8
MONITOREO Y CONTROL DE UN SISTEMA DE
Y MATLAB SIMULINK
Alex Arias
1
, Wilian Patricio Guamán
2
, Gonzalo López
3
, Gabriel Pesantes
4
, Lauro Gómez
5
Recibido: 14/11/2022 y Aceptado: 2/5/2023
ENERLAC. Volumen VII. Número 1. Julio, 2023 (8 - 21)
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital)
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OLADE – AUGM
1 Universidad Técnica de Cotopaxi. Ecuador
alex.arias8817@utc.edu.ec
2 Universidad Técnica de Cotopaxi. Ecuador
wilian.guaman8956@utc.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-9905-8231
3 Universidad Técnica de Cotopaxi. Ecuador
gonzalo.lopez8466@utc.edu.ec
https://orcid.org/0009-0007-2880-1204
4 Universidad Técnica de Cotopaxi. Ecuador
gabriel.pesantes3889@utc.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-4037-3859
2 SILVATECH S.A
lauro.gomez@silvatech.com.ec
RESUMEN
La introducción de sistemas de generación
distribuida (GD) en las redes eléctricas se ha
incrementado notablemente en los últimos años.
Por ello, los sistemas de monitoreo y control de
la red eléctrica se han vuelto indispensables
en la operación del sistema, para garantizar
las condiciones de calidad y confiabilidad del
suministro eléctrico. En el presente trabajo se
implementa una interfaz de monitoreo y control
del sistema GD Smart Grid F-CIYA en tiempo
real utilizando ETAP-RT y MATLAB Simulink. El
sistema utiliza los módulos Lucas Nülle que
constituyen una red de 10 kVA. ETAP-RT
interactúa con el sistema físico, permitiendo
realizar maniobras de control sobre los elemen-
tos de la red y visualizar los cambios en los
parámetros eléctricos ante diferentes maniobras.
Como resultado de este trabajo, se establece
una metodología para implementar el sistema
de monitoreo y control en sistemas de GD.
Palabras clave: Generación distribuida, control,
monitoreo, tiempo real, ETAP-RT, Matlab Simulink.
ABSTRACT
parameters in case of different maneuvers. As a
in DG systems.
Keywords:
10
INTRODUCCIÓN
La Generación Distribuida (GD) consiste en
producir energía eléctrica a través de micro
centrales de generación con Energías Renovables
No Convencionales (ERNC), aprovechando el
potencial de un determinado lugar geográfico
como la irradiación solar, velocidad del viendo,
condiciones hidrológicas, entre otras (Razavi
et al. 2019). Sin embargo, la aleatoriedad de
estos recursos podrían ocasionar problemas
en el sistema como: fallas en las protecciones,
desbalance de potencia y tensiones durante
el abastecimiento de cargas, imperfecciones
en la calidad de la señal suministrada tales
como , sags, e incrementos en el THD
( ) del voltaje, por
encima de los niveles admisibles (Arias, Rivas,
and León 2017).
Para conocer las condiciones del sistema eléctrico
ante el ingreso de GD, en (Singh et al. 2015)
se plantea como una solución implementar
medidores inteligentes que permitan supervisar
y controlar los parámetros eléctricos de la red.
Esto se consigue a través de la adquisición de
datos en tiempo real y la aplicación de técnicas
de estimación de estado, que en conjunto
ayudan a la operación eficiente de las redes
eléctricas. Las tecnologías asociadas a la gestión
energética han evolucionado recientemente,
combinando los sistemas convencionales SCADA
con herramientas que permiten almacenar esos
datos y utilizarlos para otras aplicaciones, como
estimadores de estado y análisis predictivo
(Pérez-López and Scada 2015).
Varios trabajos han implementado sistemas de
monitoreo y control para evaluar el rendimiento
de las redes de energía eléctrica. Por ejemplo, en
(Vaschetti, Gomez, and Amatti 2012) y (Manrique,
Gómez, and Mejia n.d.), se plantean modelos
de simulación mediante el software ETAP para
observar el comportamiento de la red cuando se
incluye GD. Para ello, se utilizan protocolos de
comunicación que enlazan los medios físicos con
el sistema SCADA mediante la interfaz hombre-
máquina (HMI), obteniendo como resultado un
modelo de protección automático para sistemas
de GD, que activan los reconectadores a través
de baterías recargables para reanudar el su-
ministro eléctrico cuando se producen fallas en
los seccionadores.
Para evaluar la confiabilidad de los sistemas
eléctricos, (Alarcon 2021) realiza el monitoreo y
el control de la red con inclusión de GD utilizando
el software ETAP lo que permite
analizar la eficiencia a través de la creación de
una base de datos en tiempo real ante la presen-
cia de diferentes contingencias que se podrían
producir a futuro con la finalidad de optimizar los
sistemas, obteniendo como resultado que, ante
la presencia de fallas la GD aporta la energía
necesaria para abastecer la demanda. Además,
se realiza la coordinación de la protección
del alimentador cuando se incluye motor de
250 HP, obteniendo un nivel de corriente en el
arranque de 580 A, a través del estudio de flujo
de carga y cortocircuito lo que permitió dimen-
sionar el calibre del conductor.
La Generación
Distribuida (GD) consiste en
producir energía eléctrica a
través de micro centrales de
generación con Energías
Renovables No Convencionales
aprovechando el potencial de
un determinado lugar
geográfico.
MONITOREO Y CONTROL DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA MEDIANTE ETAP-RT Y MATLAB SIMULINK
Guamán Cuenca, Wilian Patricio
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El resto de este documento está estructurado
como sigue: en la segunda sección se revisa el
estado del arte relacionado con simulación
en tiempo real, monitoreo y control en SEP
y protocolos de comunicación asociados. A
continuación, en la metodología se muestra
la configuración del sistema de GD
Grid F-CIYA y se describen los pasos para
la configuración de los elementos físicos
(medidores e interruptores de potencia) en el
software ETAP-RT. Posteriormente, se detalla
la configuración del diagrama de bloques en
MATLAB Simulink para visualizar y controlar
el sistema de manera remota. Finalmente, en
la cuarta sección, se analizan los resultados
obtenidos en el monitoreo y control del sistema
de GD comparando los valores medidos del
software ETAP-RT y Simulink para analizar la
capacidad de la red y su factibilidad para la
adaptación de nuevas cargas.
MARCO TEÓRICO
En esta sección se presentan algunos concep-
tos para realizar el monitoreo y control de un
sistema de generación distribuida, además
se muestran los protocolos de comunicación
existentes para vincular los dispositivos de
campo con el software ETAP-RT.
Simulación en tiempo real y gemelo digital
Un simulador en tiempo real debe ser capaz
de realizar cálculos de forma continua y en un
tiempo de procesamiento mínimo, con el fin de
sincronizar el tiempo de simulación con un reloj
de referencia [6]. Este procesamiento de datos,
tiene la característica de representar la diná-
mica en un sistema de potencia y emular con
precisión los tiempos de respuesta de la parte
física, los datos deberán ser presentados en un
tiempo aproximadamente igual que tardaría
el sistema real (Singh et al. 2015), a esto se le
denomina gemelo digital.
Un gemelo digital es una construcción virtual
de un objeto o proceso que simula el compor-
tamiento de un sistema real que se actualiza
con datos reales del sistema físico a lo largo de
un tiempo determinado y se puede aplicar a la
evaluación del estado del equipo de energía,
diagnóstico de fallas, inspección de imágenes
inteligentes, análisis del sistema de energía,
predicción de carga y análisis del comportamien-
to del usuario. Además, puede manejar los
eventos dominantes, como el cálculo del flujo
de potencia, el diagnóstico de cortocircuito
trifásico, la estrategia de control del equipo
y programación de operaciones optimizada
(Pan 2020).
• Monitoreo y control en los sistemas de
distribución
Conocidos como SCADA, permiten la identifi-
cación de medidas asociadas entre generación
y demanda, así como una amplia gama de
aplicaciones de control remoto, gestión de
equipos y activos asociados al sistema eléctrico.
Estos sistemas han evolucionado desde los
primeros en telemetría hasta los actuales
sistemas basados en protocolos de telecomu-
nicaciones (Singh et al. 2015). Los sistemas de
monitoreo y control eléctrico son primordiales
dentro de las redes inteligentes porque permi-
ten conocer y analizar el estado del sistema en
tiempo real. A continuación, se describen los
elementos que intervienen en este proceso.
• Arquitectura de redes inteligentes
Una red eléctrica inteligente se caracteriza
por: la participación de los consumidores, es-
tablecer un mercado de la electricidad con
nuevos servicios y productos, tener energía
con una alta calidad, capaz de una economía
basada en la comunicación, la computación y la
operación digital de la red que permite la ope-
ración eficiente sistemas con optimización de
los activos existentes y de los nuevos incorpo-
rados. Además, la autorrecuperación mediante
la anticipación y la respuesta ante los disturbios
ocurridos en la red que ofrece resistencia a los
ataques, ya sean naturales o provocados (Ramos
Guardarrama, Hernández Areu, and Silverio
Freire 2019).
12
• Sistema de Adquisición, Supervisión y
Control de Datos (SCADA)
La obtención de las mediciones se las realiza
bajo nivel de proceso mediante unidades de
terminales remotas y son transferidas al
central SCADA en un determinado tiempo.
Los componentes de un sistema SCADA son:
las Unidades Terminales Remotos (RTU) que
se encargan de la conexión directa entre los
medidores; las Unidades Terminal Master (MTU)
que se comunican con las terminales remotas y
los Sistemas de Comunicación que son el medio
de transferencia de datos entre el MTU y RTU.
• Protocolos de comunicación
La eficiencia de las microredes dependen de los
protocolos de comunicación que se utilizan, esto
permite que sea posible el intercambio de datos
entre un conjunto de dispositivos. En la Figura
1, se muestran los protocolos de comunicación
comúnmente utilizados en GD.
Figura 1. Protocolos de comunicación utilizados en SEP
Fuente: Isaac, Arias, and Bidó 2021.
Protocolos de
comunicación
Modbus IEC61850 DNP3 IC 60870-5
De acuerdo a lo anterior, es posible adquirir
datos mediante el uso de sistemas digitales las
medidas enviadas por los dispositivos de medida,
protección y control colocados a lo largo de los
circuitos (Isaac et al. 2021).
Ecuaciones de balance de potencia
Un flujo de potencia es la determinación de los
voltajes en los nodos, las corrientes y las pérdi-
das de potencia real y reactiva en las líneas, y
la generación que se requiere para satisfacer la
demanda de un sistema de potencia operando
en condiciones normales.
Un flujo de potencia es la determinación de
los voltajes y corrientes en los nodos, además,
de las perdidas existentes de potencia activa y
reactiva en los ramales (Bel 2012). La potencia
de generación debe ser igual la potencia necesa-
ria para satisfacer la demanda cuando el sistema
se encuentra operando en condiciones normales
y las pérdidas del mismo, como se muestra en las
Ecuaciones (1) y (2).
P
G
= P
D
+ P
P
(1)
Q
G
= Q
D
+ Q
P
(2)
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METODOLOGÍA
En este trabajo se toma como caso de estudio
un sistema de GD formado por la interconexión
de los módulos LN, denominado GD-LN, el siste-
ma está compuesto por centrales de generación
no convencionales como solar fotovoltaica, eólico
e hidráulica reversible, una línea de transmisión
de 150 km y tres consumidores. Para realizar
el control y monitoreo en ETAP-RT se diseña
un diagrama unifilar del sistema y se realiza la
configuración de los medidores e interruptores
con el módulo SCADA Integrator. Mientras que,
en MATLAB Simulink se crean diagramas de
bloques que simulan los elementos físicos. A con-
tinuación, se describen los criterios utilizados
para realizar el monitoreo y control del sistema.
Simulación del sistema de GD-LN
Para realizar el gemelo digital del sistema de
GD-LN se deben considerar las características
de los elementos del sistema como se indica en
la Tabla 1.
Tabla 1. Características del sistema de GD
Generación P (kW) Q (kVar)
Solar fotovoltaica 5,00 0,00
Eólica 5,00 0,00
Hidráulica reversible 16,00 40,00
Cargas
Consumidor I 4,00 0,00
Consumidor II 8,00 2,12
Motor 11,00 -3,20
Línea de transmisión Unidad
Resistencia 0,02
Inductancia 0,26
Susceptancia 6,05 /km
Longitud 150,00 km
En la Figura 2, se realiza la simulación de la microrred en ETAP-RT. Además, se considera un sistema
eólico y un sistema solar fotovoltaico con la finalidad de plantear posibles soluciones al sistema cuando
se produzcan contingencias.
14
Figura 2. Simulación del sistema de GD en el Software ETAP-RT
CAP1
1x4 kvar
CAP2
1x1.5 kvar
RED
18.187 MVAsc
Bus9
2.1 kV
Bus6
2.1 kV
Bus8
2.1 kV
CB6
CB4
CB5
WTG2
10 kW
CB2-3
CB2-3
MM2-3
16 kW
Gen1
C1
4 kVA
Mtr1
11 kW
Bus11
2.1 kV
Bus1
2.1 kV
Bus3
2.1 kV
Bus2
2.1 kV
MM2-9
MM1
CB8
CB3
PVA2
CB2
CB1
CB2-1
MM2-1
C2
8.27 kVA
CAP5
1x1.5 kvar
Arquitectura del sistema ETAP-RT
El sistema GD-LN está compuesto por elementos
de supervisión (SENTRON PAC-4200) y de
control (interruptores de potencia) los cuáles
se comunican a los sistemas SCADA y ETAP R-T
a través de la configuración de protocolos de
comunicación, en el caso de la medición se utiliza
Modbus TCP/IP a través de las direcciones IP
de los medidores, mientras que, para realizar el
control se utilizan las salidas digitales mediante
OPC UA de ETAP-RT. En la Figura 3, se puede
observar la arquitectura de control y monitoreo
del sistema de GD/LN en ETAP-RT.
Utilizando el software ETAP Real
time permite analizar la eficiencia a
través de la creación de una base
de datos en tiempo real ante la
presencia de diferentes
contingencias que se podrían
producir a futuro con la finalidad
de optimizar los sistemas.
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Figura 3. Arquitectura del sistema GD-LN en ETAP-RT
Barra Colectora
PC-SCADA Y ETAP
IP:192. 168. 168. 13
CO5127-1S.[02].[00] Digital input status I0
CO5127-1S.[03].[01] Digital output Q1
CO5127-1S.[02].[00] Digital output Q0
IP:192. 168. 168. 11
IP:192. 168. 168. 101
OPC UA
Servidor/Cliente
Modbus
Medidor Interruptor
ETAP REAL TIME
PC IP: 192. 168. 168. 101
Arquitectura del sistema en Simulink
Para obtener el control y monitoreo del sistema
de GD de manera remota, Matlab Simulink utiliza
el OPC que permite crear diagrama de
bloques. Para ello, se utiliza el módulo OPC Config.
que se comunica con los dispositivos
físicos, a través del sistema SCADA utilizando el
protocolo OPC . Mientras que, el bloque OPC
, lee las señales como estados del sistema y
OPC Write, escribe el valor de las señales leídas
y las muestra en un . En la Figura 4, se
indica la arquitectura del control y monitoreo en
MATLAB Simulink.
16
Figura 4. Arquitectura del sistema GD-LN en MATLAB/Simulink
OPC Conig.
Real -Time
OPC Conig.
Real -Time
OPC Read
Real -Time
Control
Monitoreo
OPC SERCER
MATLAB/Simulink
MATLAB/Si
mu
li
n
k
Configuración del software ETAP Real-Time
Para realizar el monitoreo y control en
tiempo real de la microred formada por los
módulos LN mediante ETAP-RT se configuró
ETAPUserAccessManager, en donde, se detallan
los roles entre el usuario y la PC. Luego, en
ETConfig se añade el esquema unifilar del sistema
en formato .OTI, donde se incluyen los módulos
LN. Las configuraciones del sistema como, base
de datos (SQL) y MongoDB. Después, en ETAP
SCADA Integrator se configuran las direcciones
IP de los dispositivos de campo que permiten
visualizar y manipular los elementos del sistema
de GD de manera remota.
Para que los dispositivos se comuniquen con
el software de simulación el ETAP-RT se utiliza
el ETAP SCADA Integrator, esta herramienta
permite asociar el modelo matemático con
los valores reales obtenidos de los medidores,
incorporando todos los elementos del sistema del
GD al software para poder controlar y monitorear
los parámetros del sistema eléctrico. Para integrar
los elementos a ETAP-RT se selecciona la opción
SCADA Integrator en la pestaña Real Time lo que
permite exportar el modelo del sistema hacia
una carpeta donde se guarda el proyecto como se
indica en la Figura 5.
Foto de Andrew Hall en Unsplash.
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Figura 5. Incorporación del sistema de GD al SCADA Integrator
Monitoreo de GD-LN en tiempo real
A continuación, en la Figura 6, se crea el
dispositivo de medición donde se añaden las
características como: Tipo de elemento, marca,
dirección IP y nombre del dispositivo, el nombre
del elemento aparecerá como hasta dependiendo
del número de medidores que se encuentren en
el sistema, además, se seleccionan las variables
que se desean monitorear mediante la dirección
IP. Finalmente, en la pestaña Commit Version se
selecciona la opción “Conectar” y” Aceptar”, para
que el dispositivo de campo quede integrado en
ETAP-RT.
Foto de Edvin Johansson en Unsplash.
18
Figura 6. Creación de los medidores para monitoreo en tiempo real del sistema de GD
Control de GD-LN en tiempo real
Para el control del sistema, se utilizan las en-
tradas y salidas digitales del medidor SENTRON
PAC-4200 que se encuentran conectadas a los
interruptores de potencia a través del protocolo
OPC UA de ETAP-RT y del OPC SERVER de LN
mismos que permiten conectar y desconectar
los elementos del sistema. A continuación, en
la Figura 7, se indican los dispositivos creados
para el control del sistema.
Figura 7. Creación de los medidores para e contol en tiempo real del sistema de GD
RESULTADOS
En la Tabla 2, se detalla el procedimiento para realizar el monitoreo y control en tiempo real del sistema
de GD formado por los módulos de LN, a través de los elementos físicos, las direcciones IP y el software
ETAP-RT.
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Tabla 2. Procedimiento para realizar el monitoreo y control de GD
Inicio
Interruptores y medidores (SentronPAC-4200)
(192.168.168.10), (192.168.168.11), (…), (192.168.168.n)
(192.168.168.20), (192.168.168.21), (…), (192.168.168.n)
3. Conectar a la red los dispositivos a través de Ethernet
Comunicación microrred-software
4. Simular la microrred-software
Gemelo digital
Integrator
6. Seleccionar el protocolo de comunicación
7. Accionar el
Fin
En la Tabla 3, se muestran los datos de voltajes y
potencias del sistema GD-LN que se monitorean
en tiempo real, estos valores se obtienen mediante
el software MATLAB Simulink y ETAP-RT. Aunque
los resultados provienen de una misma fuente de
medición, se evidencian variaciones relacionadas
con el instante de tiempo en el que se registraron
los valores medidos.
La ventaja de ETAP-RT
es que se pueden usar los
datos para realizar estudios
eléctricos avanzados
y crear un gemelo digital
del sistema físico.
20
Tabla 3. Mediciones del sistema de GD-LN obtenidas en tiempo real
Monitoreo en tiempo real del sistema de GD-LN
Punto de
medición
Software
Simulink ETAP-RT
V (kV) P (kW) Q (kVar) V (kV) P (kW) Q (kVar)
Barra Slack 2,03 16,67 -4,67 2,04 16,62 -4,09
Línea de
transmisión
2,01 3,87 -1,31 2,01 3,91 -1,29
Central
hidráulica
2,02 8,04 -3,91 2,04 8,18 -3,64
Consumidor I 2,02 3,73 0,01 2,08 3,79 0,01
Consumidor II 3,03 7,64 2,00 2,03 7,88 2,07
Motor 2,02 12,81 -5,57 2,04 12,54 -4,56
Luego, en la Tabla 4, se presenta el balance de
potencias del sistema de GD en donde son las
potencias generadas y las potencias demandas.
Por lo tanto, a través de la Ecuación 1 y de la
Ecuación 2, se obtienen pérdidas de potencia
activa de 0,60 kW y pérdidas de potencia reactiva
de 0,30 kVar respectivamente. Para realizar el
balance de potencias del sistema de GD, se debe
tener en cuenta la potencia reactiva propia de
las barras colectoras (1,4 kVAr). En el gemelo
digital se considera esta potencia por medio de
capacitores colocados en paralelo a las barras.
Tabla 4. Balance de potencias del sistema GD-LN
Elemento
Balance de potencias
P
g
(kW) Q
g
(kVar) P
d
(kW) Q
d
(kVar)
Red 17,50 0,00 0,00 -10,40
Generador
hidráulico
8,20 3,70 0,00 0,00
Consumidor I 0,00 0,00 -8,100 0,00
Consumidor II 0,00 0,00 -7,50 -1,30
Motor 0,00 2,10 -9,500 0,00
Barras 0,00 5,600 0,00 0,00
Total 25,70 11,40 -25,10 -11,70
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CONCLUSIONES
Es posible realizar el monitoreo y control de la
microrred en tiempo real utilizando el software
MATLAB Simulink, que se comunica a través
del OPC y diagramas de bloques (OPC
Config, OPC , OPC Write) que envían y reciben
las señales del sistema.
ETAP-RT utiliza la interfaz SCADA Integrator
para la comunicación mediante los protocolos
MODBUS para el monitoreo de los parámetros
eléctricos de la red y OPC UA para el control
de los interruptores de potencia. La ventaja de
ETAP-RT es que se pueden usar los datos para
realizar estudios eléctricos avanzados y crear un
gemelo digital del sistema físico.
En el balance de potencias se observa un valor
de pérdidas mayor en la potencia activa del
sistema de GD-LN, mismas que se producen por
las características de las cargas y la resistencia
que presenta la línea de transmisión. Mientras
que, las pérdidas en la potencia reactiva son
menores debido a la incorporación de los bancos
de capacitores que representan la capacitancia
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