Smart Grids: Una estrategia de conectividad para sus aplicaciones basada en la tecnología Ethernet

Abstract

La modernización de los sistemas tradicionales de potencia hacia el concepto de red eléctrica inteligente o Smart Grid ha traído consigo varios desafíos tecnológicos, que deben ser estudiados y evaluados antes de su despliegue. Ante esto, ha surgido la necesidad de encontrar nuevas estrategias y metodologías de simulación que permitan evaluar los componentes de una Smart Grid y la interacción entre ellos. Como una solución a la necesidad planteada, esta tesis de maestría presenta una estrategia que permite la transmisión de datos entre modelos de una Smart Grid implementados en simulación y/o en sistemas embebidos, a través de una red de comunicación real basada en la tecnología Ethernet convencional. Para determinar esta estrategia, se realiza una revisión de las técnicas de simulación para Smart Grids que son ampliamente utilizadas en la literatura. Posteriormente se realiza una revisión de los conceptos básicos sobre Smart Grids y las redes de comunicación basadas en la tecnología Ethernet.

Con base en lo anterior, se realiza la propuesta de una estrategia de simulación basada en la técnica de hardware-in-the-loop (HIL), denominada estrategia de conectividad. Esta estrategia posee dos enfoques de aplicación. El primer enfoque permite su implementación en entornos de simulación. De la misma manera, el segundo enfoque permite su implementación en sistemas embebidos, en la cual se hace uso de kits de desarrollo basados en microcontroladores. Consecuentemente, se emplea la estrategia de conectividad en la simulación de tres redes de prueba, con un enfoque en la aplicación de la automatización del sistema de distribución (ADA). La primera red de prueba corresponde al sistema IEEE de 34 barras, el cual ha sido adecuado para que opere bajo una topología radial y una topología con conexión a la red principal con generación distribuida. La segunda red de prueba es una microrred que pertenece a un usuario industrial y posee una carga no lineal, un horno de arco eléctrico (HAE). Respecto a la tercera red de prueba, esta es una microrred que posee dos topologías de operación, en isla y conectada a la red principal con generación distribuida.

Finalmente, a partir del análisis de los resultados obtenidos, se comprueba el funcionamiento de la estrategia de conectividad en sus dos enfoques. En consecuencia, se obtiene que el uso de la estrategia de conectividad ha permitido obtener tiempos del ciclo de comunicación desde 87 ms en tiempo real, para el primer enfoque y 12 ms en tiempo real, para el segundo enfoque.

The modernization of the traditional power systems towards the Smart Grid concept has brought several technological challenges, which must be studied and evaluated before the deployment. Therefore, the need has arisen to find new simulation strategies and methodologies to evaluate the components of a Smart Grid and the interaction among them. As a solution to this need, this master thesis presents a strategy that allows the data transmission between Smart Grid models implemented in simulation or embedded systems, through a real communication network based on conventional Ethernet technology. In order to determine this strategy, a literature review is carried out for the basic concepts, the widely used simulation techniques, and the communication networks based on Ethernet technology for the Smart Grids. A simulation strategy is proposed based on the Hardware-in-the-loop (HIL) technique, called connectivity strategy. This strategy has two application approaches. The first approach allows its implementation in simulation environments. Similarly, the second approach allows its implementation in embedded systems, in which microcontroller-based development kits are used. Consequently, the connectivity strategy is employed in the simulation of three test networks, with a focus on the application of advanced distribution automation. The first test network corresponds to the 34-bus IEEE system, which has been adapted to operate under both a radial topology and a topology with connection to the main grid and the distributed generation. The second test network is a microgrid that belongs to an industrial user and has a non-linear load and electric arc furnace. The third test grid is a microgrid with two operating topologies, i.e., islanded and connected to the main grid and the distributed generation. Finally, from the analysis of the obtained results, the performance of the connectivity strategy in its two approaches is verified. It is observed that the use of the connectivity strategy has achieved communication cycle times of 87 ms and 12 ms as the shortest in real-time, for the first and second approaches, respectively.