PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4. Metodología 11

5. Diseño del Sistema 135.1. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

v

Índice general vi

5.1.1. Modelo de los Elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.1.2. Interfaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.1.2.1. Interfaz del Servidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.1.2.2. Interfaz del Cliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6. Resultados 186.1. Funcionamiento del Generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2. Funcionamiento sistema de almacenamiento de energía y vehículo eléctrico . . . 20

7. Discusión y Conclusión 237.1. Discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

7.2. Conclusión y Trabajo Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Índice de �guras

3.1. Arquitectura de GridTeractions [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.1. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5.1. Interfaz del servidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5.2. Interfaz del Cliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5.3. Interfaz del cliente:(a) Tab del Generador (b) Tab del Sistema de Almacena-miento de Energía (c) Tab del Vehículo eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

6.1. Sistema IEEE 34 Nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.2. Resultados del Servidor a partir de cambios en el generador . . . . . . . . . . . 20

6.3. Storage-Example-Dssim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

6.4. Respuesta de potencia activa, reactiva, corriente y voltaje a partir de cambioen el estado de:(a) Sistema de Almacenamiento de Energía (b) Vehículo eléctrico 22

vii

Índice de tablas

5.1. Parámetros que puede controlar el usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

6.1. Potencia activa, reactiva, aparente y factor de potencia del generador . . . . . . 18

6.2. Voltajes del generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.3. Corrientes del generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.4. Potencia activa y reactiva en el sistema de almacenamiento de energía y vehículoeléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

viii

Abreviaturas

ADA Advanced Distribution Automation

DER Distributed Energy Resources

NTC Norma Técnica Colombiana

RETIE Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas

RT Real Time

RTUs Real Time Units

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

ix

Capítulo 1

Introducción

El sistema eléctrico depende fundamentalmente de la correcta operación de los sistemas de

distribución y transmisión, los cuales son supervisados y controlados a partir de sistemas

SCADA. Por medio de RTUs, los sistemas SCADA miden datos como el �ujo de las líneas

de transmisión, inyección de potencia y tensión en los buses del sistema; y así poder estimar

los estados de la red eléctrica [2]. Con el objetivo de alcanzar un sistema de distribución

más e�ciente y con�able, durante los últimos años se ha buscado la integración de equipos

y tecnologías modernas para la actual infraestructura, como energías renovables y generación

distribuida. Debido a esto, es necesario tener en cuenta los sistemas ADA , la cual es una

tecnología que permite el control remoto de un sistema eléctrico, la coordinación y operación

de componentes de distribución en tiempo real desde lugares remotos [3].

Las redes inteligentes son sistemas de potencia que utilizan el máximo uso de un computador

y tecnología de comunicación. De esta forma es posible mantener informado al usuario para

que este tome decisiones sobre el comportamiento del consumo de energía. Adicionalmente,

es posible tener una mayor efectividad, e�ciencia, con�abilidad y calidad de potencia en el

sistema eléctrico. Por medio de las redes inteligentes se permite la medición avanzada de la

infraestructura del sistema eléctrico, el monitoreo y control del lado primario y secundario de

un transformador de una subestación, entre otros. A partir de los sistemas de ADA y SCADA

1

Capítulo 1. Introducción 2

los alimentadores de distribución son más e�cientes y facilita la implementación de elementos

de generación distribuida [4].

En los sistemas de distribución los DER, como la generación distribuida, los sistemas de

almacenamiento de energía y las cargas, hacen parte de una microred. Las microredes deben

ser capaces de operar en paralelo a la red, y así poder controlar el voltaje y la frecuencia del

sistema para poder proteger los equipos conectados a éste [5]. Las microredes son capaces de

importar y exportar energía de forma �exible desde y hacia la red a partir de los distintos

tipos de DER [6]. Adicionalmente, por medio de las microredes se mejoran los parámetros de

calidad de la potencia, dado que ésta puede desconectarse durante perturbaciones en la red y

seguir operando de forma autónoma. [7].

Debido al gran potencial que tienen las microredes y las redes inteligentes en el sistema de

distribución, se han desarrollado e implementado modelos de microredes más pequeños para

propósitos académicos [1]. En Colombia, no existen técnicas, normas o de�niciones legales sobre

la construcción o mantenimiento de microredes. Sin embargo, en la NTC y RETIE se pueden

encontrar requerimientos técnicos para la instalación de paneles fotovoltaicos y sistemas de

almacenamiento de energía [6]. Por lo tanto, existen muy pocos estudios sobre microredes en

el país [6, 8, 9] y las herramientas y plataformas disponibles no poseen una interfaz en el cual

haya interacción entre el usuario y la simulación con el objetivo de entender varios conceptos

sobre las microredes [1].

En este documento, se presenta una nueva versión de la plataforma GridTeractions, en la cual se

pueden realizar simulaciones para sistemas de distribución y controlar componentes eléctricos

de forma remota y distribuida, para propósitos académicos. En las siguientes secciones se

describe de forma detallada el contexto del problema (Capítulo 2), marco histórico y teórico

(Capítulo 3), metodología (Capítulo 4), diseño del sistema (Capítulo 5), resultados (Capítulo

6), discusión y conclusiones (Capítulo 7).

Capítulo 2

De�nición del Problema

A partir de los avances tecnológicos en los sistemas de distribución ha sido necesario moder-

nizar las tecnologías de aprendizaje para un mejor entendimiento de las redes inteligentes y

microredes. Actualmente, no existen herramientas de bajo costo en el que sea posible realizar

una simulación de sistemas de distribución en tiempo real y además que sea amigable con el

usuario. Adicionalmente, existen pocas herramientas educativas en el que se realicen simula-

ciones de sistemas de distribución en RT y sean escalables a múltiples usuarios y elementos.

Las redes inteligentes combinan la red eléctrica tradicional, tecnolgías de comunicación emer-

gentes, dispositivos eléctricos y energías renovables para poder satisfacer el aumento de la

demanda energética. En un futuro las redes inteligentes tendran un icnremento en la inte-

gración de aplicaciones y tecnologías que contribuiran a la operación, planeamiento y control

del sistema de potencia. Por lo tanto, es necesario realizar un estudio del comportamiento y

desempeño de las aplicaciones en alguna herramienta o plataforma computacional antes de

implementarlas en el sistema real, con el objetivo de evitar costos operacionales y de riesgo

[10].

La simulación en RT consiste en un gran número de calculadoras o computadores que trabajan

de forma paralela, para simular numericamente una red, la cual esta construida virtualmen-

te en una interfaz hardware-software [11]. Actualmente, en la industria se puede encontrar

3

Capítulo 2. De�nición del Problema 4

plataformas computacionales so�sticadas donde es posible simular escenarios complejos, co-

mo sistemas de distribución con miles de usuarios y dispositivos de automatización [1]. Para

aplicaciones de bajo costo y educativas hay mayor restricción con la cantidad de usuarios. En

cuanto a la academia, en la literatura se puede encontrar varias alternativas de simulación en

tiempo real como se puede observar en [12�15].

2.1. Objetivo General

Diseñar e implementar el modelo del generador, sistema de almacenamiento de energía, y

vehículo eléctrico en la interfaz de GridTeractions, para poder simular y controlar en tiempo

real sistemas de distribución que tengan estos elementos.

2.2. Objetivos Especí�cos

1. Consulta bibliográ�ca de los modelos implementados para generadores, almacenamiento

de energía vehículo eléctrico en OpenDSS y DSSim-PC.

2. Implementar el modelo de generadores, sistemas de almacenamiento de energía y vehículo

eléctrico en Java para el servidor de la plataforma de GridTeractions.

3. Implementar el modelo de generadores, sistemas de almacenamiento de energía y vehículo

eléctrico en Java para cliente de la plataforma de GridTeractions.

4. Validar las características de operación del generador, sistema almacenamiento de energía

y vehículo eléctrico de DSSim-PC en la Raspberry-PI sobre la plataforma GridTeractions.

5. Realizar una prueba del funcionamiento de los elementos implementados en un caso de

estudio para sistemas de distribución.

2.3. Descripción de la Solución

Con la plataforma de GridTeractions, múltiples usuarios tienen la posibilidad de interactuar

con la simulación de un sistema en especí�co. Donde cada cliente puede modi�car los paráme-

tros de los distintos elementos que se encuentran en el sistema, como el generador, sistema de

Capítulo 2. De�nición del Problema 5

almacenamiento de energía y vehículo eléctrico, para así observar el efecto que tienen dichos

cambios de cada elemento sobre el sistema eléctrico y el mismo elemento.

Capítulo 3

Marco Histórico y Teórico

3.1. Marco Histórico

3.1.1. DSSim-PC

DSSim-PC [16] es un simulador grá�co para sistemas de distribución, el cual esta basado y es

la interfaz grá�ca del software de EPRI (OpenDSS) [17]. OpenDSS es un software diseñado

para soportar la mayoría de los tipos de energía asociados a la interconexión de generación

distribuida y obtiene resultados continuos de �ujo de potencia en el dominio fasorial [17].

Adicionalmente, con ambos softwares es posible realizar co-simulación con programas como

MATLAB, Python, VC++, Java y LabView, NS-2(The Network Simulator), OPNET, entre

otros. La co-simulación es una técnica donde dos simuladores diferentes se combinan para crear

un sistema colaborativo, en donde se comparten e intercambian datos entre los dos simuladores

[18], como DSSim-PC, el cual es la co-simulacion entre OpenDSS y LabVIEW. Se realiza la co-

simulación entre OpenDSS o DSSim-PC y otras herramientas computacionales para resolver

el �ujo de potencia, localización de fallas, monitorear y controlar carácteristicas especí�cas en

un sistema,entre otros, como se puede observar en [3, 18�22]

6

Capítulo 3. Marco Histórico y Teórico 7

3.1.2. GridTeractions

GridTeractions es una plataforma de simulación para sistemas de distribución elaborada por

estudiantes de pregrado de la universidad de los andes de ingeniería eléctrica (Christian Zam-

brano y César Trujillo). La plataforma permite el control de componentes eléctricos de forma

remota y distribuida basados en una multiplataforma escalable. La arquitectura del sistema

tiene un servidor y múltiples clientes, los cuales se comunican por medio de un protocolo

TCP/IP por medio de LAN. En la �gura 3.1 se puede observar de forma más detallada la

arquitectura de GridTeractions [1].

Dado que esta plataforma depende del software OpenDSS, el desarrollo de este proyecto de

grado se realizó en base a los modelos implementados en OpenDSS. Adicionalmente, el servidor

de esta plataforma usa la herramienta computacional DSSim-PC [1].

Figura 3.1: Arquitectura de GridTeractions [1]

Capítulo 3. Marco Histórico y Teórico 8

3.2. Marco Teórico

3.2.1. Modelo de Generador en OpenDSS-DSSim-PC

Un generador es un elemento de conversión de potencia, en el cual sus medidas son de�nidas

por su potencia nominal (kW) y factor de potencia (PF), o la potencia activa (kW) y reactiva

(kvar). Adicionalmente, estos parámetros se pueden modi�car al incluir un per�l anual y/o

diario de carga, o un per�l de trabajo de carga [23].

En el software de OpenDSS si el valor de despacho (parámetro DispValue) es 0, el generador

sigue a la curva de carga designada. Si este parámetro es mayor a 0 entonces el generador solo

se enciende cuando el multiplicador de carga del circuito global excede el valor de este pará-

metro. Adicionalmente, si se desea modelar un generador que esté completamente encendido

sin importar lo que este despachando, se le asigna el estado del generador �jo (Status=�xed);

por default este estado se encuentra variable [23].

En este software se encuentran 7 modelos de generadores para simulaciones de �ujo de potencia

[23]:

1. Potencia activa (P) y reactiva (Q) constantes

2. Impedancia (Z) constante (solución aproximada).

3. Magnitud del voltaje (|V|) y P constante.

4. P constante, Q �ja. P sigue el valor de despacho y Q siempre es el mismo.

5. P constante, reactancia �ja.

6. Modelo hecho por el usuario.

7. Potencia activa constante con corriente limitada, Q modelado (como algunos inversores)

Por último, los generadores por default se encuentran balanceados de acuerdo a la cantidad

de fases especi�cadas, si se desea desbalancear, se recomienda ingresar varios generadores

monofásicos [23].

Capítulo 3. Marco Histórico y Teórico 9

3.2.2. Modelo de sistemas de almacenamiento de energía y vehículo eléc-

trico en OpenDSS-DSSim-PC

El elemento de almacenamiento de energía en OpenDSS, es esencialmente un generador que

puede producir energía (estado de descarga) o consumir energía (estado de carga) teniendo en

cuenta su potencia nominal y su capacidad de almacenamiento de energía. En este elemento

se �ja el estado del almacenador de energía en inactivo, carga o descarga para computar el

�ujo de carga para cada estado en especí�co. En adición, solo habrá descarga de la bate-

ría si el nivel de carga presente (Potencia almacenada (kWStored) o porcentaje almacenado

(%Stored)) es mayor que el nivel de reserva especi�cado (%reserve). Por otro lado, el elemento

se cargara cuando el valor de kWStored es menor a la potencia por hora nominal (kWhRated).

La velocidad de carga y descarga se pueden especi�car con el valor del parámetro%Charge

y%Discharge respectivamente [23].

En cuanto a los modelos de simulación, en este elemento se soporta por día, año y ciclo de

trabajo. Se utiliza la simulación diaria o anual para ver de forma general problemas de energía

en un periodo de tiempo entre minutos y horas. El ciclo de trabajo se utiliza fundamentalmente

para el estudio de la efectividad de la batería para compensar las variaciones de energía a corto

plazo, como suele suceder con las energías renovables [23].

Adicionalmente, este elemento puede producir o absorber potencia reactiva dentro de la capaci-

dad de potencia aparente (kVA) del inversor aun cuando el elemento se encuentra desactivado;

dado que el controlador de la batería requiere cierta cantidad de potencia reactiva y ésta se lo

provee si el inversor tiene capacidad de sobra [23].

Por último, en OpenDSS se de�nen 3 modelos para este elemento [23]:

1. El elemento de almacenamiento inyecta potencia activa constante a un factor de potencia

especí�co.

2. El elemento de almacenamiento se modela como una admitancia constante.

3. Computa la inyección de carga a partir del modelo escrito por el usuario.

Capítulo 3. Marco Histórico y Teórico 10

Para el modelo del vehículo eléctrico se utilizó el mismo que el de la batería, dado que éste se

modela como una batería en DSSim-PC.

Capítulo 4

Metodología

En la �gura 4.1 se puede observar la metodología que se llevó a cabo para el desarrollo de este

proyecto de grado. La programación de cada elemento se desarrolló de forma paralela para el

cliente y servidor.

Como se puede observar el primer paso fue familiarizarse con cada elemento en el software

OpenDSS y DSSim-PC; donde se identi�caron las propiedades principales de cada elemento. A

partir de esto se seleccionaron los parámetros que tienen algún impacto sobre cada elemento,

es decir, si al modi�car dicho parámetro cambiaba propiedades del sistema o del elemento. Adi-

cionalmente, se identi�caron los comandos de OpenDSS necesarios para conocer y transmitir

la información de cada elemento a la plataforma de GridTeractions.

Después de tener un conocimiento detallado del modelo de cada elemento, se prosiguió a

programar cada elemento en la plataforma de servidor y cliente de forma paralela, teniendo

en cuenta la correcta sincronización y conexión del servidor y cliente. Por último, a partir de

la correcta conexión entre servidor y cliente, se veri�ca que el servidor le envíe al cliente y

viceversa (en caso que el cliente modi�que un parámetro) las características correspondientes

de cada elemento por medio de un caso de estudio.

11

Capítulo 4. Metodología 12

Inicio

Familiarización con los elementos en el software OpenDSS y

DSSim-PC

Programación del Cliente

Programación del Servidor

Generador, sistema de almacenamiento

de enérgia y vehículo eléctrico

Implementación y prueba de conexión

entre servidor y cliente

Validación de características en la

plataforma GridTeractions

Validación del funcionamiento en un caso de estudio

Fin

Figura 4.1: Metodología

Capítulo 5

Diseño del Sistema

5.1. Arquitectura

La arquitectura del GridTeractions consiste en un único servidor y múltiples clientes. El cliente

y el servidor se comunican por medio de un protocolo TCP/IP por medio de LAN [1].

GridTeractions depende de los softwares OpenDSS y DSSim-PC; por lo tanto, el desarrollo de

esta plataforma se realizó en base a los modelos implementados en OpenDSS y DSSim-PC [1].

El servidor se implementará sobre un computador dedicado para tal �n; el cual contará con

características de memoria y procesamiento adecuado para soportar el software desarrollado.

Cada cliente se encuentra programado en la Raspberry PI 2. El servidor y el cliente de Grid-

Teractions se implementaron en lenguaje de programación Java, incluyendo un administrador

TCP. Para estructurar la jerarquía del programa se tuvo en cuenta el lenguaje grá�co UML.

Para la comunicación entre servidor y clientes se utilizó el protocolo TCP/IP por medio de

una red local Ethernet [1]. Por lo tanto, el servidor tendrá una IP �ja para que los clientes

puedan conectarse al centro de control de manera satisfactoria y acceder a toda la información

disponible del sistema eléctrico que se esta estudiando.

13

Capítulo 5. Diseño del Sistema 14

5.1.1. Modelo de los Elementos

La plataforma de GridTeractions tiene 13 elementos, como generadores, transformadores, car-

gas, vehículo eléctricos, baterías, entre otros, los cuales pueden ser modi�cados por los usuarios

desde la Raspberry Pi 2. Los elementos que el usuario desee controlar se mostraran en la pla-

taforma del servidor y cliente.

Todos los elementos en GridTeractions tienen asociado 9 parámetros principales (nombre, tipo,

nodo, estado, voltajes y corrientes trifásicas, potencia activa y reactiva y factor de potencia).

El cliente dependiendo del elemento que desee controlar, puede modi�car distintos parámetros.

En la Tabla 5.1 se puede observar los parámetros que se pueden modi�car en los tres elementos

que se agregaron a GridTeractions.

Tabla 5.1: Parámetros que puede controlar el usuario

Elemento ParámetrosGenerador Potencia activa, reactiva y aparente, factor de

potencia, estado, voltaje, reactancia sincrónica,transitoria y subtransitoria

Sistema de Almacenamientode Energía y Vehículo Eléctri-co

Potencia activa, reactiva y aparente, factor depotencia, estado, voltaje, porcentaje de carga,descarga, e�ciencia de carga y descarga, canti-dad almacenada, reserva, equivalente porcentualde la resistencia y reactancia interna, capacidadnominal de almacenamiento.

5.1.2. Interfaz

5.1.2.1. Interfaz del Servidor

En la interfaz del servidor se muestra la información de comunicación con el cliente, como la

dirección IP y el puerto, un panel con la cantidad de clientes conectados y los elementos que

cada cliente esta controlando; adicionalmente, se tiene un panel que muestra las cuatro gra�cas

de voltaje, corrientes, potencia activa y reactiva de los elementos agregados a la plataforma.

Capítulo 5. Diseño del Sistema 15

Figura 5.1: Interfaz del servidor

Figura 5.2: Interfaz del Cliente

Capítulo 5. Diseño del Sistema 16

5.1.2.2. Interfaz del Cliente

La interfaz en la Raspberry Pi del cliente se organiza con tabs, los cuales le permiten al usuario

la interacción con los distintos elementos que se encuentra en el sistema. En el primer tab,

el usuario puede observar la información de comunicación con el servidor, como la dirección

IP, el puerto y el ID asociado. Además, se puede observar un árbol de clasi�cación de cada

elemento que tiene GridTeractions y la cantidad de elementos que tiene el usuario asociado a

la plataforma.

La interfaz del cliente tiene un tab para cada elemento que el usuario desea controlar, donde

cada tab se muestra la información especí�ca de cada elemento, como potencia activa, reactiva,

corrientes, voltajes, entre otros, además de encuentra un botón para agregar nuevos elementos

y modi�car parámetros de un elemento agregado, de acuerdo a la tabla 5.1.

Capítulo 5. Diseño del Sistema 17

(a)

(b)

(c)

Figura 5.3: Interfaz del cliente:(a) Tab del Generador (b) Tab del Sistema de Almacena-miento de Energía (c) Tab del Vehículo eléctrico

Capítulo 6

Resultados

Para probar la metodología y el correcto funcionamiento de los nuevos elementos agregados a

la plataforma de GridTeractions, se plantearon dos casos de estudio.

6.1. Funcionamiento del Generador

Para probar el funcionamiento del generador, se utilizó el sistema IEEE34Nodes y se cambió

el factor de potencia de un generador (wg_2) del sistema (�gura 6.1).

Tabla 6.1: Potencia activa, reactiva, aparente y factor de potencia del generador

CasoFactor dePotencia

Potencia Activa[kW]

Potencia Reactiva[kVAr]

Potencia Aparente[kVA]

1 1 -333.33 -0.0027107 50002 0.9 -333.37 -47.466 50003 0.8 -333.37 -115.44 5000

18

Capítulo 6. Resultados 19

Figura 6.1: Sistema IEEE 34 Nodos

En la tabla 6.1 se puede observar el factor de potencia que se cambió en el generador. Se

observa que la potencia activa y aparente se mantiene igual, mientras que la reactiva aumenta

a medida que se disminuye el factor de potencia. En la tabla 6.2 y 6.3 se observa los voltajes

y las corrientes de cada fase del generador respectivamente. Se puede observar que a partir

de los cambios realizados en la plataforma de GridTeractions, el cambio de la magnitud del

voltaje en el generador es despreciable; sin embargo la corriente es inversamente proporcional

al factor de potencia, dado que esta aumenta a medida que el factor de potencia disminuye.

Dado que el generador esta en el modelo 3, la magnitud de voltaje y la potencia activa no

cambiara a medida que se varien los otros parámetros, como se explico en el cápitulo 3.

Tabla 6.2: Voltajes del generador

CasoVoltaje [V]

A B CMagnitud Fase Magnitud Fase Magnitud Fase

1 409.53 1.2 407.92 -119.3 406.95 121.32 406.22 1.6 405.07 -118.9 404.06 121.73 406.26 1.6 405 -118.9 404.09 121.7

Capítulo 6. Resultados 20

Tabla 6.3: Corrientes del generador

CasoCorriente [A]

A B CMagnitud Fase Magnitud Fase Magnitud Fase

1 823.62 -178.7 827.18 60.6 827.55 -592 843.95 173.8 846.69 53.0 847.17 -66.53 884.05 162.8 887,3 42 887.52 -77.5

En la �gura 6.2 se puede observar el cambio de las corrientes y la potencia reactiva a partir

de la variación del factor de potencia.

Figura 6.2: Resultados del Servidor a partir de cambios en el generador

6.2. Funcionamiento sistema de almacenamiento de energía y

vehículo eléctrico

Para probar el funcionamiento del sistema de almacenamiento de energía y vehículo eléctrico,

se utilizó el ejemplo de DSSim-PC(Storage-Example-DSSim, �gura 6.3), y se cambió el estado

de los elementos (carga, descarga, inactivo) en la plataforma de GridTeractions. En la tabla

6.4 se puede observar el �ujo de potencia en cada elemento a partir de los cambios realizados.

Capítulo 6. Resultados 21

Figura 6.3: Storage-Example-Dssim

Tabla 6.4: Potencia activa y reactiva en el sistema de almacenamiento de energía y vehículoeléctrico

Sistema de

almacenamiento

de energía

Vehículo

eléctrico

Estado P[kW] Q[kVar] P[kW] Q[kVAr]

Inactivo 0.12478 1.07368E-06 0.083113 0

Descarga -12.49959 0.00125 -2.56967 -1.8478E-05

Carga 12.49927 -0.00170 2.56096 -6.9996E-05

En la tabla 6.4 se puede apreciar que cuando la batería o el vehículo eléctrico se encuentra

inactivo, consume muy poca pontencia activa y reactiva; en el estado de descarga, los elementos

no consumen energía sino que se la transmiten al sistema; y por último en el estado de carga,

los elementos consumen potencia activa y muy poca potencia reactiva.

En la �gura 6.4, se puede observar el cambio de la potencia activa, reactiva, corriente y

voltaje a parte del cambio del estado en el sistema de almacenamiento de energía (6.4(a)) y

el vehículo eléctrico (6.4(b)). Donde el sistema de almacenamiento de energía comienza en un

estado inactivo, luego se descarga, y por último comienza a cargarse. Con respecto al vehículo

eléctrico, éste comienza cargandose, luego se descarga y por último queda en estado inactivo.

En ambos casos se observa que el cambio del estado no varia el voltaje. Adicionalmente, si

el elemento se encuentra en estado inactivo, no hay consumo de corriente en ninguno de los

Capítulo 6. Resultados 22

elementos. Por otro lado, si los elementos están en estado de carga o descarga, la corriente

consumida o inyectada es la misma.

(a)

(b)

Figura 6.4: Respuesta de potencia activa, reactiva, corriente y voltaje a partir de cambioen el estado de:(a) Sistema de Almacenamiento de Energía (b) Vehículo eléctrico

Capítulo 7

Discusión y Conclusión

7.1. Discusión

En [1] se puede observar la arquitectura de la primera versión de GridTeractions. En la primera

versión, el servidor se encontraba programado en el lenguaje de programación LabView y su

interfaz estaba en la CompactRIO. En cuanto al cliente, se tienen las mismas características en

ambas versiones. El cambio de la plataforma del servidor a lenguaje de Java en un computador

con buenas características de memoria y procesamiento, fue debido a que en la plataforma

de LabView se tenian restricciones para la lectura y procesamiento de información de los

elementos.

Con este proyecto de grado se logró diseñar e implementar el modelo del generador, sistema

de almacenamiento de energía, y vehículo eléctrico en la interfaz de GridTeractions. La imple-

mentación del modelo del generador en la plataforma estuvo limitado debido a restricciones

en el software DSSim-PC.

Al implementar estos tres elementos en la plataforma, se logra simular y controlar en tiempo

real sistemas de distribución que tengan estos elementos. Por último, fue posible validar la

correcta operación del generador, sistema almacenamiento de energía y vehículo eléctrico de

DSSim-PC sobre la plataforma GridTeractions, por medio de dos casos de estudio presentados

anteriormente.

23

Capítulo 7. Discusión y Conclusión 24

7.2. Conclusión y Trabajo Futuro

En este proyecto de grado se implementó el modelo del generador, sistema de almacena-

miento de energía y vehículo eléctrico en la plataforma de GridTeractions, por medio de la

co-simulación de los programas OpenDss y Dssim-PC con Java. Al agregar estos elementos a

la plataforma, se le da la oportunidad al usuario de simular y controlar en tiempo real sistemas

de distribución que tengan estos elementos

Adicionalmente, al añadir estos elementos a la plataforma de GridTeractions hace que ésta sea

más completa. Con esta nueva versión es posible realizar simulaciones en tiempo real y probar

algoritmos de automatización avanzada aplicados a sistemas de distribución. Además, se logró

tener una plataforma altamente escalable, robústa y de bajo costo, con un enfoque educativo

Para trabajo futuro se incluirá un modelo más completo del generador y se agregará el modelo

del generador eólico. Asimismo, se deben incluir noti�caciones de alerta para que cada usuario

tenga más información sobre modi�caciones realizadas por otros clientes en el sistema.

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