Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids
Autores
- Paula Peña Carro, Ingeniera, CEDER-CIEMAT
- Óscar Izquierdo Monge, Ingeniero, CEDER-CIEMAT
- Carlos Barrera Del Amo, Ingeniero, CEDER-CIEMAT
Resumen
Una parte importante de una microrred es la lectura en tiempo real de todos sus elementos, lo cual permitirá al final de un periodo fijado realizar el balance total de producción-consumo. Centrándonos en ello, se ha desarrollado un sistema de medida basado en un Arduino y sensor de infrarrojos, junto con un software específico que permite obtener la potencia instantánea consumida a partir de la lectura del indicador LED de metrología del contador de la empresa distribuidora con un error menor al 1% diario respecto a las medidas que utiliza dicha empresa para elaborar la factura de la luz. Esto supone una mejora en el conocimiento de los consumos y comprensión de la factura permitiendo reducir su coste en los términos contratados.
Palabras clave
Microrredes eléctricas inteligentes, Arduino, Consumos, Sistema de medida.
Introducción
Una microrred es un concepto utilizado para definir un grupo de cargas interconectadas y recursos de energía distribuida dentro de límites eléctricos claramente definidos que actúan como una entidad controlable única con respecto a la red de distribución. Una microrred puede conectarse y desconectarse de la red para permitir que funcione en modo conectado a la red de distribución o en isla (Sachs et al., 2019).
Para poder gestionar una microrred adecuadamente es imprescindible contar con un sistema de medición, comunicación y control en tiempo real. Este seguimiento remoto ayudará en la gestión de la carga y generación del conjunto, consiguiendo que sea una microrred semiautónoma o autónoma y reduciendo significativamente el tiempo de respuesta frente a problemas de abastecimiento. Con su implantación se otorga al sistema de tecnologías de comunicaciones bidireccionales, seguridad cibernética y aplicaciones de software inteligentes en todo su campo de actuación, logrando una mayor seguridad y conocimiento de todos los sistemas instalados y su modo de gestión.
Para el control total de la microrred debemos de instalar mecanismos de medición en cada una de las cargas/sistemas de generación, o agrupación de las mismas por centros de transformación. Pero si lo que se busca es la generación o consumo total de toda la microrred debemos de situarnos en el PCC (Point of common coupling) o contador de la empresa distribuidora. Punto en el que se recopila el sumatorio de energía que genera/consume la totalidad de la microrred.
La introducción de medidores inteligentes ofrece información detallada sobre el consumo de energía de los clientes. En España, la Comisión Nacional de los Mercados y la Competencia (CNMC) tiene entre sus funciones asegurar el acceso de los clientes a los datos de su consumo, en formato comprensible, armonizado y de forma rápida. Sin embargo en ningún momento se indica que el acceso a los datos sea en tiempo real.
Las compañías distribuidoras de electricidad propietarias de estos medidores inteligentes, permiten el acceso a los datos de medias quinceminutales que se utilizan para elaborar la factura de energía eléctrica, pero no sirven para llevar a cabo la gestión en tiempo real de una microrred inteligente.
Los medidores inteligentes están técnicamente preparados para realizar consultas instantáneas en tiempo real, sin embargo puede ralentizarse la comunicación al realizar lecturas instantáneas originándose un desfase que dificulte la actuación en tiempo real en la microrred.
En el caso de la microrred de CEDER (Centro de Desarrollo de Energías Renovables) que es la que nos ocupa, tras contactar con la empresa de distribución, permitían el acceso a estos datos durante un reducido periodo de tiempo, inferior a un mes, para hacer pruebas, pero en ningún caso concedían acceso de manera continuada.
La única opción para poder obtener las mismas mediciones que la empresa distribuidora es duplicar la celda de medida de la subestación de entrada a CEDER o sustituir la actual por otra celda de medida de doble salida y en ambos casos colocar otro contador. Cualquiera de estas dos opciones además de costosas (pueden suponer un gasto superior a los 3500 € entre materiales y trabajos de instalación), son complejas por el reducido espacio del que se dispone dentro de la subestación para instalar todo lo necesario.
Por este motivo se plantea un sistema de medida alternativo del contador inteligente de una microrred, y de bajo coste que permita conocer en tiempo real la energía consumida de la red de distribución o la inyectada a la misma.
Medida de los consumos en la microrred de CEDER
La microrred CEDER parte de una línea de distribución de 45 kV y da servicio a una subestación de 45/15 kV (1000 kVA). Desde esta subestación se distribuye en media tensión mediante una red subterránea a 8 centros de transformación que ajustan el voltaje a 400 V de baja tensión trifásica. La red se puede operar tanto en anillo, lo que posibilita un perímetro en media tensión de 4200 metros, como en modo radial.
En CEDER las cargas son los elementos que conforman el centro, siendo estos los diferentes edificios y su equipamiento los demandantes de energía para su funcionamiento y gracias a los cuales se realiza la actividad diaria del centro. Todas estas cargas están conectadas a la red de baja tensión y presentan diferentes perfiles de consumo.
Para medir todos los consumos, aparte del contador de la empresa distribuidora, CEDER cuenta con ocho analizadores de red eléctrica/calidad de la energía (PQube). Hay uno en cada centro de transformación, en el lado de baja tensión. Estos equipos, además, están conectados a la red de datos de CEDER mediante una tarjeta Ethernet, de manera que podemos acceder a sus lecturas desde cualquier punto del centro.
Para obtener el consumo de potencia real de CEDER, a la suma de los valores medidos por los PQube, habría que añadirle los consumos de los centros de transformación (dado que los PQube están en el lado de baja tensión y por tanto no miden sus consumos o pérdidas).
En la Figura 1 puede observarse la comparación entre el valor obtenido de la suma de los PQube y el valor del consumo de CEDER el día 25 de abril de 2020.
Las curvas son paralelas y la diferencia entre ambas se debe a los consumos de los centros de transformación. También puede observarse como en los valores de potencia bajos (próximos a cero), las curvas están más próximas entre sí.
Si en lugar de un día vemos los datos de un mes completo, obtenemos los resultados recogidos en la Figura 2.
Esos equipos PQube son muy completos y robustos, pero también tienen un coste elevado (más de 2000 € cada equipo), por lo que vamos a buscar un sistema de medida alternativo que permita obtener unos resultados similares a los obtenidos con los PQube con un coste muy inferior.
Sistema de medida propuesto
Para entender el sistema de medida que se va a emplear, es necesario conocer el contador inteligente instalado por la empresa distribuidora. Se trata de un contador modelo ACTARIS SL7000, es un medidor estático, polifásico, en cuatro cuadrantes, de tarifa múltiple. Este contador cuenta con indicadores LED de metrología. Los pulsos de metrología visibles proporcionales al consumo de energía activa y reactiva se indican a través de dos indicadores LED que titilan de acuerdo con la constante metrológica marcada en la parte delantera del medidor (imp/kWh o imp/kVAh).
Este indicador LED es el que utilizan las empresas distribuidoras para realizar lecturas de comprobación a pie de campo, en situaciones donde la lectura automatizada falla, y de forma provisional realizan lecturas manuales a través del puerto de lectura óptica.
Las especificaciones de conexión directa son: tensión nominal 230 V, tensión máxima 400 V, corriente nominal 1 A y corriente máxima 10 A. Además, la constante de metrología para energía activa es 10000 imp/kWh, es decir, que la luz led parpadearía 10000 veces en una hora por cada kWh importado o exportado de la red de distribución, siempre que hubiese una relación directa de tensión y de corriente. En nuestro caso no hay una relación directa corriente-tensión, sino que hay una relación de transformación para la corriente 10/5 A y para la tensión 16500/120 V.
Estos tres parámetros, constante de metrología, y las relaciones de transformación de corriente y tensión, van a ser los que nos permitan calcular, a partir de los impulsos de la luz led en un periodo determinado, la potencia activa importada o exportada registrada por el contador.
Para medir estos impulsos se va a utilizar un sistema de medida basado en un Arduino Uno, con una tarjeta microSD donde se instala el sistema operativo y el software a utilizar conectado a un sensor óptico (medidor de infrarrojos que permite medir los pulsos lumínicos de la luz led del contador) y a una tarjeta Ethernet para Arduino. El coste de este equipamiento es inferior a 150 Euros.
Una vez instalado el sistema de medida, colocando el sensor óptico delante del puerto de comunicación infrarrojo de la potencia activa, hay que desarrollar el software que permita calcular la potencia activa a partir del número de pulsos de luz del contador utilizando los tres parámetros del contador que hemos visto anteriormente.
Por defecto, Arduino almacena los datos medidos en una tarjeta microSD, pero esto no nos permitiría verlos en tiempo real desde el sistema de control, motivo por el cual se utiliza la tarjeta de Ethernet para conectarlo a la red de datos de CEDER y comunicarlo con él.
La transmisión de datos del Arduino al centro de control puede realizarse de dos maneras diferentes; bien puede programarse para que funcione como un servidor web y publique los valores medidos en una página web de la que los leerá nuestro sistema de control. O bien, programar Arduino para que tenga comunicación Modbus TCP y el sistema de control se comunique directamente con él, definiéndolo en su fichero de configuración.
Después de realizar varias pruebas con cada uno de los dos sistemas, se ha comprobado que la comunicación Modbus es más rápida y robusta que el servidor web, por lo que será este último sistema el utilizado.
Resultados obtenidos
Una vez instalado y programado el equipo de medida basado en Arduino, y establecida la comunicación con el sistema de control de la microrred de CEDER comienza la adquisición de datos.
Comparando los datos obtenidos con este sistema de medida basado en Arduino con el consumo de CEDER obtenido a partir de las mediciones de los analizadores de red PQube más los consumos de los centros de transformación, vemos en la Figura 3 que los resultados son prácticamente iguales.
Gráficamente se observa que las dos curvas son prácticamente iguales, apenas hay diferencias entre ambos sistemas de medida. Estas variaciones pueden ser algo superiores en las proximidades a cero kW y por debajo de -40 kW.
El consumo de la red de distribución por parte de la microrred de CEDER durante el día 25 de abril de 2020, medido con los analizadores de red PQube es de 677 kWh, mientras que el obtenido con el sistema de medida basado en Arduino es 674 kWh. La diferencia entre ambos sistemas de medida es de 3 kWh, lo que supone un 0.44%.
Si observamos lo que inyecta la microrred de CEDER a la red de distribución, con los PQube hay 57.6 kWh, mientras que con el Arduino tenemos 58.1 kWh. La diferencia es 0.5 kWh, lo que representa un 0.86%.
También puede observarse que no siempre la medida con el Arduino es mayor que la medida con los PQube, si no que cambia de un periodo a otro compensándose de esta manera el valor diario total. Así, la diferencia media entre los dos sistemas de medida es de 0.119 kWh en los 96 periodos quinceminutales que tiene un día.
La energía total (energía consumida de la red menos energía inyectada a la red) medida por Arduino es 615.8 kWh, mientras que la suma de los PQube más los consumos de los centros de transformación y las pérdidas en el cableado es 619.8 kWh, lo que supone un error de 3.97 kWh que representa un 0.409% en todo el día.
Si hacemos el estudio para un periodo de tiempo más largo, y en lugar de un día, analizamos un mes completo, tendremos los resultados recogidos en la Figura 4.
Vemos que los resultados obtenidos para un mes son similares a los diarios y no se observa en la Figura 4 grandes diferencias entre los dos sistemas de medida estudiados. Generalmente se observa que las mayores diferencias se producen para valores en el entorno de cero y para valores por debajo de -40 kWh.
Si analizamos los datos numéricamente. El consumo de la red de distribución medido con los analizadores de red PQube es de 21808 kWh, mientras que el medido con el sistema basado en Arduino es 21825 kWh. La diferencia entre ambos sistemas de medida es de 17 kWh, lo que supone un 0.077%.
Si observamos los vertidos de la microrred a la red de distribución con los PQube se obtienen 1650 kWh, mientras que con el Arduino se obtienen 1658 kWh. La diferencia es de 8 kWh, lo que representa un 0.48%.
La diferencia media en el mes de abril de 2020 es de 2.94 kW y representa un error en la medida del 0.44%. La máxima diferencia entre los dos sistemas de medida tiene lugar el día 30 de abril, 8.93 kW (error 1.28%) y el error máximo se produce los días 4 y 29 que alcanza un valor del 1.3%.
Conclusión
En este artículo se ha propuesto un sistema de medida de bajo coste que permite realizar lecturas en tiempo real de cualquier contador que cuente con LED de metrología de energía activa y reactiva para conocer la potencia instantánea consumida o inyectada a la red de distribución por parte de una microrred eléctrica. Este sistema de medida evita tener que duplicar la celda de medida a la entrada de una microrred conectada a la red de distribución con el consiguiente ahorro de costes.
Se ha probado su funcionamiento en la microrred eléctrica de CEDER para su validación y ha permitido conocer la energía medida por el contador en tiempo real, es decir la energía consumida o inyectada a la red de distribución por la microrred con un error inferior al 1% en el peor de los casos.
De esta forma se consigue un mayor control de la producción de las fuentes de generación de la microrred y de sus consumos, que se traduce en una mejor gestión de la factura total del sistema con la empresa distribuidora suprimiendo rangos de potencia contratada y sus respectivos costes.
Además, este sistema de medida de bajo coste, basado en un Arduino y un sensor de infrarrojos, obtiene unas mediciones prácticamente iguales a las conseguidas con el sistema anterior utilizado en CEDER, basado en PQube reduciendo notablemente el coste del sistema de registro de lecturas de los diferentes elementos de generación y consumo de la microrred.
Referencias
- Sachs, T., Gründler, A., Rusic, M., & Fridgen, G. (2019). Framing Microgrid Design from a Business and Information Systems Engineering Perspective. Business and Information Systems Engineering, 61(6), 729–744.