Ethernet y ZigBee para aplicaciones de consumo y administración de energia

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    Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones Congreso 2010, Página 1 Ethernet y ZigBee para aplicaciones de consumo y administración de la energía Fabio León Suárez; Daniel Ocampo Valencia; Luis Alejandro Álvarez; Sergio Serna Instituto Tecnológico Metropolitano, Institución Universitaria Medellín Colombia Correo electrónico: {fabiosuarez;danielocampo;luisalvarez;sergioserna}@itm.edu.co  Abstract . La necesidad de reducir el consumo de energía se ha convertido en un tema de alto interés que obliga a trabajar constantemente en diversos proyectos de investigación. En este caso, se propone monitorear y controlar un motor con un micro controlador que difunde las medidas de corriente y factor de potencia sobre una red de sensores inalámbricos con tecnología ZigBee. Los datos recolectados por el micro controlador, de intensidad de corriente y factor de potencia, servirán para determinar la cantidad y calidad de la energía consumida por el motor. Adicionalmente, se creará un sistema de monitoreo y control desde un PC remoto, a través de un sitio web mediante una infraestructura de doble vía que cumple con las exigencias de una Smartgrid utilizando el perfil de energía Zigbee. El proceso de diseño y desarrollo del sistema se realizó utilizando técnicas de ingeniería de software 1.   Introducción Los sistemas de gestión de demanda implican avances tanto del lado del proveedor como del lado del consumidor. En países, como Colombia, donde las empresas de servicios públicos han permanecido estáticas con el correr de los años, se ve la necesidad de implementar soluciones del lado del consumidor, ya que intervenir estos tradicionales esquemas de generación o distribución de energía implicarían grandes inversiones, que las empresas de energía eléctrica pueden no estar dispuestos a acarrear. El factor de potencia viene siendo considerado un tópico de creciente importancia cuando se trata de especificar fuentes de energía y cuando se trabaja con equipos de telecomunicaciones y computadores ya que son considerados cargas no lineales. Por lo que ha sido necesario crear un conjunto de estándares que limiten el factor de potencia y la distorsión armónica en las líneas de potencia. En este articulo, se plantea una solución para la gestión de demanda energética utilizando un microcontrolador, una red de sensores inalámbrica y un servidor Web embebido. 2.   MARCO TEÓRICO a.   El sistema eléctrico de la próxima generación En contraposición al sistema eléctrico tradicional, el sistema de potencia de la próxima generación, se diferencia de su legendario antecesor ya que hace un uso intensivo de las TIC y de diversas tecnologías de  punta, similar a aquellas utilizadas en las redes de telecomunicaciones; y aunque el sistema tradicional de potencia no ha permitido un gran desarrollo de tecnologías innovadoras, la próxima generación se  presenta tan poderosa como Internet, y atrae la atención de las más grandes empresas a nivel mundial (1). A medida que las naciones se desarrollan industrialmente, el sistema de potencia empieza a  presentar fallas que obliga a los gobiernos a renovar la red del sistema eléctrico y considerar seriamente en mudarse a una nueva generación de la red eléctrica. La red inteligente o Smart Grid es un sistema que  permite comunicaciones doble vía entre el consumidor y la compañía eléctrica. En el sistema Smart Grid, la información del consumidor es  proporcionada a la compañía eléctrica con la intención de que ésta logre operar de la forma más eficiente posible. Además, de la operación eficiente, la compañía eléctrica puede también, controlar la demanda en un esquema distribuido que involucra, incluso, fuentes de energía renovable. Al instalar medidores inteligentes en el lado de la demanda, es  posible monitorear el uso de la energía y controlar la carga, buscando reducir las emisiones de dióxido de carbono (2). La propuesta que aquí se presenta incluye una red de sensores inalámbricos que permite difundir información acerca del consumo y calidad de la energía sobre una interface ZigBee-Ethernet, de tal manera que la información queda disponible en un servidor Web embebido que puede consultarse desde cualquier lugar del mundo. b.   Análisis en tiempo real   Controlar, monitorear y analizar la gran cantidad de información generada por el sistema de consumo en una red Smart Grid es una tarea cada vez más compleja. El análisis en tiempo real se ha vuelto una necesidad para lograr eficiencia operativa, por lo que se requieren dispositivos como computadoras y circuitos microcontrolados para la medición de los  parámetros de la red.    Congreso 2010. Página 2 Con los elementos de telecomunicaciones actuales y las opciones de visualización en sistemas embebidos, el análisis en tiempo real permitirá que los operadores gestionen, de forma bidireccional, la red de generación y distribución, y así mismo, aquella  porción de red después del contador de energía, que es la red del consumidor. Esto permitirá lograr una operación eficiente y permitirá anticiparse a posibles interrupciones en la prestación del servicio. Las herramientas necesarias para realizar monitoreo y control en línea de las diferentes etapas del sistema eléctrico (generación, distribución y consumo) ya se encuentran disponibles y se han vuelto indispensables  para mantener registros en bases de datos actualizadas con información acerca de usuarios, eventos y equipos de la red. Elementos como PCs, redes inalámbricas, enrutadores y servidores han  permitido emprender la transformación de la red convencional hacia la red inteligente de la próxima generación. c.   Gestión desde el lado de la demanda, DSM En muchos países de Europa y Norteamérica los  proveedores de energía están adoptando la gestión desde el lado de la demanda (DSM -- Demand Side Management) (3), ya que algunos de estos sistemas  permiten simular el racionamiento humano y realizar ciertas acciones de gestión a partir de un conjunto de reglas y datos suministrados por medidores inteligentes (4). Por ejemplo, en (5) se presenta un sistema que permite sólo el control del lado del usuario, utilizando una red cableada y un PC. La tendencia creciente en el consumo de recursos energéticos que presenta el sector industrial, tendrá serias implicaciones en los sistemas de generación, transmisión y distribución. Este consumo exige implementar gestión desde el lado de la demanda, como una estrategia para reducir el impacto sobre el sistema energético. DSM incluye actividades como  planeación, implementación, control y monitoreo que  pueden influenciar la magnitud de la carga y los  patrones de consumo. Igualmente, DSM incluye la  posibilidad de que la compañía eléctrica pueda interrumpir la carga para reducir la demanda cuando el sistema lo requiera (6). Los avances alcanzados por las TIC y la electrónica de potencia, permiten que la implementación de sistemas de gestión se encuentre al alcance tanto económica como tecnológicamente (7). Pero, pasar del sistema tradicional a un esquema de gestión en tiempo real, requiere de cambios regulatorios, instalación de equipos de medida y una infraestructura de comunicaciones entre la demanda y el proveedor (8). d.   Redes inteligentes (Smart Grids) La infraestructura de potencia eléctrica que ha  prestado servicios durante tantos años a una nación y que es conocida como la malla o la red, está llegando a sus límites. A nivel mundial se han encendido las luces en cuanto a los riesgos asociados con seguridad, confiabilidad y eficiencia de esta antigua armazón (9). De ahí, que la industria eléctrica se haya involucrado en la transformación de su modelo a una red menos centralizada que le permita interactuar con el usuario. Moverse a una red inteligente promete grandes cambios en todo el negocio y en el modelo de la industria que afectará relaciones con bienes, reguladores, proveedores de servicios energéticos, tecnología, y el mismo consumidor. La red inteligente o Smart Grid  , es un nuevo concepto para las redes eléctricas tanto en Europa como en Estados Unidos, que ha surgido para  beneficiar a todos los usuarios y compañías que realizan un consumo energético eficiente y como una respuesta necesaria a demandas de tipo ambiental,  político y social. Las redes inteligentes hacen un uso intensivo de nuevas tecnologías, productos y servicios para crear un sistema centrado en los clientes y alrededor del usuario final. De manera similar, las micro-redes o  Micro-Grids , aparecen para ofrecer servicios de potencia eléctrica para variados  propósitos, en comunidades de varios cientos de hogares con una demanda promedio de varios kWh  por día, que están conectados a redes de bajo voltaje. 3 Descripción del sistema Las redes de sensores inalámbricos son una tecnología emergente de bajo costo, que se presta  para monitoreo desatendido de un gran número de aplicaciones y en múltiples ambientes (10). El rápido  progreso en las investigaciones vuelca su atención recientemente sobre el estudio y manejo eficiente de energía, en la gestión de datos y en la generación de estándares que cumplan con la demanda generada por nuevas aplicaciones que requieren gran confiabilidad y seguridad (11). Los últimos avances en micro y nano electrónica han  permitido desarrollar dispositivos de tamaño reducido como microprocesadores, y tecnologías de radio de muy baja potencia que utilizan dispositivos en miniatura de bajo costo. Las redes de sensores inalámbricos se han beneficiado de estos avances (12) (13), y las tendencias actuales en la gestión y eficiencia energética representan un ambiente favorable para aplicar conceptos de redes para acceso remoto, con alta confiabilidad y seguridad. Características de este tipo se encuentran disponibles en el estándar IEEE 802.15.4 (14) y se espera que en el futuro se encuentren inmersas en los sistemas para gestión inteligente de energía “Smart Energy”, donde Zigbee ha propuesto su perfil de energía inteligente (10). Un sensor inalámbrico se caracteriza por su pequeño tamaño, su facilidad de sensar fenómenos ambientales por medio de de un conjunto de transductores y un radio con suministro de potencia autónomo. Los sensores actuales cuentan con micro controladores de bajo costo y memoria para    Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones Congreso 2010, Página 3 almacenar programas que le permitan interactuar con otros nodos y comunicarse con otras unidades cercanas en la red. El estándar IEEE 802.15.14 define las características físicas para acceder al medio de transmisión en una red inalámbrica de área personal de baja velocidad (Low-rate Wireless Personal Area, LR-WPAN) (14). Este tipo de redes son altamente confiables y seguras, de fácil instalación, pues no requieren cableado ni ductos, y de muy bajo costo. La capa física usa espectro disperso con secuencia directa (DSSS), en 16 canales en la banda de 2,450 GHz y modulación  por desplazamiento de fase en cuadratura con offset (O-QPSK). A la hora de transmitir información, los nodos deben conocer la ruta más adecuada para llegar a su destino. Por eso, cada nodo construye una tabla creada por un  protocolo de enrutamiento de vector-distancia por demanda, que le permite establecer el costo de todos los enlaces basado en la calidad de cada uno de ellos (15). a.   Software del Sistema Este es un sistema embebido con algunos requerimientos de tiempo real, ya que no es útil la información del factor de potencia si no llega dentro de límites de tiempo bien establecidos. El software del sistema se diseñó utilizando el lenguaje de modelado unificado (UML) (16) y el perfil UML para sistemas embebidos de tiempo real (MARTE) (17). Para la descripción completa del sistema se utilizaron tres diagramas de uso corriente en UML: diagrama de despliegue, diagrama de clases y diagrama de secuencias. El primero presenta la distribución física del sistema, indicando los nodos y dispositivos  presentes. El diagrama de clases muestra la estructura estática del sistema, donde se definen las clases que lo componen y las relaciones entre ellas. Por último, el diagrama de secuencias muestra el comportamiento dinámico que permite lograr el cometido de monitorear constantemente el factor de potencia. El sistema físico (véase Figura 1Figura 1: Diagrama de despliegue del sistema de gestión de la demanda) está compuesto por el browser, que se conecta a una LAN a través de una red Ethernet con tiempo típico de bloque de 1ms, y velocidad de transferencia de información de 100Mb/s. En el otro extremo de la conexión LAN se encuentra el servidor Web embebido, el cual está construido sobre un SBC (Single Board Computer), con todo el hardware necesario para la conexión con el módem ZigBee, a través del cual se consultará el nodo final donde se medirá el factor de potencia del motor. La comunicación entre el nodo coordinador ZigBee, ubicado en la SBC, y el nodo final ZigBee, ubicado en el motor se realiza sobre una WPAN con tiempo de bloqueo de 20ms y capacidad de transmisión de 250kb/s. El dispositivo medidor del factor de  potencia está conectado al backend del nodo final ZigBee. El diagrama de clases (véase ¡Error! No se encuentra el srcen de la referencia. ) muestra los artefactos software necesario para construir la aplicación de conectividad y medición del factor de  potencia sobre la carga. Las tres clases fundamentales son el Gateway Ethernet/ZigBee, el manejador de mensajes Ethernet y la medición del factor de  potencia. Estas clases se soportan sobre el stack TCP/IP, el cual permite comunicaciones Ethernet, el módem ZigBee, que trabaja en conjunto con el stack ZigBee para las comunicaciones inalámbricas, y el  paquete de comunicación serial que permite el manejo de este periférico con el fin de atacar el módem ZigBee. Es necesario tener en cuenta que mucho software del utilizado, fundamentalmente el referente a los aspectos de comunicación, son piezas previamente construidas, ya sea por terceros o por los autores  pero que sirven para propósitos generales. El diagrama de secuencias (véase ¡Error! No se encuentra el srcen de la referencia. ) muestra la interacción de los principales elementos del sistema, indicando las secuencias de las acciones, y en algunos casos restricciones de tiempo. Los primeros mensajes son de configuración del servidor Web embebido, el coordinado ZigBee y el dispositivo final ZigBee. Posteriormente vienen los mensajes para adicionar el nodo final a la red creada por el coordinador, y de esta forma crear la WPAN necesaria para la consulta remota del factor de  potencia. Luego de la solicitud de conexión del browser al servidor Web embebido, requiriendo a su vez el valor del factor de potencia, el servidor Web embebido solicita al nodo final ZigBee el valor medido, el cual responde en forma cíclica cada 5 segundos, lo cual se indica con las restricciones t   y t+5 . Esto permite que el browser se esté refrescando para el usuario con una frecuencia de 0.2Hz. b.   Hardware del sistema El prototipo, básicamente está compuesto de un sistema de adquisición de datos comandado por un micro controlador que ha sido diseñado como un sistema de control de factor de potencia para motores eléctricos (véase ¡Error! No se encuentra el srcen de la referencia. ). Este sistema cuenta con la circuitería necesaria para realizar el tratamiento y acondicionamiento de la señal de corriente, la cual es medida sobre una carga inductiva (motor) y que  permite calcular el desfase entre las señales de voltaje y corriente. Estos cálculos son realizados por el micro controlador, quien a su vez transmite los resultados de factor de potencia e intensidad de corriente a través de un puerto serial en formato ASCII. Los datos que genera el micro controlador ingresan a un modem ZigBee que se encarga de difundirlos sobre una red de sensores inalámbricos.    Congreso 2010. Página 4 Tal señal es capturada por un servidor Web embebido que contiene un módem ZigBee que hace las veces de Coordinador de la WPAN. De esta manera la información del sistema queda disponible para ser accedida a través de Internet. Disponer de los datos de corriente y factor de  potencia en un sitio Web da la posibilidad de realizar control sobre el motor desde cualquier PC. Es por eso que el prototipo cuenta con un banco de condensadores que permiten mejorar el factor de  potencia al alterar la carga reactiva y que puede ser controlado desde un host local o remoto utilizando un navegador Web. deployment DSM   Computador    Browser    «device,GaExecHost»   Embedded Web Server    «device,GaExecHost» Dispositivo Final   constraints   {commTxOvh=(100,ms/KB), commRcvOvh=(120,ms/KB)}   Stack TCP/IP   Stack ZigBee   Stack ZigBee   Gateway ZigBee/Ethernet   Medición FP   «device,GaCommHost»   WPAN   constraints   {blockT=(20,ms), capacity=(250,kb/s)}   «device,GaCommHost» LAN   constraints   {blockT=(1,ms), capacity=(100,Mb/s)}   «device»   Medidor FP   Figura 1: Diagrama de despliegue del sistema de gestión de la demanda Figura 2: Diagrama de clases del sistema de gestión de la demanda    Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones Congreso 2010, Página 5 Figura 3: Diagrama de secuencias del sistema de gestión de la demanda Figura 4: Esquema detallado del sensado del factor de potencia Para hacer posible la publicación y disponibilidad de la información registrada acerca del consumo del motor sobre una aplicación Web en tiempo real, fue necesario contar con un servidor Web embebido. El Servidor Web utilizado es una BL2600 Wolf de Rabbit, la cual es una SBC programable en Dynamic C con un procesador Rabbit 3000, operando a 44.2MHz. Incorpora 512KBytes de memoria flash y 512KBytes de RAM estática. Cuenta con entradas y salidas digitales de propósito general, entradas y salidas análogas de corriente y voltaje, puertos seriales RS-232   /RS-485 y un puerto RJ-45 siguiendo el estándar IEEE 802.3, el cual soporta el protocolo de comunicación Ethernet a 10/100Mbps. La BL fue programada con toda la pila de protocolos TCP/IP proporcionado por Rabbit, con servicios DHCP (  Dynamic Host Configuration Protocol  ) y HTTP (  Hypertext Transfer Protocol  . Se diseñó una página en HTML la cual es la interfaz entre el usuario, que se encuentra en cualquier parte del mundo, y una red tipo WPAN con tecnología ZigBee diseñada específicamente para capturar datos acerca del consumo y el factor de potencia registrado  por un motor. Esta página fue importada dentro del código fuente de la BL, mediante sentencias en Dynamic C, y gracias al protocolo HTTP, éste descarga los comandos al navegador Web quien los
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