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Integraci贸n de dispositivos electr贸nicos inteligentes en Smart Grid
El sector el茅ctrico est谩 experimentando cambios importantes tanto a nivel de gesti贸n
como a nivel de mercado. Una de las claves que est谩n acelerando este cambio es la
penetraci贸n cada vez mayor de los Sistemas de Generaci贸n Distribuida (DER), que est谩n
dando un mayor protagonismo al usuario a la hora de plantear la gesti贸n del sistema
el茅ctrico. La complejidad del escenario que se prev茅 en un futuro pr贸ximo, exige que los
equipos de la red tenga la capacidad de interactuar en un sistema mucho m谩s din谩mico
que en el presente, donde la interfaz de conexi贸n deber谩 estar dotada de la inteligencia
necesaria y capacidad de comunicaci贸n para que todo el sistema pueda ser gestionado en
su conjunto de manera eficaz. En la actualidad estamos siendo testigos de la transici贸n
desde el modelo de sistema el茅ctrico tradicional hacia un nuevo sistema, activo e
inteligente, que se conoce como Smart Grid.
En esta tesis se presenta el estudio de un Dispositivo Electr贸nico Inteligente (IED)
orientado a aportar soluciones para las necesidades que la evoluci贸n del sistema el茅ctrico
requiere, que sea capaz de integrase en el equipamiento actual y futuro de la red,
aportando funcionalidades y por tanto valor a帽adido a estos sistemas. Para situar las
necesidades de estos IED se ha llevado a cabo un amplio estudio de antecedentes,
comenzando por analizar la evoluci贸n hist贸rica de estos sistemas, las caracter铆sticas de la
interconexi贸n el茅ctrica que han de controlar, las diversas funciones y soluciones que
deben aportar, llegando finalmente a una revisi贸n del estado del arte actual. Dentro de
estos antecedentes, tambi茅n se lleva a cabo una revisi贸n normativa, a nivel internacional
y nacional, necesaria para situarse desde el punto de vista de los distintos requerimientos
que deben cumplir estos dispositivos.
A continuaci贸n se exponen las especificaciones y consideraciones necesarias para su
dise帽o, as铆 como su arquitectura multifuncional. En este punto del trabajo, se proponen
algunos enfoques originales en el dise帽o, relacionados con la arquitectura del IED y
c贸mo deben sincronizarse los datos, dependiendo de la naturaleza de los eventos y las
distintas funcionalidades. El desarrollo del sistema continua con el dise帽o de los
diferentes subsistemas que lo componen, donde se presentan algunos algoritmos
novedosos, como el enfoque del sistema anti-islanding con detecci贸n m煤ltiple
ponderada.
Dise帽ada 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 elecci贸n 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, seg煤n las
normas IEC 61000-4-30 e IEC 62586-2, para comprobar la monitorizaci贸n de
par谩metros. Tambi茅n 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 Investigaci贸n, donde este prototipo ha sido integrado en un inversor
dot谩ndole 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