Integración de dispositivos electrónicos inteligentes en Smart Grid

El sector eléctrico está experimentando cambios importantes tanto a nivel de gestión como a nivel de mercado. Una de las claves que están acelerando este cambio es la penetración cada vez mayor de los Sistemas de Generación Distribuida (DER), que están dando un mayor protagonismo al usuario a la hora de plantear la gestión del sistema eléctrico. La complejidad del escenario que se prevé en un futuro próximo, exige que los equipos de la red tenga la capacidad de interactuar en un sistema mucho más dinámico que en el presente, donde la interfaz de conexión deberá estar dotada de la inteligencia necesaria y capacidad de comunicación para que todo el sistema pueda ser gestionado en su conjunto de manera eficaz. En la actualidad estamos siendo testigos de la transición desde el modelo de sistema eléctrico tradicional hacia un nuevo sistema, activo e inteligente, que se conoce como Smart Grid. En esta tesis se presenta el estudio de un Dispositivo Electrónico Inteligente (IED) orientado a aportar soluciones para las necesidades que la evolución del sistema eléctrico requiere, que sea capaz de integrase en el equipamiento actual y futuro de la red, aportando funcionalidades y por tanto valor añadido a estos sistemas. Para situar las necesidades de estos IED se ha llevado a cabo un amplio estudio de antecedentes, comenzando por analizar la evolución histórica de estos sistemas, las características de la interconexión eléctrica que han de controlar, las diversas funciones y soluciones que deben aportar, llegando finalmente a una revisión del estado del arte actual. Dentro de estos antecedentes, también se lleva a cabo una revisión normativa, a nivel internacional y nacional, necesaria para situarse desde el punto de vista de los distintos requerimientos que deben cumplir estos dispositivos. A continuación se exponen las especificaciones y consideraciones necesarias para su diseño, así como su arquitectura multifuncional. En este punto del trabajo, se proponen algunos enfoques originales en el diseño, relacionados con la arquitectura del IED y cómo deben sincronizarse los datos, dependiendo de la naturaleza de los eventos y las distintas funcionalidades. El desarrollo del sistema continua con el diseño de los diferentes subsistemas que lo componen, donde se presentan algunos algoritmos novedosos, como el enfoque del sistema anti-islanding con detección múltiple ponderada. Diseñada la arquitectura y funciones del IED, se expone el desarrollo de un prototipo basado en una plataforma hardware. Para ello se analizan los requisitos necesarios que debe tener, y se justifica la elección de una plataforma embebida de altas prestaciones que incluye un procesador y una FPGA. El prototipo desarrollado se somete a un protocolo de pruebas de Clase A, según las normas IEC 61000-4-30 e IEC 62586-2, para comprobar la monitorización de parámetros. También se presentan diversas pruebas en las que se han estimado los retardos implicados en los algoritmos relacionados con las protecciones. Finalmente se comenta un escenario de prueba real, dentro del contexto de un proyecto del Plan Nacional de Investigación, donde este prototipo ha sido integrado en un inversor dotándole de la inteligencia necesaria para un futuro contexto Smart Grid.The electricity sector is undergoing major changes both at management level as at the level of the market. One of the keys that are accelerating this change is the increasing penetration of Distributed Energy Resources (DER), which is giving greater prominence to the distribution areas when considering the management of the electricity system. The complexity of the scenario that is expected in the near future requires that grid equipment will have the ability to interact in a much more dynamic system than in the present, where the connection interface must be equipped with the necessary intelligence and communication capability so that the entire system can be managed as a whole effectively. Today we are witnessing the transition from the traditional model of power system to a new system, active and intelligent, known as Smart Grid. This thesis deals with the study of an Intelligent Electronic Device (IED), which is oriented to providing solutions for the needs that the evolution of the electricity system requires. This IED is able to integrate into the current and future grid equipment, providing functionality and therefore added value to these systems. To locate the needs of these electronics devices, an extensive study of backgrounds has been conducted, beginning with analyzing the historical evolution of these systems, the characteristics of the electrical interconnection that these systems have to control, the various functions and solutions to be provided, finally arriving to a review of the current state of art. Within this background, also it carried out a regulatory review, at international and national level, needed to understand the point of view of the different requirements to be complied by these devices. Then the specifications and considerations for the design of this IED and its multifunctional architecture are discussed. At this point of work some original approaches in design are proposed, these are related to the functional architecture of IED and the way of how the data should be synchronized, depending on the nature of events and different functions. The development of the device follows with the design of the various subsystems. Some novel algorithms are presented here, as the approach of anti-islanding system based on multiple weighted methods detection. Once the architecture and functions of the IED have been designed, the development of a prototype based on a hardware platform is discussed. For this purpose, the needed requirements are analyzed, and the choice of a high-performance embedded platform that includes a processor and an FPGA is justified. A Class A testing protocol applies to the prototype developed to test the monitoring parameters, according to the IEC 61000-4-30 and IEC 62586-2 standards. Also various tests to estimate the delays involved in protection algorithms are presented. Finally a real test scenario is discussed. This was carried out within the context of a project of the National Research Plan, where this prototype has been integrated into an inverter providing it with the necessary intelligence for a future Smart Grid context

Development of a software application for the automated management and analysis of data recorded in grid-connected photovoltaic installations

El objetivo de este trabajo de tesis ha sido implementar sistema de almacenamiento ordenado, accesible y rápido que permita transferir, todos los datos correspondientes a la monitorización de un conjunto de sistemas fotovoltaicos (FV) cuyo comportamiento se pretende analizar, a un Sistema Gestor de Bases de Datos Relacionales (SGBDR). El SGBDR consiste en una serie de bases de datos enlazadas que permiten almacenar toda la información de los sistemas fotovoltaicos, una vez analizados sus características y especificaciones, y las de los ficheros que se generan en la monitorización de éstas. La infraestructura desarrollada se caracteriza por ser escalable, por lo que puede ampliarse en función del número de instalaciones a estudiar. Los datos registrados en las distintas plantas se encuentran muy desagregados en un gran número de ficheros, con diferentes parámetros medidos, diferentes formatos, nomenclaturas o unidades de medida, por lo que el sistema desarrollado se encarga de homogeneizar toda la información para su almacenamiento y procesamiento. Para ello, por un lado, se ha realizado el diseño la estructura de las bases de datos que se van a implementar, en las que se ha establecido dividir el sistema en una base de datos común, con información de las especificaciones de las plantas a analizar, y una base de datos individual por cada planta que se quiera estudiar, o, en caso de plantas de gran tamaño, por sectores de ésta. Se han diseñado las tablas y campos de cada base de datos, y las consultas a las mismas que pueden ser realizadas. Por otro lado, se ha desarrollado un procedimiento que permite realizar el traspaso automático de todos los datos registrados en las diferentes plantas fotovoltaicas en sus correspondientes tablas de las bases de datos. Junto con el SGBDR, en este trabajo se ha desarrollado también una aplicación web denominada S·lar 2, con el objetivo de facilitar el acceso y visualización selectiva de todos los datos una vez almacenados en sus tablas correspondientes. Esta aplicación, que está conectada a las bases de datos diseñadas, permite gestionar la información procedente de las plantas fotovoltaicas. Todo el procedimiento se ha abordado utilizando software libre, haciendo uso entre otras de herramientas como MariaDB y el lenguaje de programación Python. Una vez que los datos han sido organizados mediante el uso de las herramientas desarrolladas, ha sido posible llevar a cabo su tratamiento, lo que ha permitido abordar distintos tipos de análisis y estudios con los datos tratados. Por un lado, se ha llevado a cabo un análisis del rendimiento y modo de operación de los componentes de las plantas y de las pérdidas de cada uno de los elementos, con el fin de poder ser de utilidad en las labores de mantenimiento de las plantas. También se ha podido establecer un sistema de comparación de la producción de los inversores dentro de una misma planta, con el fin de disponer de una herramienta que permita detectar de forma rápida y visual posibles desviaciones entre ellos y así detectar averías en alguno de los componentes. Se ha podido realizar otro estudio de cómo la temperatura influye en los rendimientos de las plantas fotovoltaicas. También ha sido posible llevar a cabo un estudio del impacto de la producción de las plantas en el valor de la tensión eficaz de la señal eléctrica de la red, con el fin de estudiar qué capacidad de alojamiento tienen las redes en las que inyectan su producción para este tipo de fuentes de generación renovables. Otro análisis, a partir de datos monitorizados en las distintas plantas, nos ha permitido determinar la variabilidad de la producción que tiene lugar en este tipo de plantas debido al paso de nubes, y cómo se suavizan las fluctuaciones que se producen cuando se considera conjuntamente la producción de un conjunto de éstas. También se ha podido llevar a cabo un estudio de los perfiles de la irradiancia que se recibe en las plantas fotovoltaicas, y cómo estos perfiles pueden influir en el comportamiento de los paneles y de los inversores. En general puede decirse que el poder acceder a los datos de forma selectiva mediante las herramientas desarrolladas, ha permitido hacer uso de forma ordenada de una gran cantidad de parámetros medidos, lo que facilita su análisis y el poder extraer conclusiones de distintos aspectos del funcionamiento de las plantas fotovoltaicas, todos necesarios para mejorar el su funcionamiento y dar un paso más en su integración en la red eléctrica, intentando salvar el carácter de no gestionabilidad que presentan actualmente este tipo de fuentes renovables.The objective of this PhD work has been to implement an orderly, accessible and fast storage system that allows the transfer of all the data corresponding to the monitoring of a set of photovoltaic (PV) systems whose behaviour is to be analysed, to a Relational Database Management System (RDBMS). The RDBMS consists of a series of linked databases that allow storing all the information of the photovoltaic systems, once their characteristics and specifications have been analysed, and those of the files generated during their monitoring. The developed infrastructure is characterized by being scalable, so it can be expanded depending on the number of installations to be studied. The data recorded in the different plants are highly disaggregated in a large number of files, with different measured parameters, different formats, nomenclatures or units of measurement, so the developed system is responsible for homogenizing all the information for storage and processing. To this end, on the one hand, the structure of the databases to be implemented has been designed, in which it has been established to divide the system into a common database, with information on the specifications of the plants to be analysed, and an individual database for each plant to be studied, or, in the case of large plants, by sectors of the plant. The tables and fields of each database have been designed, as well as the queries that can be made to them. On the other hand, a procedure has been developed that allows the automatic transfer of all the data recorded in the different photovoltaic plants to their corresponding database tables. Together with the RDBMS, this work has also developed a web application called S·lar 2, with the aim of facilitating the access and selective visualization of all the data once stored in their corresponding tables. This application, which is connected to the designed databases, allows the management of the information coming from the photovoltaic plants. The whole procedure has been approached using free software, making use of tools such as MariaDB and the Python programming language, among others. Once the data have been organized using the tools developed, it has been possible to carry out their processing, which has allowed different types of analysis and studies to be carried out with the processed data. On the one hand, an analysis of the performance and mode of operation of the plant components and of the losses of each of the elements has been carried out, in order to be useful in the maintenance work of the plants. It has also been possible to establish a system for comparing the production of the inverters within the same plant, in order to have a tool that allows to quickly and visually detect possible deviations between them and thus detect failures in any of the components. It has been possible to carry out another study of how temperature influences the yields of photovoltaic plants. It has also been possible to carry out a study of the impact of the plants' production on the value of the effective voltage of the xiv electrical signal of the grid, in order to study the accommodation capacity of the grids into which they inject their production for this type of renewable generation sources. Another analysis, based on data monitored in the different plants, has allowed us to determine the variability of the production that takes place in this type of plants due to the passage of clouds, and how the fluctuations that occur when the production of a set of plants is considered together are smoothed. It has also been possible to carry out a study of the irradiance profiles received in photovoltaic plants, and how these profiles can influence the behavior of the panels and inverters. In general, it can be said that being able to access the data selectively through the tolos developed has made it possible to make use of a large number of measured parameters in an orderly manner, which facilitates their analysis and the ability to draw conclusions on different aspects of the operation of photovoltaic plants, all necessary to improve their operation and take a step further in their integration into the electricity grid, trying to save the character of non-manageability currently presented by this type of renewable sources