Colombia
| Trabajo de grado - Pregrado
Diseño e implementación de una red de telecomunicaciones para el control de microrredes
Registro en:
Universidad Tecnológica de Pereira
Repositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereira
Autor
Franco González, José Esteban
Institución
Resumen
En este trabajo de grado se presenta la metodología y desarrollo de un sistema de comunicaciones para una microrred, a este sistema se le pueden controlar cargas tanto ON/OFF como proporcionales, además de que puede medir la tensión y corriente que se presenta en el sistema El sistema cuenta con toda una red de
comunicaciones escalable a múltiples dispositivos, fue desarrollada con el fin de darle una aplicación práctica a las microrredes, en otras palabras, un banco de pruebas. Para el desarrollo del sistema fue necesaria la implementación de un sistema de comunicaciones por medio del protocolo ModBus RTU, elegido por sus características de distancia y el fácil manejo. El sistema consta de un maestro conectado a una interfaz gráfica la cual interactúa con todos los elementos conectados, allí se podrán modificar las cargas presentes, tanto por un control ON/OFF como un control proporcional, dichas cargas están conectadas a dispositivos inteligentes, lo cuales son los encargados de recibir todas la peticiones enviadas a través del protocolo de comunicación, este transporta las tramas de datos enviadas desde el maestro, en este caso una Raspberry pi 4 con una pantalla integrada. Después de la construcción de todo el sistema se realizaron múltiples pruebas para evaluar su funcionalidad y confiabilidad en todos los apartados, desde la medición correcta de tensión, la no alteración de los datos, el cambio en las cargas y saturación del sistema. Con este sistema se busca evaluar el funcionamiento de una microrred desde la parte de las comunicaciones, siendo así este un banco de pruebas para la aplicación de múltiples algoritmos de optimización y evaluar mejores potenciales para este tipo de redes. In this degree work, the methodology and development of a system of communications for a microgrid,
this system can control loads both ON/OFF as proportional, plus it can measure the voltage and current
that is presents in the system The system has an entire communications network that is scalable to
multiple devices, was developed in order to give a practical application to microgrids, in other words, a
test bench. For the development of the system it was necessary the implementation of a
communications system through the ModBus RTU protocol, chosen for its distance characteristics and
easy handling. The system consists of a master connected to a graphical interface which interacts with
all the connected elements, there it will be possible to modify the present loads, both by a ON/OFF
control as a proportional control, such loads are connected to smart devices, which are responsible for
receiving all requests sent through the communication protocol, it carries the data frames sent from the
master, in this case a Raspberry pi 4 with an integrated display. After the construction of the entire
system, multiple tests were carried out to evaluate its functionality and reliability in all sections, from the
correct measurement of voltage, the non-presentation of the data, the change in loads and saturation of
the system. This system seeks to evaluate the operation of a microgrid from the communications, thus
being a test bench for the application of multiple optimization algorithms and evaluation of the best
potentials for this type of networks. Pregrado Ingeniero(a) Electrónico CONTENIDO
1 RESUMEN .................................................................................................................................... 9
2 PRELIMINARES........................................................................................................................... 10
2.1 Introducción ...................................................................................................................... 10
2.2 Planteamiento del problema ............................................................................................ 11
2.3 Justificación....................................................................................................................... 13
3 OBJETIVOS ................................................................................................................................. 14
3.1 Objetivo general................................................................................................................ 14
3.2 Objetivos específicos......................................................................................................... 14
4 MARCO TEÓRICO....................................................................................................................... 15
4.1 Protocolo de comunicación MODBUS RTU....................................................................... 15
4.2 Sensor................................................................................................................................ 15
4.3 Industria 4.0 ...................................................................................................................... 15
4.4 QT Designer....................................................................................................................... 15
4.5 Python. .............................................................................................................................. 15
5 MATERIALES .............................................................................................................................. 16
5.1 Raspberry pi 4.................................................................................................................... 16
5.2 Arduino.............................................................................................................................. 16
5.3 Triac................................................................................................................................... 16
5.4 Optoacoplador MOC3021 ................................................................................................. 17
5.5 Optoacoplador 4N25......................................................................................................... 17
5.6 Puente de diodos .............................................................................................................. 18
5.7 MAX485............................................................................................................................. 18
5.8 Sensor de voltaje ZMPT101B ............................................................................................ 19
5.9 Sensor de corriente no invasivo........................................................................................ 20
5.10 Relés de estado sólido....................................................................................................... 20
6 DESARROLLO ............................................................................................................................. 21
6.1 Diseño de una topología de red. ....................................................................................... 22
6.2 Controles de cargas locales............................................................................................... 24
6.2.1 Control de cargas ON/OFF......................................................................................... 24
6.2.2 Control de cargas proporcional................................................................................. 26
6.3 Medición de tensión y corriente. ...................................................................................... 28
6.3.1 Medición de tensión.................................................................................................. 28
6.3.2 Medición de corriente............................................................................................... 30
6.4 Desarrollo de interfaz gráfica para controlador central. .................................................. 35
6.4.1 Diseño de la interfaz en QT designer. ....................................................................... 36
6.4.2 Desarrollo de código en Python para interfaz........................................................... 36
6.5 Desarrollo de biblioteca Modbus maestro........................................................................ 38
6.5.1 Funciones soportadas por la biblioteca. ................................................................... 38
6.5.2 Verificación por redundancia cíclica. ........................................................................ 39
6.5.3 Desarrollo de funciones. ........................................................................................... 39
6.6 Diseño de placa PCB.......................................................................................................... 40
6.7 Evaluar el sistema implementado..................................................................................... 45
6.7.1 Prueba de activación y desactivación de cargas ON/OFF. ........................................ 45
6.7.2 Prueba de activación de cargas proporcionales........................................................ 45
6.7.3 Prueba de saturación del sistema. ............................................................................ 45
6.7.4 Prueba de medición de tensión. ............................................................................... 46
6.7.5 Prueba de medición de corriente.............................................................................. 46
6.7.6 Prueba de confiabilidad y verificación de no alteración de datos. ........................... 46
7 RESULTADOS ............................................................................................................................. 47
7.1 Resultados de la prueba activación y desactivación cargas ON/OFF................................ 47
7.2 Resultados de prueba de activación de cargas proporcionales........................................ 49
7.3 Resultados de la prueba de saturación del sistema.......................................................... 54
7.4 Resultados de la prueba de medición de tensión............................................................. 54
7.5 Resultados de la prueba de medición de corriente. ......................................................... 55
7.6 Resultados de la prueba de confiabilidad y verificación de no alteración de datos......... 56
8 ANÁLISIS DE RESULTADOS......................................................................................................... 58
9 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 60
10 TRABAJOS FUTUROS.............................................................................................................. 61
11 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................ 62