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INFRAESTRUCTURA DE MEDICION

AVANZADA PARA MICRORREDES

ELECTRICAS

Autor

Tatiana Morales Vega

Tutores

Francisco Santamaría Piedrahita, Ph.D

César Leonardo Trujillo, Ph.D

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones

Énfasis en Teleinformática

Bogotá, Colombia

febrero de 2018

INFRAESTRUCTURA DE MEDICION AVANZADA PARA MICRORREDES ELECTRICAS

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Tabla de Contenido

Resumen .............................................................................................................................. 8

Palabras Clave ..................................................................................................................... 8

1. INTRODUCCION ........................................................................................................... 9

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................... 9

2. Objetivos ...................................................................................................................... 13

2.1 Objetivo General .................................................................................................. 13

2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................... 13

3. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 14

3.1 MICRORREDES ELÉCTRICAS ........................................................................... 14

3.2 Gestión de la Energía en Microrredes .................................................................. 16

3.2.1 Sistema de Gestión en microrredes .............................................................. 16

3.2.2 Estrategias de gestión para el sistema de gestión en microrredes ............... 17

4. ARQUITECTURA DEL SISTEMA AMI ........................................................................ 19

4.1 MÓDULOS DEL SISTEMA AMI ........................................................................... 19

4.1.1 Unidad de medida ......................................................................................... 20

4.1.2 Unidad concentradora ................................................................................... 20

4.1.3 Sistema de gestión y operación .................................................................... 20

4.1.4 Sistema de comunicaciones ......................................................................... 21

4.1.5 Interfaces del sistema AMI ............................................................................ 23

4.1.6 Seguridad ...................................................................................................... 26

4.2 REQUISITOS PARA EL SISTEMA AMI ............................................................... 26

4.2.1 Requisitos de la unidad de medida ............................................................... 26

4.2.2 Requisitos de la unidad concentradora ......................................................... 31


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4.2.3 Requisitos del sistema de gestión y operación ............................................. 32

4.2.4 Requisitos de comunicaciones ...................................................................... 33

4.2.5 Requisitos de seguridad ................................................................................ 35

5. IMPLEMENTACION Y PRUEBAS ............................................................................... 39

5.1 IMPLEMENTACION AMI ...................................................................................... 39

5.1.1 Unidad de Medida ......................................................................................... 39

5.1.1 Módulo de seguridad ..................................................................................... 45

5.1.2 Módulo de comunicaciones ........................................................................... 46

5.1.3 Unidad concentradora ................................................................................... 47

5.1.4 Sistema de gestión y operación .................................................................... 48

5.2 PRUEBAS DEL SISTEMA AMI ............................................................................ 51

5.2.1 Pruebas de la Unidad de medida .................................................................. 53

5.2.2 Pruebas de comunicaciones ......................................................................... 58

5.2.3 Prueba de seguridad ..................................................................................... 61

6. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 67

7. LINEAS FUTURAS ...................................................................................................... 68

8. REFERENCIAS ........................................................................................................... 69

9. ANEXOS ...................................................................................................................... 72

9.1 Características eléctricas de los sensores ........................................................... 72

9.2 Diagramas circuitales de la unidad de medida ..................................................... 74

9.3 Código pruebas AES ............................................................................................ 77

9.4 Código encriptación .............................................................................................. 81

9.5 Código del dispositivo de procesamiento dsp ...................................................... 83


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Listado de Figuras

Figura 1. Esquema de una microrred [21] .......................................................................... 15

Figura 2. Arquitectura del sistema AMI ............................................................................... 19

Figura 3. Modelo ISO-OSI de referencia de siete capas .................................................... 24

Figura 4. Flujo de datos y señales de control en una microrred ......................................... 34

Figura 5 Esquema general del ataque MINM ..................................................................... 37

Figura 6.Módulos del sistema AMI implementado .............................................................. 39

Figura 7 Módulo Medidor .................................................................................................... 40

Figura 8. Vista frontal de la etapa de sensores del medidor .............................................. 40

Figura 9. Diagrama de bloques de la sección de acondicionamiento de la señal de tensión

............................................................................................................................................ 41

Figura 10.Diagrama de bloques del acondicionamiento de la señal de medición de

frecuencia. .......................................................................................................................... 42

Figura 11.Diagrama de bloques del acondicionamiento de la señal de corriente. ............. 42

Figura 12. Diagrama de bloques del acondicionamiento de corriente para generar PWM 43

Figura 13.Diagrama de bloques para la obtención del PWM del ángulo de desfase. ........ 44

Figura 14.Vista frontal del módulo de acondicionamiento de señales y procesamiento de

datos ................................................................................................................................... 45

Figura 15 Composición del sistema de seguridad del AMI ................................................. 45

Figura 16 Etapas del sistema de comunicaciones ............................................................. 46

Figura 17.Vista frontal módulo de comunicaciones ............................................................ 47

Figura 18. Composición de la unidad de medida ............................................................... 47

Figura 19. Diagrama de flujo del algoritmo de toma de decisión del sistema de gestión y

operación ............................................................................................................................ 49

Figura 20 Esquema del sistema AMI sobre la microrred .................................................... 52

Figura 21.Topología de la unidad de medida del sistema AMI sobre la microrred ............. 52

Figura 22 Disposición de los módulos para las pruebas del medidor ................................ 53

Figura 23. Montaje de los medidores AMI para pruebas de las unidades de medida,

concentrador ....................................................................................................................... 54

Figura 24 Módulos de gestión y operación ......................................................................... 56

Figura 25. Composición de la trama de datos de la unidad de medida .............................. 56

Figura 26. Método de captura de datos para el sistema AMI ............................................. 57


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Figura 27 Prueba del módulo de comunicaciones .............................................................. 58

Figura 28. Medición del espectro radioeléctrico en la banda de 868.5 MHz (LoRa) .......... 59

Figura 29 Topología de la red LoRa en estrella para las pruebas de comunicaciones ...... 60

Figura 30 Prueba de seguridad .......................................................................................... 61

Figura 31 Descripción del certificado SSL .......................................................................... 62

Figura 32 Archivo de clave pública RSA ............................................................................ 63

Figura 33 Lectura del mensaje en el servidor ..................................................................... 64

Figura 34 velocidad promedio de autenticación ................................................................. 65

Figura 35 Mensaje de prueba y su velocidad promedio de envío. ..................................... 66

Figura 38 Diagrama circuital del módulo de sensores ........................................................ 74

Figura 39 Diagrama circuital del circuito de acondicionamiento y protección .................... 75

Figura 40 Diagrama circuital del dispositivo de procesamiento DSP ................................. 76


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Listado de Tablas

Tabla 1 Referencias normativas para los requisitos metrológicos de la Unidad de Medida

............................................................................................................................................ 28

Tabla 2 Componentes utilizados en la unidad de medida .................................................. 41

Tabla 3 Componentes utilizados en la unidad concentradora ............................................ 51

Tabla 4 Comparación tensiones de entrada vs unidad de medida ..................................... 54

Tabla 5 Comparación corrientes de entrada vs unidad de medida .................................... 55

Tabla 6 Resultados del delay y PDR para el transmisor de la unidad de medida .............. 60

Tabla 8-1. Características del transductor de corriente LEM (LTSR 25-NP). ..................... 72

Tabla 8-2. Características del transductor de tensión LEM (LV-25P). ............................... 73


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RESUMEN

En este proyecto se diseñaron e implementaron los elementos estructurales de una

Infraestructura de Medición Avanzada para microrredes eléctricas, atendiendo los

requisitos y recomendaciones principales plasmados en la norma NTC 6079 de 2014. Los

dispositivos de medición, adquisición y transmisión de datos implementados realizan las

funciones de monitoreo de los elementos de generación y consumo en una microrred, que

son administrados por un sistema de gestión y operación ubicado en un dispositivo

concentrador, éste a su vez mantiene el balance de potencia entre las fuentes y las cargas

para la asignación de conexión/desconexión de dispositivos en la microrred. Establecidos

los elementos estructurales del sistema AMI, al sistema se le realizaron dos tipos de

pruebas, la primera orientada al funcionamiento de la unidad de medida, transmisión de

datos y el sistema de gestión; y la segunda con la validación del funcionamiento del sistema

de seguridad.

PALABRAS CLAVE

Generación Distribuida, Microrredes Eléctricas, Fuentes No Convencionales de Energía,

Sistema de Medición.


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1. INTRODUCCION

Las microrredes eléctricas surgen como solución a la generación de energía en el mismo

lugar de consumo, incluyendo las zonas donde no hay conexión a la red eléctrica

convencional. Se hace uso de la generación distribuida involucrando fuentes no renovables

para mantener la autonomía en el servicio. Debido a que los recursos disponibles no son

continuos como la generación eólica y la radiación solar, hacen que la intermitencia en la

generación sea común y más acentuada en zonas apartadas. La forma de realizar un

balance adecuado entre la generación y consumo, requiere del uso de modelos de gestión

de energía apoyados en las tecnologías de la información y comunicaciones que permitan

tener actualizado en tiempo real el estado de los elementos de la microrred.

De esta forma, los grupos de investigación LIFAE, GCEM y GITUD han desarrollado

diversos proyectos aplicados a microrredes eléctricas con la financiación del Centro de

Investigaciones y Desarrollo Científico (CIDC), con el propósito de tener una infraestructura

eléctrica con diferentes fuentes no renovables y cargas controladas, formando

investigadores desarrollando proyectos en Control, Gestión Energética, Comunicaciones y

Electrónica de Potencia que permitan ser un referente nacional en el área.

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Recientemente ha sido aceptado he implementado en todo el mundo el concepto de

microrred, debido a sus características de mejor utilización de energía, reducción de la

demanda, y el uso extendido de fuentes renovables de energía. Estas son utilizadas junto

a sistemas avanzados de potencia con funciones automáticas de monitoreo, diagnóstico y

reparación. En ellas la medición de varios parámetros se ha convertido en una tarea crucial

[1] ya que varias circunstancias cambian los parámetros de la red, tales como fluctuaciones


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en la demanda, defectos en transformadores, aparición de armónicos, perturbaciones

atmosféricas, etc [2]. Las redes eléctricas del futuro son sistemas inteligentes de suministro

de energía que soportan integración de potencia (plug and play) y servicios de información

y seguridad. Poseen un amplio rango de atributos que les permite hacer frente a la

distribución de flujo de potencia, entrega intermitente de energía, fallos en las líneas de

transmisión, sistemas de almacenamiento de energía, comandos y control de la

infraestructura para lograr mayores eficiencias [3]. Esto se logra con el desarrollo de una

infraestructura avanzada de medición (AMI por sus siglas en ingles), sin embargo, las

investigaciones enfocadas al desarrollo de AMI, hasta ahora están empezando. Por lo

general, los dispositivos AMI deben comunicarse con los demás dispositivos a través de

varios protocolos de comunicaciones, medios físicos, y túneles seguros; así como transferir

los datos siguiendo políticas o protocolos de seguridad, ya que ataques a la seguridad

debido a errores de configuración o a violaciones de restricciones tienen el potencial de

causar daños críticos, incluyendo cortes de energía y destrucción de equipos [4].

En una microrred se realizan dos actividades primordiales, como lo son la gestión de los

recursos energéticos [5] y el control en los equipos de conversión de energía [6], orientados

a mantener el balance de la energía generada por las fuentes y su consumo en las cargas.

En ese sentido el sistema se torna inteligente en la medida que pueda identificar la demanda

y se logre asignar los recursos energéticos disponibles en tiempo real prolongando así la

autonomía de la microrred [7].

Las fallas en el servicio energético en una microrred aislada están ligadas a la desatención

de la demanda [8], debido a la falta de recursos energéticos disponibles, requiriendo así del

suministro de energía de la red eléctrica convencional cambiando al modo de operación

interconectado [9]. Por otro lado, el desconocimiento de eventos inesperados como

sobretensiones, huecos de tensión, exceso de generación entre otras, hacen que el sistema

no opere adecuadamente [10].

Aunque existen sistemas de medición y monitoreo convencionales, como los SCADA, estos

no reúnen los requerimientos de disponibilidad y persistencia de la información, incluso no

cuentan con sistemas de comunicaciones eficientes y redundantes para la transmisión de

los datos que le permitan al sistema de gestión tomar decisiones para la

activación/desactivación de fuentes y la conexión/desconexión de cargas en una microrred


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en tiempo real. La mejor forma de identificar el comportamiento de la demanda y el de las

fuentes de generación, consiste en realizar la medición de los niveles de tensión, corriente,

fase, frecuencia y potencia; parámetros que también son utilizados en los sistemas de

control.

Esto hace necesario establecer una infraestructura de medición avanzada que registre las

variables mencionadas y se transmitan a través de esquemas de comunicaciones que

recolecten estas medidas constantemente en una microrred. El sistema de

comunicaciones debe cumplir con los requerimientos básicos de una infraestructura de

comunicaciones como lo son la seguridad, tiempos de retardos bajos, confiabilidad y

escalabilidad [11]. Además de esto, si se tiene en cuenta que el esquema de operación de

una microrred es dinámico [12], los dispositivos de medición avanzada deben permitir la

aplicabilidad del esquema de control que esté operando en el momento. Esto influenciará

sobre los cambios de topología y los requerimientos de tráfico para el intercambio de

información y control. Una interacción que no se encuentre alineada dentro de los

elementos de la microrred por causa de un sistema de medición obsoleto y con sistemas

de comunicaciones poco robustos, generará inestabilidad en la operación de la microrred

ocasionando una falla en el servicio [13].

Hoy en día las Smart Grid (SG) son la última tendencia en el desarrollo y revolución de los

sistemas de energía eléctrica [14]. La comisión europea, USA, China, Japón, Corea del sur,

Australia, Tailandia y otros países, han estudiado e investigado intensamente para

conseguir adelantos tecnológicos en esta área [15], [16]. La mayor parte del trabajo

inteligente de una SG ha sido logrado en las redes de distribución y en el lado del usuario.

Aparte de eso, la instalación de una infraestructura avanzada de medición (AMI) es

considerada como un puente hacia la construcción de SG. Los innegables beneficios de los

sistemas AMI incluyen una reducción en el proceso de recolección y medición de datos,

tarea que típicamente es realizada por humanos. Además, las características anti-

manipulación como el servicio remoto de conexión/desconexión puede realizarse en el

sistema AMI [17].

En la última década, los sistemas de comunicaciones en redes eléctricas se centran

en los medidores inteligentes, los colectores de información y otros dispositivos de

gestión de consumo de energía. Mediante estos, los usuarios y proveedores tienen acceso


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en tiempo real a la información histórica y actual de cantidad de carga, consumo, perdidas,

caída de energía, flujo de energía y facturación de los usuarios asociados a la red,

comprendido en un marco propuesto como AMI [14].

En una microrred hay servicios que involucran innovación y eficiencia en el manejo de

energía, que ofrecen confiabilidad operacional y ventajas de valor agregado para clientes y

proveedores de energía. El mercado potencial para las microrredes muestra que harán

parte de la más amplia y critica infraestructura desplegada en el siglo 21 [18]; de la cual la

AMI es su principal componente, ya que a diferencia de las redes tradicionales, las redes

inteligentes del futuro están compuestas por diversos dispositivos que hacen parte de la

AMI, tales como medidores inteligentes, colectores inteligentes de datos, sistemas de

cabecera, hosts, routers, firewalls, etc [18]. Debido al gran impacto que tienen las

infraestructuras avanzadas de medición en el desarrollo de las redes inteligentes de

suministro de energía eléctrica del futuro, y en el desarrollo de microrredes eléctricas, la

inversión en investigación para el desarrollo de AMI es prioritaria ya que:

De las experiencias operacionales en otros países con AMI se han encontrado muchas

ventajas, sin embargo, su construcción no es fácil debido a la compleja comunicación

entre los millones de medidores de potencia y que las investigaciones enfocadas al

desarrollo de AMI recién están comenzando.

Los métodos para tratar los cortes de energía por parte de las compañías son limitados

prácticamente por los sensores y la información disponible que generalmente se obtiene

de sistemas SCADA (supervisory control and data adquisition), conectados a las

subestaciones. Por definición, un sistema AMI es el único sistema en el cual todos los

segmentos de la línea y las subestaciones de todo el sistema son detectables.

Las microrredes son el resultado de la actualización de redes de energía a lo largo de los

últimos 20 años, y han sido promovidas por varios gobiernos como una manera de

encaminarse hacia la independencia energética, combatir el calentamiento global y resistir

emergencias.


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2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar una Infraestructura de Medición Avanzada para la gestión de los

recursos energéticos en una microrred.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar el análisis de requerimientos para la operación de una microrred eléctrica

en términos de adquisición, procesamiento y transmisión de datos e identificar sus

posibles fallos.

Diseñar e implementar los nodos sensores/actuadores que realicen la adquisición,

procesamiento y transmisión de tensión, corriente, frecuencia, fase y potencia en

los elementos que hacen parte de una microrred eléctrica.

Diseñar e implementar un sistema de gestión energética que a partir de los datos

generados en los nodos sensores/actuadores realice el balance de energía entre la

generación y consumo.

Analizar y evaluar la Infraestructura de Medición Avanzada propuesta en términos de

latencia, pérdida de paquetes y Jitter que garantice la operación de la microrred.


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3. MARCO TEÓRICO

3.1 MICRORREDES ELÉCTRICAS

Una microrred puede definirse como la interconexión de dispositivos de almacenamiento

de energía, recursos energéticos distribuidos (DERs), y cargas dentro de límites definidos

y que actúa como una entidad individual y controlable. Las microrredes están pensadas

para proveer servicio eléctrico confiable cuando están conectadas al sistema de energía

eléctrica, cuando operan como una isla eléctrica [19], y durante la transición entre estos dos

estados. El sistema de control de la microrred debe ser estable en estos tres modos de

operación: conectado a la red, aislado de la red (isla), y transiciones entre los dos estados

anteriores. El sistema de control de la microrred debe tener autoridad sobre suficientes

recursos (capacidad de generación, capacidad de almacenamiento electroquímico o

electromecánico, herramientas para gestión de carga, etc) disponibles para proveer servicio

bajo condiciones de aislamiento por un periodo predeterminado de tiempo. Bajo

condiciones de estado estable es deseable el despacho a uno o varios objetivos [5].

Los DERs cuya potencia provienen del viento o el sol son atractivos porque la energía

creada reemplaza la generación de combustible fósil, y en general contribuye a la reducción

de emisiones de gases de efecto invernadero. Las pérdidas en la transmisión, distribución

y en sistemas eléctricos secundarios también son reducidas. La reducción más significativa

de perdidas ocurre en las plantas de energía fósil donde cerca del 60% de la energía

química es liberada en cuerpos de agua o en la atmosfera [20].

En la figura 1, se muestra la estructura de una microrred, incluyendo un dispositivo de

almacenamiento de energía, DERs tales como turbinas de viento y paneles solares, una

micro turbina generadora, y una carga que puede ser la combinación de cargas

comerciales, residenciales, o industriales. En el modo conectada a la red, una microrred

opera en paralelo con el sistema de energía eléctrica; también se pueden integrar múltiples

microrredes con la red general, donde cada microrred es vista como una parte integral del

sistema de distribución, este podría ser un ejemplo de una SG.


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Figura 1. Esquema de una microrred [21]

En el modo aislado, la microrred es desconectada de la red general y alimenta solamente

cargas en los límites de la microrred. Un sistema autónomo de control debe mantener la

tensión y la frecuencia dentro de los límites predefinidos. El modo de transición entre

conectado y aislado de la red general, ocurre cuando el sistema de energía eléctrica deja

de estar disponible. Cuando la microrred está operando en modo aislado y el sistema de

potencia vuelve a estar disponible, el sistema de control debe sincronizar y conectar los

sistemas.

Los sistemas expuestos anteriormente son concebidos para operar en microrredes

eléctricas que manejan niveles de potencia media y baja. Sin embargo, la autonomía de

operación depende de una infraestructura que permita realizar mediciones, analizar los

datos, tomar decisiones en instantes de tiempo cortos. Para esto es necesario establecer

estrategias de gestión que faciliten la gestión y operación de la micorred soportado en una

infraestructura de medición inteligente. Es por esta razón que uno de los objetivos del

presente proyecto se centra en el hecho diseñar e implementar una infraestructura de

medición avanzada que permita la gestión de recursos energéticos en una microrred.


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3.2 GESTIÓN DE LA ENERGÍA EN MICRORREDES

Los programas de la gestión de la demanda de energía se diseñan con el propósito de

reducir el consumo de energía total y la reducción en la curva de la demanda de energía.

Por lo que la eficiencia energética, la conservación de la energía y la respuesta a la

demanda hacen parte de la estrategia para la reducción de la demanda de energía,

requiriendo un trabajo coordinado para que sean eficientes. Dado que la generación

distribuida presenta un flujo bidireccional de energía debido a la forma de generación y la

aparición de nuevos actores del mercado que generan y consumen su propia energía,

obligan a plantear estrategias de gestión más flexibles.

El uso de medidores inteligentes en los sistemas de gestión de energía, incluyen al

consumidor como un elemento controlable, facilitando realizar una regulación de la curva

de generación en usuarios residenciales e industriales. Para esto, el sistema de gestión de

energía se centra en maximizar cinco aspectos clave: seguridad, disponibilidad, eficiencia,

productividad y sostenibilidad [22]. Las estrategias de control y operación de una microrred

pueden ser muy diferentes a las empleadas en los sistemas de potencia convencionales,

por ejemplo en las fuentes de energía y cargas distribuidas con las características en estado

estable y dinámicas, su conexión y desconexión inmediata a la microrred, así como en los

sistemas de almacenamiento de energía que utilizan los excedentes de energía.

3.2.1 Sistema de Gestión en microrredes

Se utiliza para administrar y operar una microrred automáticamente, de tal forma que al

presentarse una falla en la red externa, la microrred se desconecta automáticamente,

operando en modo isla. Las estrategias de control en este modo, mantienen estables la

frecuencia y en la microrred, de lo contrario, la microrred saldría de operación. Al momento

de superar la falla, la microrred automáticamente retorna al modo conectado a red.

Teniendo en cuenta los parámetros de operación de la microrred, las principales tareas del

sistema de gestión de energía relacionadas en [23] son:

Recopilar la información de los equipos de la microrred, incluyendo los tipos, las

limitaciones, el costo inicial y los ciclos de mantenimiento de las unidades

generadoras, y los efectos sobre el medio ambiente, entre otros.


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Con base en pronósticos meteorológicos exactos, hacer el mejor uso de las energías

renovables para reducir la contaminación de los generadores convencionales.

Determinar la cantidad de energía intercambiada cuando la microrred está conectada

a la red externa, y ajustar los niveles de potencia y tensión de cada GD para

garantizar la estabilidad de la frecuencia de la microrred cuando opere de manera

aislada.

Estabilizar la microrred durante la transición entre el modo conectado a la red y el

modo isla.

Proporcionar una estrategia sencilla para que sea conveniente para los clientes

participar en el mercado eléctrico de las microrredes y puedan compartir sus

beneficios. En relación con los precios de la energía en el mercado, los beneficios de

los productores, consumidores y las empresas de energía pueden ser equilibrados.

3.2.2 Estrategias de gestión para el sistema de gestión en microrredes

La producción de potencia activa y reactiva debe ser compartida entre todas las unidades

de fuentes de energía distribuida; por lo que se debe asignar referencias de potencia real y

reactiva, y también otras señales de control apropiadas para las fuentes renovables de

energía, las fuentes convencionales y las cargas controlables.

3.2.2.1 Gestión de la energía a largo plazo y balance de potencia a corto

plazo

La gestión de la energía a largo plazo incluye la predicción de los recursos disponibles

provenientes delas fuentes de energía distribuida para cada hora e incluye la dependencia

temporal de la fuente principal, los impactos ambientales, y el costo de la generación.

También la gestión de cargas controlables que pueden ser conectadas/desconectadas de

acuerdo con los requerimientos del sistema; la provisión de un nivel de capacidad de

reserva de energía acorde con el mercado eléctrico y el pronóstico de demanda de carga.

Por otro lado, el balance de potencia a corto plazo incluye: la regulación de la tensión RMS

y control de la frecuencia fundamental; el despacho de potencia en tiempo real entre las

fuentes internas del sistema de energía distribuido. El sistema de supervisión energética

está compuesto por un sistema central, que abarque toda la microrred para la gestión de la


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energía a largo plazo y otro antes de la carga, que realice el balance de potencia en corto

tiempo..

3.2.2.2 Sistema de Gestión de la energía en regiones apartadas

Una de las características más importantes de las microrredes eléctricas es su capacidad

de operar y suministrar electricidad a regiones remotas o de difícil acceso, en donde no

llega el sistema interconectado. En este sentido la alternativa de implementar una microrred

en regiones apartadas es aprovechar los recursos renovables distribuidos en el área con

objetivos claros como: reducir al mínimo el uso de combustible diésel, entregar puntos de

ajuste para las fuentes de generación, incluyendo el banco de baterías, enviar señales a

los consumidores que promueven cambios de comportamiento.

4. ARQUITECTURA DEL SISTEMA AMI

La arquitectura del sistema AMI está compuesta por diferentes módulos que varían según

el diseño del fabricante y las tecnologías utilizadas por cada entidad prestadora del servicio.

En la figura 2 se muestra en diagrama de bloques la arquitectura del sistema AMI.

Figura 2. Arquitectura del sistema AMI

4.1 MÓDULOS DEL SISTEMA AMI

Según la norma NTC 6079 del 2014, la arquitectura del sistema AMI se estructura en cinco

módulos: unidad de medida, unidad concentradora, sistema de operación y gestión,

comunicaciones y seguridad.


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4.1.1 Unidad de medida

Es la encargada de realizar la medición de la energía eléctrica, visualizarla y realizar la

acción de conexión/desconexión. El medidor de energía tiene las funciones básicas de

medir y/o registrar la energía eléctrica recibida o suministrada a través de un dispositivo que

realice la medición de forma directa con un transformador de medida o indirecta empleando

sensores. El visualizador muestra la energía registrada por el medidor, que puede

encontrarse incorporado al medidor de energía eléctrica o como dispositivo externo.

Finalmente, el dispositivo de conexión/desconexión es capaz de interrumpir y restablecer

el flujo de energía eléctrica operado por medio de un comando enviado a través de la unidad

de medida o de la unidad concentradora.

4.1.2 Unidad concentradora

Es un elemento intermedio entre la unidad de medida y el sistema de gestión y operación,

que opera como puerto de enlace (pasarela) o como puerto de enlace y almacenamiento,

sin embargo, no es un componente esencial de un sistema AMI, ya que la comunicación

podría darse directamente dependiendo del tipo de tecnología utilizada.

Tiene como tareas administrar los enlaces de comunicaciones con los medidores, el

intercambio de datos con el medidor de energía, comunicarse con el sistema de gestión y

operación y proporcionar datos a otros sistemas (opcional). Está compuesta por el

concentrador, los mecanismos de operación y mantenimiento del concentrador.

El concentrador también tiene funciones de puerta de enlace para los medidores, toma de

información y envío de comandos hacia las unidades de medida, transmisión de datos

almacenados al sistema de gestión y operación. Apoya el acceso desde el sistema de

gestión y operación a los medidores, para la toma de lecturas, histórico de consumo o el

envío de comandos.

4.1.3 Sistema de gestión y operación

El sistema de gestión y operación permite controlar, administrar y gestionar toda la

información relacionada con la medición del consumo de energía de los usuarios. También

está a cargo de la configuración, control, operación y mantenimiento de los componentes


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del sistema. Dentro de sus funciones está el tratamiento de eventos y alarmas, y la

administración y operación de todas las comunicaciones del sistema.

4.1.4 Sistema de comunicaciones

El sistema de comunicaciones garantiza el flujo de información entre todos los componentes

del sistema AMI, emplean diversas interfaces y protocolos de comunicaciones para el

intercambio de información. Los enlaces de comunicaciones utilizados se clasifican en

cableados e inalámbricos.

4.1.4.1 Enlaces cableados

Son empleados por los medios de transmisión metálicos (cable) o dieléctricos (ópticos) y le

corresponde a los estándares de comunicaciones el uso de la interfaz eléctrica como medio

de transmisión, ejemplo RS-232, RS-485, ModBus, Ethernet, PSTN.

Muchos controladores y medidores emplean interfaces de comunicaciones serial por

simplicidad y su funcionalidad Maestro/Esclavo. Inicialmente se adoptaron los estándares

seriales RS-232 y RS-485 para realizar la interconexión de dispositivos y periféricos

sencillos, muchos fabricantes adoptaron los controladores seriales UART, SPI e I2C como

estándares para el despliegue y facilidad de uso de sus tecnologías.

Los medios de transmisión cableados tienen dos importantes limitaciones como son la

flexibilidad y la escalabilidad, por ejemplo utilizar PLC implica el uso de puentes o bridges

alrededor de los transformadores para pasar los datos y el ancho de banda disponible es

bajo (20 kbps); adicionalmente son dependientes de la estructura de la red a sensar [24].

Finalmente, las necesidades de velocidad y ancho de banda hicieron que se evolucionara

a la interfaz Ethernet (TCP/IP) y a la Fibra Óptica, brevemente descritos a continuación:

Ethernet,IEEE802.3:2005/Cor2‐2007

Este estándar puede alcanzar velocidades de 10 Mbps, 100 Mbps y 1 Gbps. La facilidad de

instalación y configuración son una de sus ventajas, sin embargo, el alto costo y los

requerimientos de energía no son convenientes para la conexión de todos los medidores

en una red tipo HAN.


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FibraÓptica

La fibra óptica últimamente se ha usado en aplicaciones de redes inteligentes como en el

backbone de comunicaciones, interconectando subestaciones con centros de control. Esto

debido a las principales ventajas de usar esta tecnología como lo son: inmunidad al ruido e

interferencia electromagnética, proveer anchos de banda del orden de los Gbps para largas

distancias del orden de los kilómetros. Empleando un tipo de cable óptico especial (Optical

Power Ground Wire, OPGW) en las líneas de transmisión y distribución, se tiene la

funcionalidad de puesta a tierra y transmisión de datos a grandes distancias con tasas de

transferencias altas.

4.1.4.2 Enlaces inalámbricos

La característica de alta escalabilidad hace que las redes de comunicaciones inalámbricas

sean un buen candidato para la transferencia de datos en una microrred rural y aislada.

Esto debido a que el uso de enlaces físicos para el despliegue y diseño de la infraestructura

de comunicaciones se torna complejo a medida que aumenta la cantidad de nodos, las

condiciones ambientales adversas en zonas desérticas, selváticas y húmedas.

A continuación, se mencionan varias tecnologías de enlaces inalámbricos que podrían ser

implementados en el sistema AMI:

XBee/LoRa,IEEE802.15.4:2006

Es un estándar considerado ideal para el monitoreo de múltiples nodos, debido a su bajo

consumo de energía, bajo costo de despliegue, características de auto-configuración y

auto-organización [25]. Especifica la capa física y de acceso al medio para las redes LR-

WPAN (Low Rate-Wireless Personal Area Networks). Dentro de las tecnologías que

adoptan y evolucionaron éste estándar están ZigBee, ZigBEE IP, WirelessHART, 6LowPAN

y LoRa. Para el uso de redes de sensores, el estándar evolucionó al IEEE 802.15.4-2015

(Low Rate Wireless Network)

Wi‐Fi,IEEE802.11:1999

Opera en la banda libre industrial, científica y médica (Industrial, Scientific, Medical, ISM)

de los 2,4 GHz y 5 GHz. La banda no licenciada es una de las ventajas que ofrece esta

tecnología, siendo robusta en ambientes ruidosos. Sin embargo, presenta un consumo de


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energía más alto que en el caso de los estándares IEEE 802.15.4. El estándar convencional

con sus derivaciones IEEE 802.11 a/b/g/n/ac, ha mejorado aspectos como el consumo de

energía aplicado a las redes de sensores con la enmienda al estándar IEEE 802.11ah.

4.1.5 Interfaces del sistema AMI

Las interfaces del sistema AMI permiten realizar el enlace de comunicaciones entre la

unidad de medida y el concentrador o el sistema de gestión y operación y entre el

concentrador y el sistema de gestión y operación. A continuación se describe brevemente

su funcionalidad.

4.1.5.1 Unidad de Medida- Unidad Concentradora (UM-UC)

La interfaz de la unidad de medida - unidad concentradora (UM-UC), permite el enlace

bidireccional entre la unidad de medida y la unidad concentradora. La información desde la

unidad de medida corresponden a lecturas, intentos de sabotaje, que viajan hacia el

concentrador de datos para almacenarse o se envíe al sistema de gestión y operación a

través de la interfaz unidad concentradora – sistema de gestión y operación (UC-SGO). En

sentido contrario, la unidad concentradora envía órdenes y/o información desde el sistema

de gestión hacia la unidad de medida.

4.1.5.2 Unidad Concentradora – Sistema de Gestión y Operación (UC-

SGO)

La interfaz está presente cuando existe unidad concentradora como intermediario para los

enlaces de comunicaciones entre la unidad de medida y el sistema de gestión y operación.

Esta interfaz permite los enlaces bidireccionales entre la unidad concentradora y el sistema

de gestión del sistema AMI. Permite el intercambio de los datos que la unidad de medida

envió al concentrador hacia el sistema central, en el sentido contrario se envían órdenes e

información desde el sistema central hacia el concentrador, para que posteriormente se

envíe a la unidad de medida a través de la interfaz UM-UC.


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4.1.5.3 Unidad de Medida – Sistema de Gestión y Operación (UC-GSO)

Esta interfaz permite tener los enlaces de comunicaciones bidireccionales entre la unidad

de medida y el sistema de gestión, enviando los respectivos comandos, ordenes,

información, datos entre otros en las arquitecturas de red donde la unidad concentradora

está ausente.

4.1.5.4 Protocolos de comunicaciones y modelo de datos

Un modelo muy reconocido que organiza el concepto de sistemas de comunicaciones es el

modelo de siete capas del OSI de ISO. En la figura 3 se muestra el modelo de capas del

OSI.

Figura 3. Modelo ISO-OSI de referencia de siete capas

Debido al uso de diversos dispositivos, tecnologías y protocolos de comunicaciones, es

esencial asegurar la interoperabilidad entre las redes de comunicaciones formadas,

utilizando estándares y arquitecturas de red abiertas. Esto permite el uso de métodos y

técnicas no propietarias; licencias libres de cargo por su uso o distribución; sin limitaciones


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con respecto al área de uso, tipo de usuario o tecnologías y productos particulares; y están

disponibles y son adoptadas como estándares internacionalmente. La interoperabilidad

también se debe garantizar a nivel de aplicaciones.

Es común que hoy en día se relacionen o se ubiquen los protocolos utilizados en alguna

de las capas que maneja el modelo TCP/IP, independientemente de si se utilizan o no

los protocolos propuestos para este modelo. TCP/IP está compuesto por 4 capas: Enlace,

Red, Transporte y Aplicación. En cuanto estándares enfocados a la medición e

intercambio información, se ha resaltado en gran medida el estándar DLMS/COSEM

conocido también como IEC 62056 internacionalmente. DLMS (Device Language

Message Specification) compone los estándares y protocolos descritos en IEC 62056, y

COSEM ó Companion Specification for Energy Metering, describe la estructura de los

datos al nivel de aplicación.

Entre los protocolos que componen el estándar DLMS/COSEM, se encuentra i) a nivel de

enlace, para transferencia de información punto a punto el protocolo HDLC; ii) el nivel de

transporte y red, se utilizan los protocolos UDP/IP, para comunicaciones no orientadas a

la conexión, o TCP/IP para orientadas a la conexión [26], soportados sobre IPv4.

Actualmente DLMS User Association se encuentra trabajando conjuntamente con ZIGBEE

Alliance para incluir DLMS/COSEM sobre redes Zigbee [27]. SML (Smart Language

Message) y el estándar internacional IEC61850, enfocado a la automatización de

estaciones [28], de igual forma que COSEM, son enfocados a la capa de aplicación, y

también se pueden utilizar sobre la pila de protocolos TCP/IP, pero no se ha obtenido el

mismo rendimiento como se demuestra en [29].

Para transmisión de información entre equipos inteligentes y estaciones controladoras

se ha implementado el estándar DNP3, altamente utilizado en Estados Unidos por

empresas prestadoras del servicio de energía, y en varios lugares expandido para otros

servicios como agua o gas. Este estándar cuenta con 3 capas, que referenciándolas con

el modelo TCP/IP, vienen siendo: Enlace, transporte y aplicación. Estudios recientes

demuestran la posibilidad de utilizar este estándar sobre TCP/IP en comunicaciones para

redes inteligentes [30], [31],[32]; sin embargo, a pesar de su funcionalidad y su seguridad,

presenta limitaciones en cuanto a los tiempos de respuesta.


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4.1.6 Seguridad

El módulo de seguridad trata especialmente la seguridad en las comunicaciones y la

información, especialmente en el trasporte y almacenamiento de datos. Este componente

se debe incluir como aspecto esencial en cada uno de los módulos e interfaces del sistema

y la elección de tecnologías o soluciones de seguridad dependen de las características de

cada proyecto.

4.1.6.1 Niveles de seguridad

Son los esfuerzos mínimos necesarios para lograr un buen comportamiento de la seguridad

establecida, en caso de un ataque directo a los mecanismos de seguridad, y se pueden

clasificar en tres niveles:

Nivel Básico (N1): Proporciona una protección adecuada frente a un ataque de bajo nivel, dando respuesta parcial a los requisitos de seguridad (ej: ataque accidental o de baja complejidad). Nivel Medio (N2): Ofrece seguridad frente a un ataque de nivel intermedio, dando una respuesta convincente a los requisitos de seguridad (ej: violación de seguridad del sistema que no es fácil de realizar). Alto Nivel (N3): Proporciona protección adecuada frente a un ataque de alto nivel, dando una respuesta incuestionable a las exigencias de seguridad (ej: violación de seguridad del sistema con planeación y organización).

4.2 REQUISITOS PARA EL SISTEMA AMI

Los requisitos para el sistema AMI se dividen por cada módulo según sus componentes y

funciones, es decir, para la unidad de medida, la unidad concentradora, el sistema de

gestión y operación, y el sistema de comunicaciones y seguridad.

4.2.1 Requisitos de la unidad de medida

Los requisitos para la unidad de medida comprenden los requisitos eléctricos, mecánicos

y metrológicos, de operación y mantenimiento, de visualización, identificación de datos,

conexión/desconexión y seguridad. Los requisitos particulares para el medidor están

relacionados en la norma NTC 5019.


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4.2.1.1 Requisitos eléctricos

La norma NTC 5226 establece los requisitos eléctricos para conexiones directas,

semidirectas e indirectas para las tensiones, corrientes y frecuencias normalizadas de

referencia, teniendo como base las normas NTC 4052, NTC 4569 y NTC 2147.

El consumo de potencia en el circuito de corriente, influencia de sobrecorrientes de corta

duración e influencia de autocalentamiento se clasifican según sus tipos de conexión y

clases.

Adicionalmente, no debe ser susceptible de descargas electrostáticas, y debe cumplir con

las normas NTC 5226, IEC 61000-4-2:2001 (ítem 7.5.2), IEC 61000-4-4:2004 (ítem 7.5.4),

IEC 61000-4-5:2001 (ítem 7.5.6), IEC 61000-4-6:2003 (ítem 7.5.5) y IEC 61000-4-3:2002

(ítem 7.5.3) para considerarse electromagnéticamente compatibles.

4.2.1.2 Requisitos mecánicos

Los requisitos generales para la unidad de medida se toman de la norma técnica NTC 5226,

que corresponden a la caja del medidor, bloque de terminales, tapa de bloques terminales,

distancias de seguridad y de fuga, medidor de caja aislada con protección clase II,

resistencia al calor y fuego, penetración al polvo y agua, visualización de valores medidos,

dispositivos de salida, identificador del medidor y condiciones climáticas.

4.2.1.3 Requisitos metrológicos

Los requisitos metrológicos para medida directa, semidirecta e indirecta se basan en las

normas relacionadas en la tabla 1:


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Tabla 1 Referencias normativas para los requisitos metrológicos de la Unidad de Medida

Tomado de: [33]

4.2.1.4 Requisitos de mantenimiento y operación local

Estos requisitos deben tener como objetivo la realización de diagnósticos, permitir tomar

lecturas local y remotamente sin que el usuario se vea afectado como resultado de estas

funciones.

Permitir la descarga de alarmas de manera local

Contar con todos los mecanismos de seguridad que impidan que el personal no

autorizado realice estas funciones

Garantizar que el reemplazo de la batería se puede realizar con seguridad sin

desconectar el equipo ni romper el sello de calibración

No afectar la integridad de la información al cambiar una batería

Permitir actualización de forma remota y local sin afectar la información

Verificar la orden de conexión – desconexión y reporta el valor de la lectura

correspondiente

Comprobar la integridad de la información almacenada

Registrar y reportar pérdidas o inconsistencias en la información almacenada

Tener un puerto local estándar para instalación y mantenimiento

Activa clase 1 Reactiva clase 2 y 3Activa Clase 1,

0.2s y 0.5sReactiva clase 2 y 3

Límites de error de variación

en corriente

Límites de error a factores

de influencia

Arranque y funcionamiento

sin carga

Constante del medidor

Condiciones de los ensayos

Ensayos de rutina NTC 4856

Conexión Directa

Requisitos metrológicos

Conexión por medio de transformador

(S)

NTC 4052

(IEC 62053‐21)

NTC 4569

(IEC62053‐23)

NTC 2147

(IEC62053‐22)

NTC 4569

(IEC62053‐23)


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Permitir lectura local y descarga de la información

Garantizar la comunicación del medidor instalado

Responder una prueba del sistema de comunicación generada por el sistema de

operación y gestión

Reestablecer la comunicación después de un evento de corte de flujo de energía

Enviar la configuración y estado de los medidores al sistema de operación y gestión

Soportar una descripción uniforme de los errores enviados

Permitir de forma local la programación, reconfiguración de parámetros y

recuperación de datos, en caso que fallen as comunicaciones remotas.

Identificar el tipo de energía suministrada y el operador correspondiente, registrando

de manera independiente las unidades de medida de otras fuentes

4.2.1.5 Requisitos del visualizador

Los requisitos del visualizador se establecen para que el usuario pueda leer su consumo

de acuerdo a la información registrada y almacenada en el medidor, el cual debe contar con

un número de serie.

4.2.1.6 Requisitos de identificación de datos

En cuanto a la gestión de datos la unidad de medida de cumplir con los siguientes requisitos:

Cada datos del medidor debe estar identificado, cumpliendo con la norma IEC

62056-6-1 o la ANSI C12.19

Facilitar el diagnostico de fallas de la unidad de medida

Los datos de identificación almacenados del medidor deben coincidir con los datos

impresos físicamente en el medidor

Proporcionar n lecturas periódicas, donde n puede ser parametrizable desde

cualquier modulo del sistema

Permitir mantenimiento local y remoto

4.2.1.7 Requisitos de desconexión y conexión

Los mecanismos de conexión y desconexión deben cumplir con los siguientes requisitos:


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Permitir la comunicación bidireccional entre el sistema de operación y gestión y el

mecanismo de corte, validando el estado de conexión del dispositivo.

Permanecer operable para todos los valores de tensión de alimentación

especificados en la placa del medidor

Conducir e interrumpir todos los valores de corriente hasta su valor de interrupción

nominal Ic, cuyo valor debe ser mayor o igual a la Imáx del medidor

Realizar mínimo 6000 operaciones de cierre y apertura sin necesidad de

mantenimiento

Garantizar la apertura o cierre simultánea de todas las fases en redes polifásicas

Conservar su último estado en caso de interrupción del fluido eléctrico

(Biestabilidad). No debe poseer disparo termo-magnético

Verificar que no exista tensión en el polo de carga antes del cambio de estado, para

evitar un corto circuito

4.2.1.7 Requisitos de seguridad

Para la seguridad física de la unidad de medida se deben cumplir los siguientes requisitos:

Rechazar cualquier solicitud incompatible y enviar un evento como resultado de esto

Detectar intentos de sabotaje físico a nivel de la cubierta de terminales, tapa

principal, caja y/o armario.

Tener inmunidad frente a campos magnéticos externos

Tener clase de protección II

Permitir la instalación de sellos de seguridad en la caja portamedidor o el medidor

4.2.1.8 Disposiciones de uso

La unidad de medida puede instalarse como un sistema monocuerpo, bicuerpo o de medida

centralizada, cumpliendo con las normas relacionadas en la siguiente tabla y la NTC 4052:

Adicionalmente, los sistemas bicuerpo deben permitir la visualización en un dispositivo

independiente garantizando la integridad de las lecturas de la unidad de medida. Y los

sistemas de medida centralizada deben cumplir los siguientes requisitos adicionales:


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Las conexiones deben estar protegidas eléctrica y mecánicamente

Suspender el suministro en caso de manipulación indebida o acceso no autorizado

Contar con sistemas aptos para instalación en cualquiera de las condiciones

técnicas utilizadas

Contemplar niveles de protección IP de acuerdo con las condiciones ambientales a

las que sean expuestas

Permitir pruebas de rutina en sitio

Contar con un sistema de puesta a tierra de conformidad con el reglamento técnico

vigente

4.2.2 Requisitos de la unidad concentradora

Los requisitos generales que garantizan el correcto funcionamiento de la unidad

concentradora son:

Garantizar la comunicación entre la unidad de medida y el sistema de operación y

gestión

Permitir la recuperación de datos comunicados por la unidad concentradora

Tener interfaces de entrada/salida para acceso local

La conectividad local no debe afectar la conectividad remota

Debe contar con mecanismo de seguridad de datos y protección con accesos no

autorizados

Generar eventos de actualización exitosa de firmware, los cuales no deben generar

modificación o supresión de datos de medición

Detectar y reportar el registro de información y cualquier evento propio

El reloj interno debe estar sincronizado a la hora estándar nacional

Almacenar durante un período de tiempo todas las lecturas y eventos de las

unidades de medida

Enviar la información almacenada de todos los medidores al sistema de operación

y gestión


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4.2.3 Requisitos del sistema de gestión y operación

Los requisitos del sistema de operación y gestión se clasifican según las funcionalidades

del mismo:

4.2.3.1 Requisitos de administración de información y datos

Inicia con la administración de los datos mínimos que el sistema debe almacenar y

gestionar, permitiendo el registro y/o la modificación de datos técnicos en las

unidades de medida, tales como: Numero de medidor, Localización, Tipo de

energía, Niveles de tensión y corriente, entre otros que se consideren relevantes.

Adicionalmente, debe permitir la configuración de los períodos de lectura y

almacenar los datos obtenidos.

Finaliza administrando la información que el sistema debe generar, permitiendo la

lectura local y remota con registro de hora y fecha, el acceso a los datos para la

construcción de perfiles de carga, el monitoreo de la disponibilidad operativa,

Adicionalmente, deberá proporcionar información para la gestión de conexiones y

desconexiones y reportar la pérdida de los datos almacenados y del firmware.

4.2.3.2 Requisitos de configuración, control y operación de

componentes

Asegurar que el registro y/o retiro se implemente únicamente en medidores

autorizados y autenticados

Configurar la lista de unidades de medida administradas

Permitir la configuración de conexión y desconexión remota y local

Sincronizar todos los medidores con la hora oficial de Colombia, para garantizar

exactitud y comprobar la hora interna de todos los componentes

Permitir envío de ajuste de hora para los medidores desincronizados

Permitir la actualización del firmware remota y localmente

Contar con las herramientas necesarias para su mantenimiento

Permitir las operaciones de lectura y de conexión y desconexión de forma

automática

Permitir la automatización de procesos cuando sea posible


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Emitir confirmaciones de la ejecución oportuna y correcta a las peticiones

Permitir la gestión de carga, de calidad de la energía, del pago anticipado y de

diferentes fuentes de alimentación

4.2.3.3 Requisitos de gestión de eventos y alarmas

Estos requisitos son necesarios para detectar y controlar cualquier situación que pueda

afectar el correcto funcionamiento del sistema AMI:

Gestionar las alarmas y eventos, incluyendo estampa de tiempo

Detectar las intervenciones no autorizadas a los equipos

Identificar el intervalo de restablecimiento de la alimentación después de una

interrupción de suministro de energía

Identificar y reportar eventos críticos que afecten la capacidad de almacenamientos

del medidor y la unidad concentradora, las fallas en los enlaces y en la red de

comunicación, las pérdidas del suministro de energía y su restablecimiento

4.2.3.4 Recomendaciones de administración y operación del sistema de

comunicaciones

Se recomiendan los siguientes aspectos para el correcto funcionamiento de la gestión de

las comunicaciones:

Interoperabilidad a nivel de aplicación

Adaptación automática a los cambios de la red

Posibilidad de servicio prepago y permitir el cambio de prepago a pospago y

viceversa de manera remota o local

4.2.4 Requisitos de comunicaciones

4.2.4.1 Generales

Los sistemas AMI deben proporcionar las funcionalidades de autenticación y autorización

de comunicación de datos en todas sus interfaces, de tal manera que se rechacen las


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transferencias de datos no autorizadas o erradas, sin afectar la operación del equipo o la

interfaz.

Las interfaces deben estar habilitadas para la trasferencia de datos de forma segura en

ambas direcciones. Los protocolos de las capas bajas de la interfaz de comunicación como

lo son la de transporte, red, enlace de datos y física deben usar estándares públicos “de-

facto”.

Durante los eventos como fallas de comunicaciones, los componentes del sistema AMI

deben tener la capacidad de continuar operando. Inclusive tener la capacidad de

reconectarse automáticamente a los canales de comunicación disponible, después de un

corte de energía. También deben disponer de funcionalidades de verificación del enlace,

que se puede realizar antes, durante o después de un mantenimiento. En la figura 4 se

muestran los flujos de datos entre la microrred y el sistema de medición.

Figura 4. Flujo de datos y señales de control en una microrred

4.2.4.2 Tecnologías, protocolos y modelo de datos

En la capa de aplicación existe la recomendación de uso de los protocolos definidos en los

estándares IEC 62056 (DLMS/COSEM Suite), ANSI C12.22, IEC 61968-9. Como modelo


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de datos se utilizan los estándares IEC 62056 y ANSI C12.19. Estos estándares pretenden

garantizar la interoperabilidad entre la unidad de medida (UM) y el sistema de gestión y

operación (SG) en los sistemas AMI que no tienen concentradores instalados en su red.

En la integración de los sistemas de gestión y operación con otras aplicaciones de software

y sistemas de información, se utiliza el estándar IEC 61968-9 (Common Information Model,

CIM) y Multispeak.

4.2.5 Requisitos de seguridad

Las medidas de seguridad alternativas específicas para la tecnología AMI, deben ser

aceptadas siempre y cuando se demuestre que estas medidas cumplen con la

confidencialidad, integridad y disponibilidad de la información.

En términos generales los requerimientos generales de seguridad deben evidenciar la

intervención (autorizada o no) al software, allí es crítico identificar las características y

parámetros, almacenados o transmitidos que deben protegerse contra su integridad

accidental o intencional. También se deben proteger los datos ante la manipulación,

corrupción, fraude y acceso no autorizado.

El uso de protocolos de seguridad permite asegurar los datos durante su transmisión, para

lo cual es necesario establecer métricas para mantener los enlaces del sistema AMI seguros

y confiables como lo son: la falla del enlace, el cambio de enlace, el levantamiento de enlace

y la calidad del enlace.

La seguridad aplicada al contexto de las redes eléctricas inteligentes comprende un

conjunto de retos determinados por las vulnerabilidades factibles dentro de la red, en

general, se puede expresar un conjunto de requerimientos necesarios para determinar la

fiabilidad de un método de seguridad seguro, los requerimientos expuestos por el NIST se

describen brevemente a continuación.

Disponibilidad: garantizar el acceso y utilización oportuna y confiable de la

información. Esta es una de las tareas más importantes de las redes eléctricas

inteligentes, puesto que una pérdida de disponibilidad representa la interrupción del


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acceso y uso de la información, lo cual podría debilitar la gestión y entrega de

energía.

Integridad: asegurar que la información no sea alterada de manera no autorizada.

Esta política protege contra la modificación y destrucción inapropiada de la

información, asegurando de esta manera el no repudio y la autenticidad de la misma.

Confidencialidad: preservar la restricción de acceso y divulgación de la información.

Esta política aborda la protección de la propiedad de la información asegurando que

información sensible no sea divulgada a personas, entidades o procesos no

autorizados.

En las redes AMI, más específicamente en los medidores inteligentes, es de importancia

mantener dos de los tres objetivos de seguridad mencionados anteriormente, la

confidencialidad deja de ser una opción para convertirse en una necesidad, estudios

realizados en [34 ] muestran cuál método de encriptación tiene el mejor rendimiento

energético, en este punto, es importante revisar que generalmente cada protocolo de

comunicación tiene un método de encriptación definido.

4.2.5.1 Control de acceso y uso

Estos requisitos establecen el correcto acceso a la información e indican los intentos de

acceso no autorizado y el registro de los accesos autorizados, para lo cual se definen:

Autenticación del remitente: permite asegurarse que la entidad que produce la información

es la correcta.

Autenticación del receptor: permite asegurarse que el consumidor o entidad que recibe la

información es el esperado.

Auditoría: Es la capacidad de seguir y almacenar el registro de los accesos al conjunto de

ordenes (solicitudes) ejecutadas desde el software y los resultados o efectos reportados

por las unidades concentradoras y/o medida.

Los usuarios del sistema deben ser autenticados y autorizados para acceder solamente a

los componentes del sistema a los que tiene autorización. El sistema debe gestionar los

derechos de acceso a cualquiera de sus componentes, autenticar entidades, permitir o


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rechazar tanto a los usuarios y dispositivos individuales, como también a los grupos de

usuarios y dispositivos.

4.2.5.2 Integridad de datos

La información se mantiene sin cambios, para lo cual el sistema debe garantizar su

integridad en todo momento, para esto es necesario implementar algoritmos de

encriptación. Los mecanismos de seguridad se aplicarán para garantizar la protección de

los datos y claves de cifrado almacenados en los equipos. También es necesario contar

con el mecanismo anti-repetición, evitando la repetición de mensajes para los comandos

críticos (desconexión, alarmas, etc).

Dentro de los ataques frecuentes a redes de comunicaciones, está el denominado Hombre

en el medio (Man in the Middle, MINM), que es un tipo de ataque informático en donde el

atacante tiene conexiones independientes con las víctimas y trasmite mensajes entre ellos,

haciéndoles creer que están hablando directamente entre sí a través de una conexión

privada, cuando en realidad toda la conversación es controlada por el atacante. De esta

forma el atacante intercepta todos los mensajes que van entre las dos víctimas e inyectar

nuevos, lo cual es sencillo en muchas circunstancias (por ejemplo: un atacante dentro del

rango de recepción de un punto de acceso de una red inalámbrica Wi-Fi sin encriptar, puede

insertarse como un hombre en el medio). En la figura 5 se puede apreciar el esquema

general del ataque MINM.

Figura 5 Esquema general del ataque MINM


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Dentro de la aplicación del servicio de confidencialidad del proyecto, este ataque se

presenta como un elemento clave de analizar y revisar las estrategias de protección

empleadas en su uso, este ataque representa una de las técnicas clásicas más usadas para

vulnerar un sistema de seguridad, la prevención de este tipo de ataque se relaciona

directamente al servicio de confidencialidad, debido a la amenaza de intercepción de la

información, permitiendo que un usuario no autorizado tenga la capacidad de acceder a

datos dentro del entorno cibernético que no le corresponden.

4.2.5.3 Control de acceso, integridad y confidencialidad de datos

Los requisitos de confidencialidad de datos garantizan que la información secreta solo

pueda ser accedida por las entidades o personas autorizadas. De esta manera el quipo

debe proporcionar la funcionalidad de preservar la confidencialidad de los datos

almacenados, incluyendo claves de cifrado. El sistema debe ser capaz de cifrar las

comunicaciones, asegurar la confidencialidad (privacidad) de la señal y el control de acceso

a los equipos del cliente. También se deben emplear algoritmos simétricos y asimétricos.

4.2.5.4 Disponibilidad de recursos

En la supervisión del comportamiento del sistema se deben detectar situaciones anómalas

y ejecutar algunas acciones automáticas para contrarrestarlas. Todas las partes del sistema

deben estar bajo supervisión, administración y control.


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5. IMPLEMENTACION Y PRUEBAS

5.1 IMPLEMENTACION AMI

La implementación del sistema AMI está referido a los requisitos expuestos en el capítulo

anterior, teniendo en cuenta la norma NTC 6079 del 2014. A continuación se describe el

esquema general del sistema AMI implementado, partiendo de diseños realizados en [35]

para la unidad de medida. En la figura 6 se muestran los módulos implementados del

sistema AMI con la unidad de medida, que cuenta con los módulos del medidor, seguridad

y comunicaciones; y la unidad concentradora con los módulos de gestión y operación,

seguridad y comunicaciones.

Figura 6.Módulos del sistema AMI implementado

5.1.1 Unidad de Medida

El medidor diseñado está compuesto por la etapa de sensores. Se utilizaron sensores de

bucle cerrado con aislamiento galvánico (transformador) aislando el dispositivo de medición

de la red trifásica. Se utilizan tres (3) sensores de tensión tipo LEM (LV25-P) (Anexo 8.1),

para medir la tensión de línea-línea y cuatro (4) sensores de corriente tipo LEM (LTSR 25-

NP) (Anexo 8.1), para medir corrientes de línea incluyendo el neutro. Las entradas al

módulo van directamente a los sensores de corriente, y la salida de estos sensores va a los


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sensores de tensión. En la figura 7 se muestra el diagrama de bloques del medidor y las

etapas que lo componen.

Figura 7 Módulo Medidor

En la figura 8 se muestra la tarjeta PCB de la etapa de sensores de la unidad de medida.

Figura 8. Vista frontal de la etapa de sensores del medidor

La etapa de acondicionamiento de señal del medidor permite ajustar los niveles de tensión

de los sensores a los niveles de tensión que emplean los dispositivos de comunicaciones y

procesamiento, mientras que los circuitos de protección, cumplen la función de evitar

tensiones y corrientes superiores a las permitidas en las entradas del dispositivo de

procesamiento. En la tabla 2 se muestra el listado de componentes utilizados en la unidad

de medida y en el anexo 8.2 se muestran los diagramas circuitales del módulo de

acondicionamiento de señal y protección implementados.


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Tabla 2 Componentes utilizados en la unidad de medida

5.1.1.1 Acondicionamiento de la señal de tensión

El sensor de tensión entrega una señal idéntica a la de la red, con una relación de

conversión sujeta a las características del mismo. En la figura 9 se muestra el diagrama de

bloques de la sección de acondicionamiento de señal de tensión.

Figura 9. Diagrama de bloques de la sección de acondicionamiento de la señal de tensión

Los sensores de tensión y corriente entregan una señal en forma de corriente, para

modificarla se convierte a tensión por medio de un resistor. La etapa de filtrado se encarga

de seleccionar las frecuencia de interés a medir, a través de un filtro pasabajos activo de

segundo orden con amplificadores operacionales de entrada JFET; el nivel de referencia se

utiliza para darle un rango adecuado a la señal entregada por el sensor a la entrada del

módulo de procesamiento; la etapa de acople de impedancia se utiliza para proteger la

tarjeta de procesamiento de posibles alteraciones en la corriente de entrada; finalmente se

protege la tarjeta de procesamiento de tensiones superiores a 3.3 VDC con un diodo Zener.

Dispositivos

LoRa (868MHz)

Raspberry Pi3 (AES, SHA‐128)

Procesamiento DSP TMS320F28335 Delfino

Acondicionamiento y

proteccion

AO (LM 324), Compuertas

(74LS08/04), Zener 1N4728, D

Shottky

Sensores LEM (LTSR 25‐NP), LEM (LV‐25P)

Unidad de Medida

Medidor

Comunicaciones

Seguridad


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5.1.1.2 Acondicionamiento de la señal de frecuencia

La medición de frecuencia del bus trifásico AC se extrae de la segunda etapa del

acondicionamiento de tensión La medición de frecuencia se realiza a través de un PWM

con la señal de tensión. Se emplean los mismos circuitos de protección en la etapa final del

acondicionamiento de señal. En la figura 10 se muestra el diagrama de bloques para el

acondicionamiento de la señal de frecuencia.

Figura 10.Diagrama de bloques del acondicionamiento de la señal de medición de frecuencia.

5.1.1.3 Acondicionamiento de la señal de corriente

El transductor de corriente entrega una señal idéntica a la del bus trifásico AC (microrred),

incluyendo un nivel DC de referencia. Los circuitos de transformación, filtrado y protección

empleados son los mismos de las secciones anteriores. En la figura 11 se muestra el

diagrama de bloques del acondicionamiento de la señal de corriente.

Figura 11.Diagrama de bloques del acondicionamiento de la señal de corriente.

5.1.1.4 Acondicionamiento de la señal del ángulo de desfase

El factor de potencia de la red eléctrica se determina a partir dl ángulo de desfase entre las

señales de tensión y corriente., por tal motivo se crea una señal de PWM de la señal de

corriente. Al comparar las señales generadas se obtiene un pulso con la duración en alto

que representa el ángulo de desfase. Para este acondicionamiento se divide el esquema


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en dos partes que se denominaran: acondicionamiento de frecuencia para la señal de

corriente y acondicionamiento del ángulo de desfase.

5.1.1.5 Acondicionamiento de frecuencia de la señal de corriente

La señal generada con este acondicionamiento proviene de la salida del acondicionamiento

del sensor de corriente. Esta es una señal variante con un nivel de referencia. El nivel DC

se elimina por medio de filtrado, la amplificación se utiliza para determinar con mayor

precisión el cruce por cero de la señal AC y de esta forma generar la señal PWM, finalmente

el ajuste de la señal se realiza para operar dentro del rango de tensión del dispositivo de

procesamiento. También se utilizan los circuitos de protección de las secciones anteriores.

En la figura 12 se muestra el diagrama de bloques del acondicionamiento de frecuencia

para la corriente.

Figura 12. Diagrama de bloques del acondicionamiento de corriente para generar PWM

5.1.1.6 Acondicionamiento del ángulo de desfase

En esta sección se genera una señal de PWM con un ciclo útil que varía según el ángulo

de desfase existente entre las señales de corriente y tensión. Al invertir la señal de PWM

de tensión, mediante una compuerta lógica inversora y compararla mediante un circuito

comparador implementado con un amplificador operacional con la señal de PWM de

corriente, se obtiene el desfase entre ambas señales con el tiempo en que las dos señales

de PWM están en alto, obteniendo así una señal de PWM con ciclo útil variante en función

del ángulo de desfase. En la figura 13 se muestra el diagrama de bloques de la sección de

acondicionamiento del ángulo de desfase.


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Figura 13.Diagrama de bloques para la obtención del PWM del ángulo de desfase.

5.1.1.7 Medidor de Energía

Se implementa sobre un dispositivo de procesamiento con funciones de medir y registrar la

energía eléctrica recibida o suministrada. El dispositivo identifica las variables de entrada

para la adquisición de estos datos en tiempo real, realiza el procesamiento de datos y

emplea interfaces para almacenar temporalmente los datos en memoria, emplea puertos

seriales para la transmisión de la información al módulo de comunicaciones.

Los procesos de medición y cálculos empleados con las variables de tensión y corrientes

de línea, frecuencia de las tensiones, sus fases y el ángulo de desfase entre tensiones y

corrientes de línea, se implementaron en la plataforma de desarrollo TMS320F28335

Experimenter Kit de Texas Instruments, las rutinas del procesamiento de los datos en el

DSP se pueden consultar en el anexo 8.5.

La adquisición de las señales de tensión de línea a línea y corrientes de línea se realizan

en el mismo instante, se configura el módulo ADC para que funcione en modo de muestreo

simultáneo y junto al secuenciador trabajen en cascada en siete (7) de sus dieciséis (16)

canales distribuidos así; tres (3) para las tensiones de línea a línea (VLR-S, VLS-T y VLT-

R) y cuatro (4) para las corrientes de línea (ILR, ILS, ILT y ILN).

En la figura 14 se muestra el circuito impreso del módulo de acondicionamiento y protección

de señal implementado, adicionalmente la disposición del dispositivo de procesamiento de

datos.


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Figura 14.Vista frontal del módulo de acondicionamiento de señales y procesamiento de datos

5.1.1 Módulo de seguridad

El módulo de seguridad se implementó en una Rasbperry PI3 B, debido a las limitantes en

memoria del dispositivo de procesamiento DSP. Se implementaron mecanismos de

seguridad que permitieran la confidencialidad e integridad de la información. En la figura 15

se muestra la composición del módulo de seguridad.

Figura 15 Composición del sistema de seguridad del AMI

La etapa de procesamiento, permite ejecutar el algoritmo de cifrado y encriptación de la

información. La confidencialidad de la información se logra con la implementación del


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algoritmo AES (Anexo 8.3), debido a que presenta mayores ventajas, permitiéndole tener

mejor funcionamiento en comparación con los demás algoritmos simétricos. Adicionalmente

la supremacía del algoritmo AES sobre algoritmos de cifrado asimétrico como RSA,

aumentando la confiabilidad en la implementación de dicho algoritmo dentro del contexto

de las redes eléctricas inteligentes. Finalmente la integridad se logra mediante la

implementación de algoritmos criptográficos como la función hash SHA-128 (Anexo 8.4).

5.1.2 Módulo de comunicaciones

El módulo de comunicaciones se implementó con una Rasbperry PI3 B, debido a que

emplea diversas tecnologías inalámbricas como Wi-Fi, Bluetooth y cableadas como

Ethernet. Adicionalmente permite la implementación de transmisores ZigBee y LoRa a

través de la interfaz UART o SPI. En la figura 16 se muestran las etapas del sistema de

comunicaciones.

Figura 16 Etapas del sistema de comunicaciones

El dispositivo de procesamiento de datos de la unidad de medida transmite al sistema de

comunicaciones los datos a través de la interfaz serial. La tecnología seleccionada para

realizar los enlaces inalámbricos es el estándar LoRa sugerida en [33], que opera bajo el

estándar IEEE 802.15.4. La topología de la red de comunicaciones acorde a la estrategia

de gestión centralizada es la tipo estrella, donde las unidades de medida se conectan a la

unidad concentradora. En la figura 17 se muestra la vista frontal del módulo de

comunicaciones LoRa.


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Figura 17.Vista frontal módulo de comunicaciones

5.1.3 Unidad concentradora

La unidad concentradora contiene un módulo de comunicaciones y seguridad similar al de

las unidades de medida y adicionalmente el sistema de gestión y operación.

Figura 18. Composición de la unidad de medida


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5.1.4 Sistema de gestión y operación

La estrategia de gestión utilizada para el sistema AMI es centralizada y está orientada al

manejo de los excedentes de energía de las fuentes, cargando el banco de baterías;

también se emplean niveles de tensión de referencia para los ciclos de carga y descarga,

para prolongar su vida útil. Se desarrolla un algoritmo de toma de decisión a partir del

balance de potencia medida en un periodo de tiempo (10 minutos), seleccionando las

fuentes más probables para la entrega de energía a la carga.

En la figura 19 se muestra el modelo del algoritmo de toma de decisión empleado para la

estrategia de gestión centralizada. El algoritmo permite la conformación de hasta 6 posibles

fuentes de generación y realiza la selección de la mejor opción dentro del conjunto de

fuentes habilitadas con la suficiente capacidad energética para alimentar el sistema y mejor

se comporte con relación a un conjunto de ponderaciones de carga y de fuente. Así, el

resultado se acomoda en un vector fila (binario) indicando qué fuente se utilizó y a que

carga se debe alimentar.


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Figura 19. Diagrama de flujo del algoritmo de toma de decisión del sistema de gestión y operación

Fuente: Adaptación [36]

A continuación se describe cada estado del algoritmo:

a. Inicialización de variables de programa: Separación de variables en memoria para

mayor eficiencia del algoritmo.


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b. Habilitación de Fuentes Ftes_hab: El usuario pregunta qué fuentes están habilitadas

para que se tengan en cuenta en la decisión. Esta información la guarda en el vector

Ftes_hab.

c. Parámetros para CFTamp. Esta parte está pensada para caracterizar las fuentes de

energía por su forma de respuesta. Esto es, que fuentes que en principio no son

comparables por sus niveles de potencia, sean comparables por la respuesta que

dan en función de la hora del día. Los parámetros FTES_ia, FTEref y FTESmed son

parámetros que normalizan las fuentes muestreadas. Si por naturaleza las fuentes

son comparables en niveles de potencia, entonces no es necesario normalizarlas.

d. Leer datos FTES: Se simula el muestreo de las señales de las fuentes. Dicha

simulación consiste en leer datos de un .dat.

e. Balance de Potencia: Se cargan valores a las banderas W_status y WB_status. La

primera hace referencia a la capacidad de al menos una de las fuentes habilitadas

para suministrar energía a la carga. Y la otra indica si es posible cargar la fuente

batería.

f. Simulación de Batería y control B_status. Se simula el comportamiento de la batería,

puesto que puede ir cargándose o descargándose. La bandera B_status ayuda a

indicar los momentos en que actúa como fuente o batería.

g. Fuentes Amplificadas CFTamp: Normaliza las fuentes según los parámetros en c).

h. IPF: Genera los Índices de Ponderación de Fuentes, dentro de los cuales se da un

valor para costos, disponibilidad, ecología, etc...

i. PRSC: Ponderación y Rangos de Selección de Cargas. Son las ponderaciones

según carga y se utilizan para analizar los niveles energéticos de la carga.

j. Ponderación del Nivel de Fuentes PNFi y Decisión Decisión: Según las

ponderaciones de fuente y carga, se escoge la que mejor se acomode a la carga

dentro de las fuentes que están habilitadas y normalizadas. El resultado de la

decisión se guarda en un vector llamado Decisión.

k. Matriz de salida Output: Acomoda el vector Decisión a una matriz de salida binaria

de 1x9. Donde las primeras 6 columnas son las fuentes y las 3 últimas las posibles

tres cargas.

l. Habilitación de edición de DFTamp y ponderaciones: se pregunta al usuario si es

necesario editar algún parámetro de ponderación o normalización de fuentes.


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En la tabla 3 se muestran los componentes utilizados para la implementación de la unidad

concentradora.

Tabla 3 Componentes utilizados en la unidad concentradora

5.2 PRUEBAS DEL SISTEMA AMI

Se realizaron dos tipos de pruebas para el sistema AMI. El primero se orientó a verificar el

funcionamiento del módulo de comunicaciones en la unidad de medida y la unidad

concentradora. En la segunda se diseñó un protocolo para probar el funcionamiento del

medidor, el sistema de gestión y operación y se validó el funcionamiento del módulo de

seguridad. En la figura 20 se muestra encerrado en el recuadro punteado en rojo el

esquema del sistema AMI montado sobre la microrred, se puede observar que cada fuente

y carga distribuida tiene una unidad de medida, junto con un transmisor inalámbrico y un

controlador de conexión/desconexión de la fuente o carga. La unidad concentradora tiene

su receptor y el módulo de gestión y operación.

En la figura 21 se muestran en detalle las conexiones de la unidad de medida del sistema

AMI sobre el bus trifásico AC de la microrred, para capturar las variables de tensión y

corriente de línea en una topología en estrella.

Dispositivo

Raspberry Pi3 ‐ LoRa (868MHz)

Raspberry Pi3 (AES, SHA‐128)

Raspberry Pi3

Comunicaciones

Seguridad

Gestión y Operación

Unidad Concentradora


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Figura 20 Esquema del sistema AMI sobre la microrred

Figura 21.Topología de la unidad de medida del sistema AMI sobre la microrred


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5.2.1 Pruebas de la Unidad de medida

Los medidores del sistema AMI se montaron y probaron en los laboratorios de ingeniería

de la facultad, donde se verificó el funcionamiento de la unidad de medida, en particular el

medidor. En la implementación no se habilitó la función de visualización y el dispositivo de

conexión/desconexión, sin embargo, la unidad de medida tiene un indicador que muestra

la activación/desactivación del dispositivo de conexión/desconexión. En la figura 22 se

muestra la selección de los módulos para realizar las pruebas del medidor.

Figura 22 Disposición de los módulos para las pruebas del medidor

La primera prueba consiste en la verificación del funcionamiento de los sensores de tensión

y corriente, para lo cual se dispuso de las fuentes trifásicas variables disponibles del

laboratorio a las que se le conectan cargas resistivas balanceadas para extraer la corriente.

En la figura 23 se muestra la ubicación de los medidores y la unidad concentradora para

realizar la prueba de los sensores.


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Figura 23. Montaje de los medidores AMI para pruebas de las unidades de medida, concentrador

En la tabla 4, se registran los valores de las tensiones medidas con la unidad de medida vs

la tensión de entrada para la fuente 1. Se realiza la medición de la tensión de entrada con

el osciloscopio Tektronix TBS 2104 como instrumento patrón y las corrientes con pinzas

amperimétricas disponibles en el laboratorio.

Tabla 4 Comparación tensiones de entrada vs unidad de medida

Variable Tensión Entrada

(V)

Tensión Registrada

por la unidad de medida (V)

Error medición

VRS 80,98 80,48 0,621

VST 81 80,76 0,297

VTR 80,99 81,23 0,295

VRS 50 49,67 0,664

VST 50,02 50,13 0,219

VTR 50,04 49,32 1,460


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En la tabla 5 se relacionan las corrientes de entrada a las cargas y las registradas por la

unidad de medida. Se identifica que conforme la corriente aumenta el error en la medida

disminuye.

Tabla 5 Comparación corrientes de entrada vs unidad de medida

Variable Corriente Entrada

(A)

Corriente registrada

por la unidad de medida (A)

Error medición

IR 5,03 5,04 0,198 IS 5,03 4,93 2,028 IT 5,01 4,99 0,401 IR 3,12 2,87 8,711 IS 3,09 2,76 11,957 IT 3,13 2,95 6,102

5.2.1.1 Administración de información y datos

La administración de la información y los datos se realiza en el sistema de gestión y

operación, para esto se deben calcular los valores de potencia generada o consumida en

la microrred a partir de los valores de tensión, corriente y desfase enviados por las unidades

de medida hacia la unidad concentradora. El balance de potencia se realiza con estos

valores de potencia y toma la decisión de conexión/desconexión de fuentes o cargas que

permitirán mantener la operación de la microrred. En la figura 24 se muestra la disposición

de los módulos del sistema de gestión.


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Figura 24 Módulos de gestión y operación

Los datos a enviar de la unidad de medida corresponden a las mediciones en una red

trifásica con conexión en estrella, por lo que existen tres (3) tensiones RMS de línea, cuatro

(4) corrientes RMS de línea, las tres (3) frecuencias de cada línea, los tres (3) desfases

entre la tensión y corriente de línea, para un total de trece (13) datos. Adicionalmente la

trama se ensambla con un encabezado de inicio y finalización, tipo de dato, hora y fecha

en la que se adquirió y envío la información. En la figura 25 se muestra la composición de

la trama de datos.

Figura 25. Composición de la trama de datos de la unidad de medida

Los datos capturados por la unidad de medida son enviados a la unidad concentradora para

su almacenamiento y posterior procesamiento. El desarrollo de este método de captura de

datos se realizó para la arquitectura de red con topología estrella, los datos se envían a

través de routers a un coordinador. En la figura 26 se muestra el método de captura de

datos en el sistema AMI. Las mediciones que llegan al concentrador se validan y envían a

través de internet a un servidor, para su almacenamiento en la base de datos y posterior

procesamiento.

INICIO TRAMA(2 bytes)

FIN TRAMA(2 bytes)

ID MEDIDOR

(1 byte)

TIPODATO

(2 bytes)HORA

(4 bytes)FECHA

(8 bytes)DATO

(5 bytes)


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Figura 26. Método de captura de datos para el sistema AMI

5.2.1.2 Configuración, control y operación de componentes

La configuración, control y operación de los enlaces de comunicaciones se realiza con las

herramientas que permite configurar la tecnología de comunicaciones seleccionada para la

implementación de la red de comunicaciones. Para este caso se utilizó el estándar LoRa

en la banda EU-868 definida en el espectro de radio para la banda ISM normatizada por la

ETSI (European Telecommunication Estándar Institute) en el estándar EN300.220, que

tiene un ancho de 863 a 870 MHz. La pasarela o Gateway posee ocho canales en paralelo

para comunicarse con los nodos y el ancho de banda es de 125 kHz fijos con ratas de bit

variables de acuerdo al factor de ensanchado SF (Spread Factor).

Las características de manejo eficiente del espectro relacionadas con la sensibilidad en el

receptor y la tasa de transferencia de datos permiten un ajuste dinámico de la potencia,

mejoran significativamente el uso de la energía bajando su consumo, haciendo que sea la


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tecnología de comunicaciones de bajo costo más adecuada para la red de comunicaciones

del sistema AMI.

5.2.2 Pruebas de comunicaciones

Las pruebas al sistema de comunicaciones relacionan la cobertura y calidad de los enlaces.

En la figura 27 se muestra el esquemático de la prueba de comunicaciones.

Figura 27 Prueba del módulo de comunicaciones

La primera se realiza en condiciones de despeje de línea de vista entre la unidad de medida

y el concentrador y las de calidad del enlace Inicialmente se realiza una medición de

ocupación del canal, en la banda de frecuencia (868 MHz) a emplear en los enlaces,

utilizando el analizador de espectro (Tektronix RSA306) con una antena omnidireccional

ubicado en el concentrador. En la figura 28 se muestra el espectrograma visualizado con la

herramienta propietaria del analizador de espectro (SignalVu-PC).


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Figura 28. Medición del espectro radioeléctrico en la banda de 868.5 MHz (LoRa)

Los resultados de la medición de ocupación de canal en la banda de interés, muestran que

en la frecuencia de 868.5 MHz no presenta ocupación o fuente interferente, adicionalmente

presenta un piso de ruido de -80.46 dBm. Al implementar el enlace de comunicaciones con

el dispositivo de transmisión LoRa, se identifica la presencia del pico de la señal portadora

con una potencia de -42.73 dBm.

El transmisor del módulo de comunicaciones LoRa, se configura con un ancho de banda

máximo (Bw=500 KHz), factor de ensanchamiento (SF=7) y tasa de codificación (CF=4/5).

Para obtener los valores de retardo y porcentaje de paquetes enviados exitosamente, se

configura el envío de una ráfaga de 50 paquetes de igual tamaño (255 bytes).

En la figura 29 se muestra la disposición la red de comunicaciones en topología estrella,

donde las unidades de medida se enlazan a la unidad concentradora a través de enlaces

bidireccionales con tecnología LoRa, manteniendo una separación de 120 metros entre

ellos. El tiempo de retardo medido comprende el tiempo en el que el paquete sale del

transmisor de la unidad de medida, se recibe en el nodo concentrador (receptor) y retorna

al transmisor de la unidad de medida (transmisor). El resultado es el tiempo de retardo

(delay) de transmisión del paquete dividido en dos, debido al doble trayecto recorrido por el

paquete de datos.


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Figura 29 Topología de la red LoRa en estrella para las pruebas de comunicaciones

En la tabla 6 se muestran los resultados obtenidos en el retardo del paquete enviado y la

relación del PDR.

Tabla 6 Resultados del delay y PDR para el transmisor de la unidad de medida

Parámetro QoS

LoRa

(IEEE 802.15.4)

Delay mínimo (ms) 474.76

Delay máximo (ms) 484.76

Delay promedio (ms) 477.62

PDR (%) 100

Los resultados de las pruebas obtenidas para el retardo (delay), muestran que cumple con

los requerimientos del delay para las aplicaciones de AMI (td < 15 s), también puede atender


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aplicaciones como respuesta a la demanda (td < 500 ms) y el envío de comandos de

carga/descarga en sistemas de almacenamiento y fuentes de energía distribuidas

(Distribuited Energy Resources, DER) (td < 5 s) para la microrred [37],[24]. Adicionalmente

la tasa de paquetes entregados exitosamente (Packet Delivery Ratio) medido fue del 100%,

cumpliendo con los requisitos para las aplicaciones que operan sobre la microrred

(Confiabilidad > 99.5%).

5.2.3 Prueba de seguridad

Los ataques a un sistema de seguridad se dividen en dos especificaciones principales,

activos y pasivos, los tipos de ataques activos implican principalmente los cambios de

datos, y la creación de información falsa, estos ataques se realizan a través de nodos

maliciosos dentro de la red. En la figura 30 se muestra el esquemático para la prueba de

seguridad.

Figura 30 Prueba de seguridad

El conjunto de ataques activos se describen a continuación:

Puntos de acceso no autorizados: También conocidos como Rogue APs, es un ataque

propio de una conexión física directa, lo que implica una conexión dentro de la red sin


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autorización, siendo este uno de los ataques más nocivos dentro de una red.

Adicionalmente, la tecnología de comunicaciones seleccionada, permite realizar la

autenticación en el estándar LoRa de forma bidireccional entre la red y el nodo como parte

del ingreso a la red, asegurando que los nodos se unan y se autentiquen a la respectiva

red.

A continuación, se presenta una síntesis del proceso utilizado para la implementación del

sistema de seguridad para la prevención del ataque MITM. Con el uso de la capa de

seguridad de transporte (Transport Security Layer, TSL), la capa de socket seguro (Secure

Socket Layer, SSL) y la creación de un certificado de seguridad de pruebas, la información

se protege frente a un ataque, creando a su vez una barrera de seguridad frente a un

potencial cambio de la información además de su intercepción. En la figura 31, se puede

observar la especificación del certificado de seguridad creado con ayuda de la herramienta

OpenSSL, aquí se puede apreciar el conjunto de atributos establecidos y la fecha de validez

del certificado, en el caso específico de la prueba desde el 13 de noviembre de 2017 hasta

el 13 de noviembre de 2018.

Figura 31 Descripción del certificado SSL


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El archivo encargado de la especificación de la clave pública RSA (Rivest, Shamir y

Adleman) utilizada para la creación y utilización del certificado se puede observar

detalladamente en la figura 32.

Figura 32 Archivo de clave pública RSA


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A partir del certificado y mediante el uso de la herramienta WireShark 2.4.3 se realiza

nuevamente el envió de información por el canal empleando el certificado SSL para la

protección de los datos. En la figura 33 se muestra la captura del mensaje en el servidor.

Figura 33 Lectura del mensaje en el servidor

De forma similar al servicio de confidencialidad, el servicio de integridad garantiza que los

mensajes se reciben exactamente igual al momento en que son enviados, sin duplicación,

inserción, modificación, reordenación ni repeticiones. La destrucción de datos también

queda cubierta con este servicio. Así, el servicio de integridad orientado a la conexión trata

tanto la modificación del flujo de mensajes como la interrupción del servicio. Por otra parte,

un servicio de integridad sin conexión, que trata únicamente mensajes individuales sin tener

en cuenta contextos mayores, sólo proporciona, generalmente, protección contra la

modificación del mensaje, la cual representa el principal elemento a prevenir en la definición

del sistema de seguridad del proyecto.

Los códigos de autenticación de mensaje conocidos preferiblemente por sus iniciales MAC,

es un elemento de información dentro de un mensaje que cumple la función de autenticarlo,

Los valores MAC se calculan con el uso de la aplicación de una función hash mediante una

clave secreta conocida únicamente por el remitente y por el destinatario, de esta manera


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cuando el mensaje llega al destinatario es fácil comprobar si ha sufrido una alteración a

través de un mapeo sobre el mensaje de entrada. Para la medición de la velocidad de envío

de mensaje se utiliza la ecuación 1.

(Ecuación 1)

Donde L representa el tamaño en bytes del mensaje (número de caracteres), Tf representa

el tiempo final escaneado al momento de la lectura del mismo y Ti simboliza el tiempo

escaneado al momento del envío del mismo. En la figura 34 se muestra el envío de dos

mensajes, uno de ellos intencionalmente modificado para la realización de la prueba, al

mismo tiempo se puede observar la velocidad promedio de envío de los dos mensajes, es

de 10,195 kbps. La función hash criptográfica utilizada para la verificación del cálculo de la

MAC es SHA-128.

Figura 34 velocidad promedio de autenticación

En la figura 35 se muestra la implementación de un mensaje de prueba de tamaño de 360

bytes con una velocidad promedio de envío de 7,73 kbps.


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Figura 35 Mensaje de prueba y su velocidad promedio de envío.


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6. CONCLUSIONES

En el presente libro se presentó el diseño e implementación de un sistema AMI con los

requisitos establecidos en la norma NTC 6079 de 2014, mostrando la integración de los

diferentes módulos para su funcionamiento sobre una microrred eléctrica.

Se implementaron dispositivos que responden a la las funciones estructurales del sistema

AMI que pueden operar sobre una microrred. A continuación se resaltan las conclusiones

más relevantes derivadas del proyecto.

El sistema AMI está ampliamente desarrollado con suficientes normas y estándares

en el medidor de energía, sin embargo, el sistema de comunicaciones y la seguridad

requieren de regulación y creación de normas que permitan garantizar la

disponibilidad de la información.

El sistema de comunicaciones utilizado permitió mejorar la cobertura de las

unidades de medida permitiendo el funcionamiento del sistema AMI para

microrredes en zonas de gran longitud. Adicionalmente el estándar ofrece

mecanismos de seguridad que permite la autenticidad de los nodos de forma

bidireccional.

El sistema de gestión y operación es adaptable al tamaño de la microrred,

permitiendo la escalabilidad del sistema AMI con dispositivos de medición

adicionales para la generación y consumo


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7. LINEAS FUTURAS

Analítica de Datos

La capacidad de almacenamiento de datos del consumo y generación de energía en

microrredes, mediante el uso de una infraestructura avanzada de medición, AMI, permitirá

implementar modelos predicción, mejorando la precisión del sistema de gestión. Esta

evaluación podría derivar en la modificación del modelo dependiendo del rendimiento

obtenido con las nuevas entradas, usando nuevos datos de entrada como temperatura,

velocidad del viento, presión atmosférica humedad relativa, nubosidad, etc.

Cibersecurity

La integridad y confidencialidad de la información son requerimientos constantes en una

red de comunicaciones, por lo que es necesario crear algoritmos de encriptación ligeros.

8. REFERENCIAS

[1] A. Bendre, D. Divan, W. Kranz, and W. Brumsickle, “Equipment failures caused by power quality disturbances,” in Conference Record of the 2004 IEEE Industry Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting., 2004, vol. 1, pp. 482–489.

[2] M. Manigandan and B. Basavaraja, “Active and reactive power control of MICROGRID using wireless technology (ZigBee 2.4GHz),” in International Conference on Sustainable Energy and Intelligent Systems (SEISCON 2011), 2011, pp. 564–570.

[3] S. Das, Y. Ohba, M. Kanda, D. Famolari, and S. K. Das, “A key management framework for AMI networks in smart grid,” IEEE Commun. Mag., vol. 50, no. August, pp. 30–37, 2012.

[4] M. A. Rahman, E. Al-Shaer, and P. Bera, “A noninvasive threat analyzer for advanced metering infrastructure in smart grid,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 4, no. 1, pp. 273–287, 2013.

[5] F. Kariraei, I. Reza, H. Nikos, and D. Aris, “Microgrid Management,” IEEE power & energy magazine, no. june, pp. 54–65, 2008.

[6] Z. H. Jian, Z. Y. He, J. Jia, and Y. Xie, “A review of control strategies for DC micro-grid,” 2013 Fourth Int. Conf. Intell. Control Inf. Process., pp. 666–671, Jun. 2013.

[7] a J. Conejo, J. M. Morales, and L. Baringo, “Real-Time Demand Response Model,” Smart Grid, IEEE Trans., vol. 1, no. 3, pp. 236–242, 2010.

[8] C. O. Adika and L. Wang, “Energy Management,” vol. 5, no. 2, pp. 673–682, 2014.

[9] S. Jiyajan, T. Tantimaporn, and S. Payakkarueng, “Microgrid islanding operation experience,” 22nd Int. Conf. Exhib. Electr. Distrib. (CIRED 2013), vol. 5, pp. 1286–1286, 2013.

[10] R. Majumder, “Some Aspects of Stability in Microgrids,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 28, no. 3, pp. 3243–3252, Aug. 2013.

[11] D. Rua, L. Pereira, Gil N, and J. a. Peças Lopes, “Impact of multi-Microgrid Communication systems in islanded operation,” in Innovative Smart Grid Technologies (ISGT Europe), 2011, pp. 1–6.

[12] Z. Ding, M. Liu, W.-J. Lee, and D. Wetz, “An autonomous operation microgrid for rural electrification,” 2013 IEEE Ind. Appl. Soc. Annu. Meet., pp. 1–8, Oct. 2013.

[13] H. Liang, B. J. Choi, W. Zhuang, and X. Shen, “Stability Enhancement of Decentralized Inverter Control Through Wireless Communications in Microgrids,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 4, no. 1, pp. 321–331, 2013.

[14] D. G. Hart, “Using AMI to realize the Smart Grid,” in 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st


Página | 70

Century, 2008, pp. 1–2.

[15] D. Divan and H. Johal, “A Smarter Grid for Improving System Reliability and Asset Utilization,” in 2006 CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2006, pp. 1–7.

[16] S. Buayairaksa, S. Thepphaeng, and C. Pirak, “On the performance of G3 power line communication network with smart energy meter,” in 2013 10th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, 2013, pp. 1–5.

[17] C. Pirak, T. Sangsuwan, and S. Buayairaksa, “Recent advances in communication technologies for smart grid application: A review,” in 2014 International Electrical Engineering Congress (IEECON), 2014, pp. 1–4.

[18] M. A. Rahman, P. Bera, and E. Al-Shaer, “SmartAnalyzer: A noninvasive security threat analyzer for AMI smart grid,” in 2012 Proceedings IEEE INFOCOM, 2012, pp. 2255–2263.

[19] B. Bala and S. A. Siddique, “Optimal design of a PV-diesel hybrid system for electrification of an isolated island—Sandwip in Bangladesh using genetic algorithm,” Energy Sustain. Dev., vol. 13, no. 3, pp. 137–142, Sep. 2009.

[20] C. E. Casillas and D. M. Kammen, “The delivery of low-cost, low-carbon rural energy services,” Energy Policy, vol. 39, no. 8, pp. 4520–4528, Aug. 2011.

[21] E. E. Gaona-García, C. L. Trujillo Rodriguez, and H. E. Rojas Cubides, “Infraestructura de comunicaciones en microrredes eléctricas,” Redes Ing., vol. 5, no. 2, pp. 28–38, 2014.

[22] C. L. Trujillo Rodriguez et al., “Generalidades de Microrredes Eléctricas,” in Microrredes Eléctricas, 1st ed., Bogotá D.C.: Universidad Distrital, 2015, p. 178.

[23] Z. Xiaoyan, L. Tianqi, and L. Xueping, “Multi-Agent based Microgrid Coordinated Control,” Energy Procedia, vol. 14, pp. 154–159, Jan. 2012.

[24] U.S. Department of Energy, “Communications Requirements of Smart Grid Technologies,” October, pp. 1–69, 2010.

[25] A. I. Sabbah, A. El-Mougy, and M. Ibnkahla, “A Survey of Networking Challenges and Routing Protocols in Smart Grids,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 10, no. 1. pp. 210–221, 2014.

[26] D. Vyas and H. Pandya, “Advance Metering Infrastructure and DLMS/COSEM Standards for Smart Grid,” Int. J. Eng., vol. 1, no. 10, pp. 1–5, 2012.

[27] Z. Fan, P. Kulkarni, S. Gormus, and C. Efthymiou, “Smart grid communications: Overview of research challenges, solutions, and standardization activities,” vol. 15, no. 1, pp. 21–38, 2012.

[28] S. Feuerhahn, M. Zillgith, C. Wittwer, and C. Wietfeld, “Comparison of the communication protocols DLMS/COSEM, SML and IEC 61850 for smart metering applications,” in 2011 IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), 2011, no. c, pp. 410–415.


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[29] B. Yoo, H.-S. Yang, S. Yang, Y. Jeong, and W. Kim, “CAN to IEC 61850 for microgrid system,” in 2011 International Conference on Advanced Power System Automation and Protection, 2011, pp. 1219–1224.

[30] S. Yang, B. Yoo, H. Yang, Y. Ahn, M. Hyun, and H. Jang, “Feasibility Study of Various Communication Networks for Smart Grid,” pp. 2–6, 2011.

[31] X. Lu, W. Wang, and J. Ma, “An empirical study of communication infrastructures towards the smart grid: Design, implementation, and evaluation,” vol. 4, no. 1, pp. 170–183, 2013.

[32] K. De Craemer and G. Deconinck, “Analysis of state-of-the-art smart metering communication standards,” in Proceedings of the 5th Young Researchers Symposium, 2010, pp. 1–6.

[33] Icontec, “NTC 6079: Requisitos para sistemas de infraestructura de medición avanzada (AMI) en redes de distribución de energia eléctrica,” 2014.

[34] J. Lee, K. Kapitanova, and S. H. Son, “The price of security in wireless sensor networks,” Comput. Networks, vol. 54, no. 17, pp. 2967–2978, Dec. 2010.

[35] F. Bernal and N. Cancino, “Red de sensores inalámbricos para microrredes eléctricas,” Distrital Francisco José de Caldas, 2016.

[36] J. I. Castañeda Fandiño, “Diseño de un algoritmo de control para la selección de fuentes de energía en una microrred eléctrica a partir de un proceso de estimación estadístico,” Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2015.

[37] M. Kuzlu, M. Pipattanasomporn, and S. Rahman, “Communication network requirements for major smart grid applications in HAN, NAN and WAN,” Comput. Networks, vol. 67, pp. 74–88, Jul. 2014.


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9. ANEXOS

9.1 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS SENSORES

En la tabla 8-1, se relacionan las características principales del transductor de corriente

LEM (LTSR-25NP).

Tabla 9-1. Características del transductor de corriente LEM (LTSR 25-NP).

Característica Valor

Tipo de sensor Efecto Hall, lazo cerrado

Tipo de corriente AC/DC

Corriente primaria nominal RMS 25A

Rango de medición ± 80A

Salida Tensión

Sensibilidad 25mV / A

Frecuencia DC - 200 kHz

Linealidad ± 0,1%

Precisión ± 0,2%

Polarización +5VDC

Tiempo de respuesta 0.4μs

Temperatura de funcionamiento -40 ° C ~ 85 ° C

Polarización bidireccional

En la tabla 8-2, se relacionan las características principales del transductor de

tensión LEM (LV-25P).


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Tabla 9-2. Características del transductor de tensión LEM (LV-25P).

Característica Valor

Tipo de sensor Efecto Hall, lazo cerrado

Tensión a medir AC/DC

Corriente primaria nominal ± 14mA

Rango de medición 500V

Salida Tensión

Conversión ratio 2500:1000

Corriente nominal del

segundario 25 mA

Frecuencia DC - 200 kHz

Linealidad ± 0,1%

Precisión ± 0,9%

Tensión de polarización ± 12V ± 15V

Tiempo de respuesta 0.4μs

Temperatura de

funcionamiento -40 ° C ~ 85 ° C

Polarización bidireccional

9.2 DIAGRAMAS CIRCUITALES DE LA UNIDAD DE MEDIDA

Figura 36 Diagrama circuital del módulo de sensores, modificado de [35]


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Figura 37 Diagrama circuital del circuito de acondicionamiento y protección, modificado de [35]


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Figura 38 Diagrama circuital del dispositivo de procesamiento DSP

9.3 CÓDIGO PRUEBAS AES

from

time

impor

t

time

from Crypto.Cipher import AES

from Crypto.Util import Counter

base = 16

pad = lambda s: s + (base ‐ len(s) % base) * chr(base ‐ len(s) % base)

unpad = lambda s : s[0:‐ord(s[‐1])]

llave= '23212345123456789123456723212345'

iv = '123456789abcdefg'

msg = 'P'

tmMsg = 1024 *100

#msg=msg.zfill(tmMsg)

print msg

#MODO ECB ‐ Bloque tamano fijo

tic_ECB=time()

cifrador = AES.new(llave,AES.MODE_ECB)

msgen = cifrador.encrypt(pad(msg))

tfc_ECB=time()

tiempocECB=tfc_ECB‐tic_ECB

#print msgen

ti_ECB=time()

decipher = AES.new(llave,AES.MODE_ECB)

unpad(decipher.decrypt(msgen))

tf_ECB=time()

tiempodECB=tf_ECB‐ti_ECB


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print 'ECB' ,'Cifrado:',tiempocECB ,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempocECB),

'Bytes/s'

print 'ECB' ,'Descifrado:',tiempodECB ,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempodECB),

'Bytes/s'

#MODO CFB

tic_CFB=time()

cifrador = AES.new(llave,AES.MODE_CFB,iv)

msgen=cifrador.encrypt(msg)

tfc_CFB=time()

tiempocCFB=tfc_CFB‐tic_CFB

#print msgen

tid_CFB=time()

decipher = AES.new(llave,AES.MODE_CFB,iv)

decipher.decrypt(msgen)

tfd_CFB=time()

tiempodCFB=tfd_CFB‐tid_CFB

print 'CFB Cifrado' , tiempocCFB,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempocCFB),

'Bytes/s'

print 'CFB Descifrado' , tiempodCFB,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempodCFB),

'Bytes/s'

#MODO CBC ‐ Bloque tamano fijo

tic_CBC=time()

cifrador = AES.new(llave,AES.MODE_CBC,iv)

msgen=cifrador.encrypt(pad(msg))

tfc_CBC=time()

tiempocCBC=tfc_CBC‐tic_CBC

#print msgen

tid_CBC=time()

decipher = AES.new(llave,AES.MODE_CBC,iv)


tfd_CBC=time()

tiempodCBC=tfd_CBC‐tid_CBC

print 'CBC Cifrado' ,tiempocCBC,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempocCBC), 'Bytes/s'


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print 'CBC Descifrado' ,tiempodCBC,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempodCBC),

'Bytes/s'

#MODO OFB ‐ Bloque tamano fijo

tic_OFB=time()

cifrador = AES.new(llave,AES.MODE_OFB,iv)

msgen = cifrador.encrypt(pad(msg))

tfc_OFB=time()

tiempocOFB=tfc_OFB‐tic_OFB

#print msgen

tid_OFB=time()

decipher = AES.new(llave,AES.MODE_OFB,iv)


tfd_OFB=time()

tiempodOFB=tfd_OFB‐tid_OFB

print 'OFB Cifrado' ,tiempocOFB,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempocOFB), 'Bytes/s'

print 'OFB Descifrado' ,tiempodOFB,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempodOFB),

'Bytes/s'

#MODO CTR

tic_CTR=time()

ctr =Counter.new(128)

cifrador = AES.new(llave,AES.MODE_CTR,counter =ctr)


tfc_CTR=time()

tiempocCTR=tfc_CTR‐tic_CTR

#print msgen

tid_CTR=time()

decipher = AES.new(llave,AES.MODE_CTR,counter=ctr)


tfd_CTR=time()

tiempodCTR=tfd_CTR‐tid_CTR

print 'CTR Cifrado' ,tiempocCTR,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempocCTR), 'Bytes/s'

print 'CTR Descifrado' ,tiempodCTR,'Tiempo:', (len(msg))/(tiempodCTR),

'Bytes/s'


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#MODO OPENPGP

tic_OPENPGP=time()

cifrador = AES.new(llave,AES.MODE_OPENPGP,iv)


tfc_OPENPGP=time()

tiempocOPENPGP=tfc_OPENPGP‐tic_OPENPGP

#print msgen

tid_OPENPGP=time()

decipher = AES.new(llave,AES.MODE_OPENPGP,iv)


tfd_OPENPGP=time()

tiempodOPENPGP=tfd_OPENPGP‐tid_OPENPGP

print 'OPENPGP Cifrado',tiempocOPENPGP,'Tiempo:',

(len(msg))/(tiempocOPENPGP), 'Bytes/s'

print 'OPENPGP Descifrado',tiempodOPENPGP,'Tiempo:',

(len(msg))/(tiempodOPENPGP), 'Bytes/s'

tiemposc=[tiempocCBC,tiempocCFB,tiempocCTR,tiempocECB,tiempocOFB,tiempocOPENP

GP]

tiemposd=[tiempodCBC,tiempodCFB,tiempodCTR,tiempodECB,tiempodOFB,tiempodOPENP

GP]

nombres=['CBC','CFB','CTR','ECB','OFB','OPENPGP']

menor=tiemposc[0]

indice=0

for valor in tiemposc:

if valor < menor:

menor = valor

indice=tiemposc.index(valor)

print nombres[indice] ,menor

menores=tiemposd[0]

indices=0

for valores in tiemposd:

if valores < menor:

menores = valores

indices=tiemposd.index(valores)

print nombres[indices] ,menores


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9.4 CÓDIGO ENCRIPTACIÓN

import

socket

import ssl

import seccure

import seguridad

import registros

import sys

publicaServer= '/dTH4?T]2K1WrB%CeYujd4I?{'

privada='uoi1243i4231'

publica= str(seccure.passphrase_to_pubkey(privada))

s = socket.socket()

ipServidor = 'localhost'

wrapedSocket=ssl.wrap_socket(s, ca_certs="server.crt",

cert_reqs=ssl.CERT_REQUIRED)

wrapedSocket.connect((ipServidor, 9000))

registros.registrar('Cliente',ipServidor,'Conectado con el servidor')

while True:

try:

firma = seccure.sign(publica, privada)

wrapedSocket.write(publica+'‐‐‐'+firma)

registros.registrar('Cliente',ipServidor,'Clave Publica Enviada')

datos = wrapedSocket.read()

split = datos.split('‐‐‐')

firmaServer = split[0]

cAES = split[1]

cMAC = split[2]

msjServer=cAES+'‐‐‐'+cMAC

registros.registrar('Cliente',ipServidor,'Claves recibidas')

if seccure.verify(msjServer, firmaServer, publicaServer):

registros.registrar('Cliente',ipServidor,'Firma Claves

Verificada')

print 'verificada la firma de server'

msj = 'ESTE ES EL MENSAJE QUE SE DESEA ENVIAR ENCRIPTADO'


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encriptador = seguridad.Seguridad(cAES,cMAC)

msgencrip=encriptador.encriptar(msj)

macenviado = encriptador.generarMAC(msgencrip)

firmaMsj = seccure.sign(msgencrip+'‐‐‐'+macenviado,privada)

print firmaMsj

wrapedSocket.write(firmaMsj+'‐‐‐'+msgencrip+'‐‐‐

'+macenviado)

registros.registrar('Cliente',ipServidor,'Mensaje

Encriptado Enviado')

else:

registros.registrar('Cliente',ipServidor,'Firma Claves

INVALIDA')

wrapedSocket.close()

mensaje = raw_input("> ")

break

except:

registros.registrar('Cliente',ipServidor,str(sys.exc_info()[0]))

print 'Conexion Cerrada'


s.close()

raise

print "Adios"


s.close()

9.5 CÓDIGO DEL DISPOSITIVO DE PROCESAMIENTO DSP

A continuación se muestra el código de utilizado para realizar la adquisición, digitalización,

cálculo de los valores RMS de las señales de tensión y corriente, ensamble de la trama y

envío de datos al módulo de comunicaciones, adaptación de [35].

#include "DSP28x_Project.h" // Device Headerfile and Examples Include File #include <string.h> #include <math.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> ////VARIABLES RAM ///// extern Uint16 RamfuncsLoadStart; extern Uint16 RamfuncsLoadEnd; extern Uint16 RamfuncsRunStart; ////INTERRUPCIONES//// __interrupt void cpu_timer0_isr(void); __interrupt void cpu_timer1_isr(void); __interrupt void rxbint_isr(void); __interrupt void ecap1_isr(void); __interrupt void ecap2_isr(void); __interrupt void ecap3_isr(void); __interrupt void ecap4_isr(void); __interrupt void ecap5_isr(void); __interrupt void ecap6_isr(void); ////////CONFIGURACION//////// void ADCconfiguracion(void); void ECAPconfiguracion(void); void SCIBconfiguracion(void); //////CICLO//////// void ADCLoop(void); void Frecuencia1(); void Frecuencia2(); void Frecuencia3(); void Frecuencia4(); void Frecuencia5(); void Frecuencia6();


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void inicializacion(); void tomadatos(); void CALCULOS(); void secuenciaenviar(); void divideval(int); void tx_envia(char[]); void rx_recibe(void); void loop1(void); void loop(); void tiempo(void); //////VARIABLES CLK ADC/////// #define ADC_MODCLK 0x3 // HSPCLK = SYSCLKOUT/2*ADC_MODCLK2 = 150/(2*3) = 25.0 MHz #define ADC_CKPS 0x9 // ADC module clock = HSPCLK/2*ADC_CKPS = 25.0MHz/(2*9) = 1.38MHz #define ADC_SHCLK 0xf // S/H VENTANA DEL PERIODO DEL MODULO ADC = 16 ADC clocks ///FACTOR MULTIPLICATIVO CONVERSION 0‐3V/// double multiplica=0.0007326007326007326; //VECTORES //// VOLTAJES/// double MVAB[185],MVBC[185],MVCA[185]; ////CORRIENTES/// double MIA[185],MIB[185],MIC[185],MINN[185]; //VOLTAJES PROMEDIOS// double MVAB2[20],MVBC2[20],MVCA2[20]; int y=0; ///VARIABLES PARA CICLOS int j; // VALORES DC Y RMS ////VOLTAJES double FVABDC,FVBCDC,FVCADC; double FVABRMS,FVBCRMS,FVCARMS; double FVABRMS2,FVBCRMS2,FVCARMS2; // raices double VABRMS,VBCRMS,VCARMS; // raiz final para enviar /// PROMEDIO DE RMS double PVABRMS,PVBCRMS,PVCARMS; ////CORRIENTES double FIADC,FIBDC,FICDC,FINDC; double FIARMS,FIBRMS,FICRMS,FINRMS; double FIARMS2,FIBRMS2,FICRMS2,FINRMS2;// raices


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double IARMS,IBRMS,ICRMS,INRMS;// raiz final para enviar ///VARIABLES ECAP/// // variable activacion y desactivacion // int true; // FASES int YA=1; // ENVIO POR MIN int PET=0; /// frecuencias// double Frec, Frec2, Frec3,Frec4,Frec5,Frec6; /// contafores para fases// double contador; //TIMER1 double contador1; // FASE2 double contador2; // FASE3 /// fases// double fase2,fase3; /// angulos // double desfase24, desfase25, desfase26; double fin =5.333; // valores a enviar int VVABRMS,VVBCRMS,VVCARMS; int VIARMS,VIBRMS,VICRMS,VINRMS; int VFrec, VFrec2, VFrec3, VFrec4,VFrec5, VFrec6; int Vfase2,Vfase3; int Vdesfase24, Vdesfase25, Vdesfase26; // variables tiempo int dia=6; int mes=11; int ano1; int ano2; Uint16 ano=2016; int hora=0; int min=0; int seg=0; // variables envio y recibido int r=0; int tipo; int nodo=5; int id=49; int M=0; int condiok1; int idinicio=60,idfinal=62; Uint16 recibe2[2]; Uint16 recibido=0;


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Uint16 numa,numa1,numa2,numa3,numa4,numa5,numano1,numano2; int int1,int3,int2,int4,int5; Uint32 e; void main(void) { InitSysCtrl(); // frecuencias voltajes// InitECap1Gpio(); InitECap2Gpio(); InitECap3Gpio(); // angulos /// InitECap4Gpio(); InitECap5Gpio(); InitECap6Gpio(); //sci InitSciaGpio(); InitScibGpio(); EALLOW; SysCtrlRegs.HISPCP.all = ADC_MODCLK; // HSPCLK = SYSCLKOUT/ADC_MODCLK EDIS; DINT; InitPieCtrl(); IER = 0x0000; IFR = 0x0000; InitPieVectTable(); MemCopy(&RamfuncsLoadStart, &RamfuncsLoadEnd, &RamfuncsRunStart); EALLOW; // This is needed to write to EALLOW protected registers PieVectTable.ECAP1_INT = &ecap1_isr; PieVectTable.ECAP2_INT = &ecap2_isr; PieVectTable.ECAP3_INT = &ecap3_isr; PieVectTable.ECAP4_INT = &ecap4_isr; PieVectTable.ECAP5_INT = &ecap5_isr; PieVectTable.ECAP6_INT = &ecap6_isr; PieVectTable.SCIRXINTB=&rxbint_isr; PieVectTable.TINT0 = &cpu_timer0_isr; PieVectTable.XINT13 = &cpu_timer1_isr; GpioCtrlRegs.GPBMUX1.bit.GPIO34 = 0; // 0=GPIO, 1=ECAP1, 2=Resv, 3=Resv GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO34 = 1; GpioCtrlRegs.GPAMUX2.bit.GPIO31 = 0; // 0=GPIO, 1=ECAP1, 2=Resv, 3=Resv GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO31 = 1; EDIS; InitCpuTimers(); // For this example, only initialize the Cpu Timers


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ConfigCpuTimer(&CpuTimer0, 150,1000000); ConfigCpuTimer(&CpuTimer1, 150,1); CpuTimer0Regs.TCR.all = 0x4000; // Use write‐only instruction to set TSS bit = 0 CpuTimer1Regs.TCR.all = 0x4000; // Use write‐only instruction to set TSS bit = 0 InitFlash(); InitAdc(); IER |= M_INT4; ///ECAP IER |= M_INT1; //TIMER0 IER |= M_INT13; //TIMER1 IER |=0x0100; // interrupcion RX CpuTimer1Regs.TCR.bit.TIE = 0; PieCtrlRegs.PIEIER9.bit.INTx3=1; // RX GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO34=1; // LED APAGADO // GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO31=0; // // PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx7 = 1; EINT; ERTM; inicializacion(); SCIBconfiguracion(); ADCconfiguracion(); ECAPconfiguracion(); for(;;){ if(YA==1) { tomadatos(); secuenciaenviar(); } if(PET==1) { tomadatos(); secuenciaenviar(); } } } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////INTERRUPCIONES//////////////


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__interrupt void rxbint_isr(void) { recibido = ScibRegs.SCIRXBUF.all; recibe2[r]=recibido; r++; if (r==2) { r=0; } if ((recibe2[0]==35 && recibe2[1]==42) ) { y++; recibe2[0]=0; recibe2[1]=0; ScibRegs.SCIRXBUF.all=0; CpuTimer0.InterruptCount=0; min=0; hora=0; PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx7 = 1; recibe2[0]=0; recibe2[1]=0; ScibRegs.SCIRXBUF.bit.RXDT=0; } if ((recibe2[0]==88 &&recibe2[1]==id) || (recibe2[0]==id &&recibe2[1]==88)) { GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO34 =0; loop(); GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO34 =1; //recibe2[0]=0; recibe2[1]=0; // ScibRegs.SCIRXBUF.bit.RXDT=0; } if( PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx7 == 1){ if ((recibe2[0]==89 &&recibe2[1]==id) || (recibe2[0]==id &&recibe2[1]==89)) { PET=1; //ScibRegs.SCIRXBUF.bit.RXDT=0; } } PieCtrlRegs.PIEACK.all|=0x100; ScibRegs.SCIFFRX.bit.RXFFINTCLR=1; } __interrupt void cpu_timer0_isr(void) { seg=CpuTimer0.InterruptCount++; tiempo(); PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;


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if((min==1||min==5||min==9||min==13||min==17||min==21||min==25||min==29||min==33||min==37||min==41||min==45||min==49||min==53||min==57) && seg==0){ // if((min==3||min==7||min==11||min==15||min==19||min==23||min==27||min==31||min==35||min==39||min==43||min==47||min==51||min==55||min==59) && seg==0){ YA=1; } } __interrupt void cpu_timer1_isr(void) { contador= CpuTimer1.InterruptCount++; EDIS; } __interrupt void ecap1_isr(void) { true++; if (true<3) { CpuTimer1Regs.TCR.bit.TIE = 1; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx2 = 1; contador1=contador; } if (true>3 && true<6) { CpuTimer1Regs.TCR.bit.TIE = 0; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx2 = 0; CpuTimer1.InterruptCount=0; } if (true>6 && true<9) { CpuTimer1Regs.TCR.bit.TIE = 1; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx3 = 1; contador2=contador; } if (true>9 && true<11) { CpuTimer1Regs.TCR.bit.TIE = 0; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx3 = 0; CpuTimer1.InterruptCount=0; } if (true>12) { PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx1 = 0;


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PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx2 = 0; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx3 = 0; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx4 = 0; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx5 = 0; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx6 = 0; CpuTimer1Regs.TCR.bit.TIE = 0; CpuTimer1.InterruptCount=0; true=0; } Frecuencia1(); ECap1Regs.ECCLR.bit.CEVT4 = 1; ECap1Regs.ECCLR.bit.INT = 1; ECap1Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // Acknowledge this interrupt to receive more interrupts from group 4 PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP4; fase2=((contador1‐54895)/(‐405.325))+120; fase3=((contador2‐54895)/(‐405.325))+120; } __interrupt void ecap2_isr(void) { CpuTimer1.InterruptCount=0; Frecuencia2(); ECap2Regs.ECCLR.bit.CEVT4 = 1; ECap2Regs.ECCLR.bit.INT = 1; ECap2Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // Acknowledge this interrupt to receive more interrupts from group 4 PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP4; } __interrupt void ecap3_isr(void) { CpuTimer1.InterruptCount=0; Frecuencia3(); ECap3Regs.ECCLR.bit.CEVT4 = 1; ECap3Regs.ECCLR.bit.INT = 1; ECap3Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // Acknowledge this interrupt to receive more interrupts from group 4 PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP4; } __interrupt void ecap4_isr(void) { Frecuencia4(); ECap4Regs.ECCLR.bit.CEVT4 = 1;


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ECap4Regs.ECCLR.bit.INT = 1; ECap4Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // Acknowledge this interrupt to receive more interrupts from group 4 PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP4; } __interrupt void ecap5_isr(void) { Frecuencia5(); ECap5Regs.ECCLR.bit.CEVT4 = 1; ECap5Regs.ECCLR.bit.INT = 1; ECap5Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // Acknowledge this interrupt to receive more interrupts from group 4 PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP4; } __interrupt void ecap6_isr(void) { Frecuencia6(); ECap6Regs.ECCLR.bit.CEVT4 = 1; ECap6Regs.ECCLR.bit.INT = 1; ECap6Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // Acknowledge this interrupt to receive more interrupts from group 4 PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP4; } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////CONFIGURACIONES////////////// void SCIBconfiguracion() { ScibRegs.SCICCR.all =0x0007; // 1 stop bit, No loopback // No parity,8 char bits, // async mode, idle‐line protocol ScibRegs.SCICTL1.all =0x0003; // enable TX, RX, internal SCICLK, // Disable RX ERR, SLEEP, TXWAKE ScibRegs.SCICTL2.all =0x0003; ScibRegs.SCICTL2.bit.RXBKINTENA = 1; ScibRegs.SCICTL2.bit.TXINTENA = 1; ScibRegs.SCIHBAUD =0x0001; ScibRegs.SCILBAUD =0x00E7; ScibRegs.SCIFFRX.all=0x0022; ScibRegs.SCIFFCT.all=0x0000; ScibRegs.SCICTL1.all =0x0023; // Relinquish SCI from Reset


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//ScibRegs.SCIFFRX.all=0x204f; ScibRegs.SCIFFCT.all=0x0; ScibRegs.SCIFFTX.all=0xE040; //ScibRegs.SCIFFTX.bit.TXFIFOXRESET=1; ScibRegs.SCIFFRX.bit.RXFIFORESET=1; } void ADCconfiguracion(void) { AdcRegs.ADCTRL1.bit.ACQ_PS = ADC_SHCLK; // AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCCLKPS = ADC_CKPS; // AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1 = 1; // AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SEL = 1; // AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC = 1; // AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_ENA_SEQ1= 1; // AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; // AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00 = 0x0; // A0‐B0 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV01 = 0x1; // A1‐B1 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV02 = 0x2; // A2‐B2 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV03 = 0x3; // A3‐B3 AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV03 = 0x3; // AdcRegs.ADCCHSELSEQ2.bit.CONV04 = 0x4; // AdcRegs.ADCCHSELSEQ2.bit.CONV05 = 0x5; // AdcRegs.ADCMAXCONV.bit.MAX_CONV1=0x0006; // } void ECAPconfiguracion(void) { //ECAP1 configura fases y frecuencias //ECAP4 ECap1Regs.ECEINT.all = 0x0000; // Disable all capture interrupts ECap1Regs.ECCLR.all = 0xFFFF; // Clear all CAP interrupt flags ECap1Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 0; // Disable CAP1‐CAP4 register loads ECap1Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 0; // Make sure the counter is stopped // Configure peripheral registers ECap1Regs.ECCTL2.bit.CONT_ONESHT = 1; // One‐shot ECap1Regs.ECCTL2.bit.STOP_WRAP = 3; // Stop at 4 events ECap1Regs.ECCTL1.bit.CAP1POL = 0; // Rising edge ECap1Regs.ECCTL1.bit.CAP2POL = 0; // Rising edge ECap1Regs.ECCTL1.bit.CAP3POL = 0; // Rising edge


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ECap1Regs.ECCTL1.bit.CAP4POL = 0; // Rising edge ECap1Regs.ECCTL1.bit.CTRRST1 = 0; // Difference operation ECap1Regs.ECCTL1.bit.CTRRST2 = 0; // Difference operation ECap1Regs.ECCTL1.bit.CTRRST3 = 0; // Difference operation ECap1Regs.ECCTL1.bit.CTRRST4 = 0; // Difference operation ECap1Regs.ECCTL2.bit.SYNCI_EN = 1; // Enable sync in ECap1Regs.ECCTL2.bit.SYNCO_SEL = 0; // Pass through ECap1Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable capture units ECap1Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 1; // Start Counter ECap1Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // arm one‐shot ECap1Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable CAP1‐CAP4 register loads ECap1Regs.ECEINT.bit.CEVT4 = 1; // 4 events = interrupt // cap5 ECap2Regs.ECEINT.all = 0x0000; // Disable all capture interrupts ECap2Regs.ECCLR.all = 0xFFFF; // Clear all CAP interrupt flags ECap2Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 0; // Disable CAP1‐CAP4 register loads ECap2Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 0; // Make sure the counter is stopped // C2nfigure peripheral registers ECap2Regs.ECCTL2.bit.CONT_ONESHT = 1; // One‐shot ECap2Regs.ECCTL2.bit.STOP_WRAP = 3; // Stop at 4 events ECap2Regs.ECCTL1.bit.CAP1POL = 0; // Falling edge ECap2Regs.ECCTL1.bit.CAP2POL = 0; // Rising edge ECap2Regs.ECCTL1.bit.CAP3POL = 0; // Falling edge ECap2Regs.ECCTL1.bit.CAP4POL = 0; // Rising edge ECap2Regs.ECCTL1.bit.CTRRST1 = 0; // Difference operation ECap2Regs.ECCTL1.bit.CTRRST2 = 0; // Difference operation ECap2Regs.ECCTL1.bit.CTRRST3 = 0; // Difference operation ECap2Regs.ECCTL1.bit.CTRRST4 = 0; // Difference operation ECap2Regs.ECCTL2.bit.SYNCI_EN = 1; // Enable sync in ECap2Regs.ECCTL2.bit.SYNCO_SEL = 0; // Pass through ECap2Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable capture units ECap2Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 1; // Start Counter ECap2Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // arm one‐shot ECap2Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable CAP1‐CAP4 register loads ECap2Regs.ECEINT.bit.CEVT4 = 1; // 4 events = interrupt //cap3 ECap3Regs.ECEINT.all = 0x0000; // Disable all capture interrupts ECap3Regs.ECCLR.all = 0xFFFF; // Clear all CAP interrupt flags


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ECap3Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 0; // Disable CAP1‐CAP4 register loads ECap3Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 0; // Make sure the counter is stopped // Configure peripheral registers ECap3Regs.ECCTL2.bit.CONT_ONESHT = 1; // One‐shot ECap3Regs.ECCTL2.bit.STOP_WRAP = 3; // Stop at 4 events ECap3Regs.ECCTL1.bit.CAP1POL = 0; // Falling edge ECap3Regs.ECCTL1.bit.CAP2POL = 0; // Rising edge ECap3Regs.ECCTL1.bit.CAP3POL = 0; // Falling edge ECap3Regs.ECCTL1.bit.CAP4POL = 0; // Rising edge ECap3Regs.ECCTL1.bit.CTRRST1 = 0; // Difference operation ECap3Regs.ECCTL1.bit.CTRRST2 = 0; // Difference operation ECap3Regs.ECCTL1.bit.CTRRST3 = 0; // Difference operation ECap3Regs.ECCTL1.bit.CTRRST4 = 0; // Difference operation ECap3Regs.ECCTL2.bit.SYNCI_EN = 1; // Enable sync in ECap3Regs.ECCTL2.bit.SYNCO_SEL = 0; // Pass through ECap3Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable capture units ECap3Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 1; // Start Counter ECap3Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // arm one‐shot ECap3Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable CAP1‐CAP4 register loads ECap3Regs.ECEINT.bit.CEVT4 = 1; // 4 events = interrupt // 4 events = interrupt //// configura para desfases y frecuencias //ECAP4 ECap4Regs.ECEINT.all = 0x0000; // Disable all capture interrupts ECap4Regs.ECCLR.all = 0xFFFF; // Clear all CAP interrupt flags ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 0; // Disable CAP1‐CAP4 register loads ECap4Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 0; // Make sure the counter is stopped // Configure peripheral registers ECap4Regs.ECCTL2.bit.CONT_ONESHT = 1; // One‐shot ECap4Regs.ECCTL2.bit.STOP_WRAP = 3; // Stop at 4 events ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAP1POL = 1; // Falling edge ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAP2POL = 0; // Rising edge ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAP3POL = 1; // Falling edge ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAP4POL = 0; // Rising edge ECap4Regs.ECCTL1.bit.CTRRST1 = 0; // Difference operation ECap4Regs.ECCTL1.bit.CTRRST2 = 0; // Difference operation ECap4Regs.ECCTL1.bit.CTRRST3 = 0; // Difference operation ECap4Regs.ECCTL1.bit.CTRRST4 = 0; // Difference operation ECap4Regs.ECCTL2.bit.SYNCI_EN = 1; // Enable sync in ECap4Regs.ECCTL2.bit.SYNCO_SEL = 0; // Pass through ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable capture units


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ECap4Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 1; // Start Counter ECap4Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // arm one‐shot ECap4Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable CAP1‐CAP4 register loads ECap4Regs.ECEINT.bit.CEVT4 = 1; // cap5 ECap5Regs.ECEINT.all = 0x0000; // Disable all capture interrupts ECap5Regs.ECCLR.all = 0xFFFF; // Clear all CAP interrupt flags ECap5Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 0; // Disable CAP1‐CAP4 register loads ECap5Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 0; // Make sure the counter is stopped // Configure peripheral registers ECap5Regs.ECCTL2.bit.CONT_ONESHT = 1; // One‐shot ECap5Regs.ECCTL2.bit.STOP_WRAP = 3; // Stop at 4 events ECap5Regs.ECCTL1.bit.CAP1POL = 1; // Falling edge ECap5Regs.ECCTL1.bit.CAP2POL = 0; // Rising edge ECap5Regs.ECCTL1.bit.CAP3POL = 1; // Falling edge ECap5Regs.ECCTL1.bit.CAP4POL = 0; // Rising edge ECap5Regs.ECCTL1.bit.CTRRST1 = 0; // Difference operation ECap5Regs.ECCTL1.bit.CTRRST2 = 0; // Difference operation ECap5Regs.ECCTL1.bit.CTRRST3 = 0; // Difference operation ECap5Regs.ECCTL1.bit.CTRRST4 = 0; // Difference operation ECap5Regs.ECCTL2.bit.SYNCI_EN = 1; // Enable sync in ECap5Regs.ECCTL2.bit.SYNCO_SEL = 0; // Pass through ECap5Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable capture units ECap5Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 1; // Start Counter ECap5Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // arm one‐shot ECap5Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable CAP1‐CAP4 register loads ECap5Regs.ECEINT.bit.CEVT4 = 1; // 4 events = interrupt //cap6 ECap6Regs.ECEINT.all = 0x0000; // Disable all capture interrupts ECap6Regs.ECCLR.all = 0xFFFF; // Clear all CAP interrupt flags ECap6Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 0; // Disable CAP1‐CAP4 register loads ECap6Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 0; // Make sure the counter is stopped // Configure peripheral registers ECap6Regs.ECCTL2.bit.CONT_ONESHT = 1; // One‐shot ECap6Regs.ECCTL2.bit.STOP_WRAP = 3; // Stop at 4 events ECap6Regs.ECCTL1.bit.CAP1POL = 1; // Falling edge ECap6Regs.ECCTL1.bit.CAP2POL = 0; // Rising edge ECap6Regs.ECCTL1.bit.CAP3POL = 1; // Falling edge ECap6Regs.ECCTL1.bit.CAP4POL = 0; // Rising edge ECap6Regs.ECCTL1.bit.CTRRST1 = 0; // Difference operation


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ECap6Regs.ECCTL1.bit.CTRRST2 = 0; // Difference operation ECap6Regs.ECCTL1.bit.CTRRST3 = 0; // Difference operation ECap6Regs.ECCTL1.bit.CTRRST4 = 0; // Difference operation ECap6Regs.ECCTL2.bit.SYNCI_EN = 1; // Enable sync in ECap6Regs.ECCTL2.bit.SYNCO_SEL = 0; // Pass through ECap6Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable capture units ECap6Regs.ECCTL2.bit.TSCTRSTOP = 1; // Start Counter ECap6Regs.ECCTL2.bit.REARM = 1; // arm one‐shot ECap6Regs.ECCTL1.bit.CAPLDEN = 1; // Enable CAP1‐CAP4 register loads ECap6Regs.ECEINT.bit.CEVT4 = 1; // 4 events = interrupt } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////CICLOS////////////// void inicializacion(){ int i; idinicio=60; idfinal=62; /// LIMPIEZA VARIABLES Y VECTORES// for (i=0; i<185; i++) { YA=1; //provisionalmente se deja en 1 hasta arreglar la interrupcion por SCI PET=0; j=0; MVAB[i] = 0; MVBC[i] = 0; MVCA[i] = 0; MIA[i] = 0; MIB[i] = 0; MIC[i] = 0 , MINN[i] = 0; FVABDC=0; FVBCDC=0; FVCADC=0; FVABRMS=0; FVBCRMS=0; FVCARMS=0; FIADC=0; FIBDC=0; FICDC=0; FINDC=0; FIARMS=0; FIBRMS=0; FICRMS=0; FINRMS=0; true=0; /// frecuencias// Frec=0; Frec2=0; Frec3=0; Frec4=0; Frec5=0; Frec6=0; /// contafores para fases// contador=0; //TIMER1 contador1=0; // FASE2 contador2=0; // FASE3 /// fases// fase2=0;fase3=0; /// angulos // desfase24=0; desfase25=0; desfase26=0; VVABRMS=0;VVBCRMS=0;VVCARMS=0;


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VIARMS=0;VIBRMS=0;VICRMS=0;VINRMS=0; VFrec=0; VFrec2=0; VFrec3=0; VFrec4=0;VFrec5=0; VFrec6=0; Vfase2=0;Vfase3=0; Vdesfase24=0; Vdesfase25=0; Vdesfase26=0; // r=0; recibido=0; recibe2[0]=0 ; recibe2[1]=0; } } void tomadatos(){ int k; for (k=0; k<20; k++) { ADCLoop(); /// interrupciones ecap PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx1 = 1; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx4 = 1; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx5 = 1; PieCtrlRegs.PIEIER4.bit.INTx6 = 1; } CALCULOS(); } void ADCLoop(void) { int i; /// LIMPIEZA VARIABLES Y VECTORES// for (i=0; i<185; i++) { MVAB[i] = 0; MVBC[i] = 0; MVCA[i] = 0; MIA[i] = 0; MIB[i] = 0; MIC[i] = 0 , MINN[i] = 0; FVABDC=0; FVBCDC=0; FVCADC=0; FVABRMS=0; FVBCRMS=0; FVCARMS=0; FIADC=0; FIBDC=0; FICDC=0; FINDC=0; FIARMS=0; FIBRMS=0; FICRMS=0; FINRMS=0; } //// CAPTURA DE DATOS //// for (i=0; i<185; i++) {


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AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1 = 1; MVAB[i]=sqrt(2)*(((((((AdcRegs.ADCRESULT0>>4))*multiplica))‐1.653271)/0.003272)+50.1); MVBC[i]=sqrt(2)*(((((((AdcRegs.ADCRESULT2>>4))*multiplica))‐1.599372)/0.003044)+49.8); MVCA[i]=sqrt(2)*(((((((AdcRegs.ADCRESULT4>>4))*multiplica))‐1.726426)/0.003038)+49.7); MIA[i]=sqrt(2)*(((((((AdcRegs.ADCRESULT1>>4))*multiplica))‐1.594349)/0.021908)+2.1); MIB[i]=sqrt(2)*(((((((AdcRegs.ADCRESULT3>>4))*multiplica))‐1.585767)/0.021340)+2.14); MIC[i]=sqrt(2)*(((((((AdcRegs.ADCRESULT5>>4))*multiplica))‐1.591941)/0.021034)+2.14); MINN[i]=sqrt(2)*(((((((AdcRegs.ADCRESULT7>>4))*multiplica))‐1.513762)/0.019108)); while (AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1== 0) {} // Wait for interrupt AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; } /// VALORES DC Y RMS /// for (i=1;i<185;i++) { FVABDC=(MVAB[i]/184)+FVABDC; FVBCDC=(MVBC[i]/184)+FVBCDC; FVCADC=(MVCA[i]/184)+FVCADC; FIADC=(MIA[i]/184)+FIADC; FIBDC=(MIB[i]/184)+FIBDC; FICDC=(MIC[i]/184)+FICDC; FVABRMS=(((MVAB[i]*MVAB[i])/184)+FVABRMS); FVBCRMS=(((MVBC[i]*MVBC[i])/184)+FVBCRMS); FVCARMS=(((MVCA[i]*MVCA[i])/184)+FVCARMS); FIARMS=(((MIA[i]*MIA[i])/184)+FIARMS); FIBRMS=(((MIB[i]*MIB[i])/184)+FIBRMS);FICRMS=(((MIC[i]*MIC[i])/184)+FICRMS);FINRMS=(((MINN[i]*MINN[i])/184)+FINRMS); } FVABRMS2=sqrt(FVABRMS); FVBCRMS2=sqrt(FVBCRMS); FVCARMS2=sqrt(FVCARMS); // // RAIZ FINAL RMS‐DC VABRMS=sqrt((FVABRMS2*FVABRMS2)‐(FVABDC*FVABDC)); VBCRMS=sqrt((FVBCRMS2*FVBCRMS2)‐(FVBCDC*FVBCDC)); VCARMS=sqrt((FVCARMS2*FVCARMS2)‐(FVCADC*FVCADC)); MVAB2[j]=VABRMS; MVBC2[j]=VCARMS; MVCA2[j]=VCARMS; FIARMS2=sqrt(FIARMS); FIBRMS2=sqrt(FIBRMS); FICRMS2=sqrt(FICRMS); FINRMS2=sqrt(FINRMS);


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IARMS=sqrt((FIARMS2*FIARMS2)‐(FIADC‐FIADC)); IBRMS=sqrt((FIBRMS2*FIBRMS2)‐(FIBDC‐FIBDC)); ICRMS=sqrt((FICRMS2*FICRMS2)‐(FICDC‐FICDC)); INRMS=sqrt((FINRMS2*FINRMS2)‐(FIADC‐FINDC)); j++; // promedio VOLTAJES // if (j==20) { PVABRMS=( MVAB2[0]+ MVAB2[1]+ MVAB2[2]+ MVAB2[3] + MVAB2[4]+ MVAB2[5]+ MVAB2[6]+ MVAB2[7]+ MVAB2[8]+ MVAB2[9]+ MVAB2[10]+ MVAB2[11]+ MVAB2[12]+ MVAB2[13] + MVAB2[14]+ MVAB2[15]+ MVAB2[16]+ MVAB2[17]+ MVAB2[18]+ MVAB2[19])/20; PVBCRMS=( MVBC2[0]+ MVBC2[1]+ MVBC2[2]+ MVBC2[3] + MVBC2[4]+ MVBC2[5]+ MVBC2[6]+ MVBC2[7]+ MVBC2[8]+ MVBC2[9]+ MVBC2[10]+ MVBC2[11]+ MVBC2[12]+ MVBC2[13] + MVBC2[14]+ MVBC2[15]+ MVBC2[16]+ MVBC2[17]+ MVBC2[18]+ MVBC2[19])/20; PVCARMS=( MVCA2[0]+ MVCA2[1]+ MVCA2[2]+ MVCA2[3] + MVCA2[4]+ MVCA2[5]+ MVCA2[6]+ MVCA2[7]+ MVCA2[8]+ MVCA2[9]+ MVCA2[10]+ MVCA2[11]+ MVCA2[12]+ MVCA2[13] + MVCA2[14]+ MVCA2[15]+ MVCA2[16]+ MVCA2[17]+ MVCA2[18]+ MVCA2[19])/20; } } void Frecuencia1() { Uint32 P1; Uint32 P2; P1 = ECap1Regs.CAP2‐ECap1Regs.CAP1; // Calculate 1st period P2 = ECap1Regs.CAP3‐ECap1Regs.CAP2; // Calculate 2st period if(P1<P2) { Frec = 150e6/P1; } else if (P2<P1) { Frec = 150e6/P2; } ECap1Regs.TSCTR=0; } void Frecuencia2() { Uint32 P12; Uint32 P22; P12 = ECap2Regs.CAP2‐ECap2Regs.CAP1; // Calculate 1st period


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P22 = ECap2Regs.CAP3‐ECap2Regs.CAP2; // Calculate 2st period if(P12<P22) { Frec2 = 150e6/P12; } else if (P22<P12) { Frec2 = 150e6/P22; } ECap2Regs.TSCTR=0; } void Frecuencia3() { Uint32 P13; Uint32 P23; P13 = ECap3Regs.CAP2‐ECap3Regs.CAP1; // Calculate 1st period P23 = ECap3Regs.CAP3‐ECap3Regs.CAP2; // Calculate 2st period if(P13<P23) { Frec3 = 150e6/P13; } else if (P23<P13) { Frec3 = 150e6/P23; } ECap3Regs.TSCTR=0; } //// desfases void Frecuencia4() { Uint32 P14; Uint32 duty14; Uint32 duty24; P14 = ECap4Regs.CAP3‐ECap4Regs.CAP1; // Calculate 1st period Frec4 = 150e6/P14; duty14=ECap4Regs.CAP2‐ECap4Regs.CAP1; duty24= ECap4Regs.CAP3‐ECap4Regs.CAP2; // desfase14=(duty14*360)/P14; desfase24=((((duty24*360)/P14))); ECap4Regs.TSCTR=0; } // defase void Frecuencia5() { Uint32 P15;


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Uint32 duty15; Uint32 duty25; P15 = ECap5Regs.CAP3‐ECap5Regs.CAP1; // Calculate 1st period Frec5 = 150e6/P15; duty15=ECap5Regs.CAP2‐ECap5Regs.CAP1; duty25=ECap5Regs.CAP3‐ECap5Regs.CAP2; // desfase15=(duty15*360)/P15; desfase25=((((duty25*360)/P15))); ECap5Regs.TSCTR=0; } void Frecuencia6() { Uint32 P16; Uint32 duty16; Uint32 duty26; P16 = ECap6Regs.CAP3‐ECap6Regs.CAP1; // Calculate 1st period Frec6 = 150e6/P16; duty16=ECap6Regs.CAP2‐ECap6Regs.CAP1; duty26=ECap6Regs.CAP3‐ECap6Regs.CAP2; //desfase16=(duty16*360)/P16; desfase26=((((duty26*360)/P16))); ECap6Regs.TSCTR=0; } void divideval(int a) { // VALOR numa =a; numa1 = numa / 10000; numa2 = (numa % 10000)/1000; numa3 = (numa % 10000) % 1000 / 100; numa4 = ((numa % 10000) % 1000) % 100 / 10; numa5 = (((numa % 10000) % 1000) % 100) % 10; int1=numa1; int2=numa2; int3=numa3; int4=numa4; int5=numa5; numano1=ano / 100; numano2=(ano % 100);; ano1=numano1; ano2=numano2;


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char tx_buff1[] = {idinicio,nodo,tipo,int1,int2,int3,int4,int5,idfinal,0x777}; do { tx_envia(tx_buff1); loop1(); } //while ((recibe2[0]!=condiok1 || recibe2[1]!=id) &&(recibe2[0]!=id || recibe2[1]!=condiok1) ); while (id==1); } void tx_envia(char s[]){ int k=0; while (s[k] !=0x777) { while ( ScibRegs.SCIFFTX.bit.TXFFST != 0) {} ScibRegs.SCITXBUF=s[k]; loop1(); k++; } } void loop1(void) { for(e=0;e<100000;e++) { ScibRegs.SCIFFRX.bit.RXFFINTCLR=1; ScibRegs.SCIRXBUF.all=0; } } void loop() { long i; for (i = 0; i < 1000000; i++) {} } void CALCULOS() { VVABRMS= PVABRMS*100; VVBCRMS=PVBCRMS*100; VVCARMS=PVCARMS*100; VIARMS =IARMS*100; VIBRMS=IBRMS*100; VICRMS=ICRMS*100; VINRMS=INRMS*100; VFrec=Frec*100; VFrec2=Frec2*100; VFrec3=Frec3*100; Vfase2=fase2*100;Vfase3=fase3*100; Vdesfase24=desfase24*100; Vdesfase25=desfase25*100; Vdesfase26=desfase26*100;


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} void secuenciaenviar(){ tipo=1; condiok1=65; divideval(VVABRMS); //VR‐S tipo=2; condiok1=66; divideval(VVBCRMS); //VS_T tipo=3; condiok1=67; divideval(VVCARMS); //VT‐R tipo=4; condiok1=68; divideval(VIARMS); //IR tipo=5; condiok1=69; divideval(VIBRMS); //IS tipo=6; condiok1=70; divideval(VICRMS); //IT tipo=7; condiok1=71; divideval(VINRMS); //IN tipo=8; condiok1=72; divideval(Vfase2); //fase2 tipo=9; condiok1=73; divideval(Vfase3); //fase3 tipo=10; condiok1=74; divideval(VFrec); // frec1 tipo=11; condiok1=75; divideval(VFrec2); //frec2 tipo=12; condiok1=76; divideval(VFrec3); //frec3 tipo=13; condiok1=77; divideval(Vdesfase24); ///desf1 tipo=14; condiok1=78; divideval(Vdesfase25); //desf2 tipo=15; condiok1=79; divideval(Vdesfase26); //def3 tipo=25; condiok1=80; divideval(fin); inicializacion(); } void tiempo(void){ if (seg==59) { CpuTimer0.InterruptCount=0; min++; if (min==59) { min=0; hora++; if (hora==24)


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