Concepción e integración de arquitecturas y protocolos de comunicación dentro de sistemas de supervisión y control de microrredes inteligentes

Abstract

[ES] Las microrredes inteligentes se presentan como una solución para integrar las energías renovables así como para mejorar la eficiencia de la red por medio de la incorporación de las Tecnologías de Información y Comunicación (TIC). Sin embargo, la alta penetración de los recursos energéticos distribuidos (RED) en las microrredes, requiere una serie de cambios técnicos en los sistemas de comunicación caracterizados tradicionalmente por esquemas centralizados, donde un controlador central se comunica con todos los recursos energéticos distribuidos y toma decisiones, hacia esquemas descentralizados donde cada recurso energético distribuido tiene capacidad de comunicación y decisión de forma local. En este sentido, el objetivo global de las estrategias de comunicación descentralizadas es dotar al sistema energético de una mayor escalabilidad, fiabilidad, robustez, y flexibilidad que la que presentan los sistemas centralizados. Además, las microrredes con esquemas descentralizados presentan una gran oportunidad para el advenimiento del futuro Internet de la Energía o Internet of Energy (IoE), ya que cada recurso energético distribuido desplegado en la microrred es susceptible de conectarse a la nube y enviar y recibir datos desde hacia la red en tiempo real, en cualquier momento y lugar. Uno de los puntos críticos derivados de la incorporación de las TIC en las microrredes de gestión distribuida es garantizar la conectividad entre los recursos energéticos al tiempo que se satisfacen los requisitos técnicos de estos sistemas energéticos. Los distintos estándares y normas establecidas para el despliegue de microrredes destacan la necesidad de cumplir con algunos parámetros de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) como ancho de banda, latencias, throughput (rendimiento), entre otros, ya que un ancho de banda bajo puede dar lugar a cuellos de botella, pérdida de paquetes de datos y distorsión. Por otra parte, si la comunicación no presenta una tasa positiva de promedio de éxito o sufre retardos y/o supera el tiempo requerido, la información no cumple su cometido y, en el peor de los casos, daños eléctricos se pueden producir en la microrred. En la presente tesis se presenta el diseño, desarrollo e implementación de infraestructuras de comunicación distribuidas para la gestión, monitorización y control de microrredes que permitan administrar la potencia y energía eficientemente mediante comunicaciones síncronas y asíncronas. Además, este estudio describe las principales características de la Internet de la Energía, los principios en los que se basa, los elementos y tecnologías disponibles para lograr la comunicación entre los recursos distribuidos desplegados en la microrred y establece las principales diferencias de IoE con respecto a los sistemas tradicionales de monitoreo y gestión. Con toda esta información, se describe una propuesta de arquitectura de la Internet de la Energía aplicada a las microrredes y un prototipo de monitoreo y gestión. Se han realizado ensayos experimentales para validar los estudios y propuestas realizadas. Para ello se ha desplegado una red Ethernet en la microrred experimental del Grupo de Sistemas Electrónicos Industriales (GSEI) y se ha dotado a cada recurso energético distribuido de capacidades de comunicación e inteligencia a través del acoplamiento de sistemas de placa única BeagleBone Black donde poder instaurar el software desarrollado. Los resultados han evidenciado que las arquitecturas de comunicación distribuida propuestas permiten comunicaciones robustas, eficientes, escalables y flexibles en el ámbito de las microrredes a la vez que se cumplen con los requerimientos técnicos demandados por éstas.

[CA] Les micro-xarxes intel·ligents es presenten com una solució per integrar energies renovables així com per millorar l'eficiència de la xarxa mitjançant la incorporació de les Tecnologies de la Informació i la Comunicació (TIC). No obstant, l'alta penetració del recursos energètics distribuïts (RED) en les micro-xarxes requereix d'una sèrie de canvis tècnics en els sistemes de comunicació caracteritzats tradicionalment per esquemes centralitzats, el quals un controlador central es comunica amb tots el recursos energètics distribuïts i pren decisions, cap a esquemes descentralitzats on cada recurs energètic distribuït té capacitats de comunicació i decisió localment. En aquest sentit, l'objectiu global de les estratègies de comunicació descentralitzades es dotar al sistema energètic de major escalabilitat, fiabilitat, robustesa i flexibilitat que els que presenten els sistemes centralitzats. A més, les micro-xarxes amb esquemes descentralitzats presenten una gran oportunitat per l'adveniment de la futura internet de la energia, ja que cada recurs energètic distribuït desplegat en la micro-xarxa es susceptible de connectar-se al núvol i enviar i rebre dades cap a la xarxa en temps real, en qualsevol lloc i moment. Un dels punts crítics derivats de la incorporació de les TIC en les micro-xarxes de gestió distribuïda es garantir la connectivitat entre el recursos energètics distribuïts al temps que es satisfacen els requeriments tècnics de aquests sistemes energètics. Els diferents estàndards i normes establides per al desplegament de micro-xarxes destaquen la necessitat de complir amb alguns paràmetres de qualitat de servici com amplada de banda, latències i rendiment, entre d'altres, ja que una amplada de banda baixa resulta colls d'ampolla, pèrdues de paquets i distorsió. D'una altra banda, si la comunicació no presenta una taxa positiva de mitjana de èxit o sofreix retards o supera el temps requerit, la informació no acompleix la seua comesa i en el pitjor dels casos, danys elèctrics poden ocórrer en la micro-xarxa. En la present tesi se presenta el disseny, desenvolupament i implementació d'infraestructures de comunicació distribuïdes per la gestió, monitorització i control de micro-xarxes que permeten administrar la potencia i energia eficientment mitjançant comunicacions síncrones i asíncrones. A més, aquest estudi es descriu les principals característiques de la internet de la energia, els principis en els quals es basa, elements i tecnologies disponibles per acomplir la comunicació entre els recursos energètics distribuïts desplegats en la micro-xarxa i estableix les principals diferencies de la internet de la energia respecte del sistemes tradicionals de monitorització i gestió. Amb aquesta informació, es descriu una proposta d'arquitectura de la internet de la energia aplicada a les micro-xarxes. S'han realitzat assajos experimentals per validar els estudis i les propostes realitzades. Per a això, s'ha desplegat una xarxa d' ethernet en la micro-xarxa experimental del grup de sistemes industrials i s'ha dotat a cada recurs energètic distribuït de capacitats de comunicació i intel·ligència mitjançant l'acoblament de sistemes de placa única BeagleBone Black on s'ha instaurat el software desenvolupat. Els resultats han evidenciat que les arquitectures de comunicació distribuïdes proposades permeten comunicacions robustes, escalables i flexibles en l'àmbit de les micro-xarxes al temps que es acompleixen els requeriments tècnics demandats per estes.

[EN] Smart microgrids are presented as a solution to integrate renewable energies as well as to improve the efficiency of the network through the incorporation of Information and Communication Technologies (ICT). However, the high penetration of distributed energy resources (DER) in microgrids requires several technical improvements on communication systems that are traditionally characterized by centralized schemes, where a central controller communicates with all distributed energy resources and makes decisions, towards decentralized schemes where each distributed energy resource has communication and decision capacities locally. The main objective of decentralized communication strategies is provide to the energy system with better scalability, reliability, robustness, and flexibility that centralized systems do. Moreover, microgrids with decentralized schemes represent a great opportunity for the future Internet of Energy (IoE) due to each distributed energy resource could connect to the cloud and send and receive data in real time anywhere and anytime. One of the major issues about the ICT integration on microgrids is to guarantee the connectivity among DERs at the same time that technical requirements are met. Different microgrid standards give specifications for these requirements and highlight the need to accomplish with quality of service parameters like bandwidth, delays, throughput, among others. The communication infrastructure in the microgrid must satisfy these timing requirements, because a low bandwidth can lead to bottlenecks, loss of data packets and distortion. Besides, if the communication delay exceeds the required time, the information does not fulfill its purpose and, in the worst case, electric damage in the microgrid could happen. In this Ph.D. thesis the design, development and implementation of synchronous and asynchronous distributed communications infrastructures for the efficient microgrid monitoring and control are studied. In addition this study describe the main IoE characteristics, its foundation principles, available elements and technologies deployed into microgrid and the main differences between IoE and tradition systems are provided. Regarding these information, a proposal of architecture of the Internet of energy applied to the microgrid is described. Experimental tests have been carried out in order to validate the theoretical studies and proposals presented in this thesis. It has been deployed an Ethernet network in the experimental GSEI microgrid. In addition, communications and intelligent capacities have been added to each distributed energy resource through the BeagleBone Black single board computers where the developed software has been deployed. The results showed that the proposed distributed communications architectures allow robust, efficient, scalable and flexible communications in the microgrids field at the same time that quality of service requirements are accomplished.