Supervisión y Gestión de Datos de Código Abierto
de una Microrred Aislada en una Escuela Rural
Open Source Data Management and Supervision System of an Isolated Microgrid in a
Rural School
Guillermo Catuogno
#1
, Guillermo Acosta
*
, Carlos Catuogno
#
#
Laboratorio de Control Automático (LCA), INTEQUI (CONICET-UNSL),
Villa Mercedes, Argentina.
1
grcatuogno@unsl.edu.ar
*
Laboratorio de Control Automático (LCA), UNSL,
Villa Mercedes, Argentina.
Resumen— En este trabajo se presenta la implementación
de un sistema de gestión de datos recolectados de una
microrred eólica-solar instalado en una escuela rural de
ubicación remota. Este sistema fue realizado utilizando
software libre, y consiste en la adquisición de los datos del
sistema eólico-solar, el almacenamiento de la información en
una base de datos relacional y la visualización de la
información procesada a través del servidor y visualizada por
medio de un navegador web. El sistema desarrollado fue
instalado en el paraje Puerta del Sol, ubicado al norte de la
provincia de San Luis y consta de un controlador lógico
programable (PLC) que recolecta la información del proceso,
una pantalla interface hombre-máquina (HMI) para
visualización local de los datos procesados, y una computadora
que contiene un servidor web y un gestor de base de datos
(ubicada en las instalaciones de la Universidad). La
computadora ejecuta una aplicación programada en Python
que periódicamente consulta al PLC vía internet sobre la
información del proceso y guarda esta información en una
base de datos MariaDB (compatible MySQL). Paralelamente el
servidor web responde mediante aplicaciones programadas en
lenguaje PHP a las consultas que, desde un cliente externo
remoto, sean solicitadas mediante una página HTML. El
comportamiento del sistema de gestión propuesto se ha
validado con los resultados experimentales obtenidos.
Palabras clave: Supervisión; gestión de datos; codigo abierto.
Abstract— This paper presents the implementation of a data
management system. The data is colleted from a wind-solar
microgrid installed in a remote rural school. This system was
made using free software, and consists of the acquisition of
data from the wind-solar generator, the storage of the
information in a relational database and the visualization of
the information processed through the internet by means of a
web browser. The developed system was installed in the Puerta
del Sol area, located in the north of the province of San Luis
and consists of a programmable logic controller (PLC) that
collects the information of the process, a human-machine
interface (HMI) screen for local visualization process data, and
a computer that contains a web server and a database manager
(located at the University facilities). An application
programmed in Python runs in the computer and periodically
queries the PLC via the internet about the process information
and saves this information in a MariaDB database (MySQL
compatible). At the same time, the web server responds
through applications programmed in PHP language to the
queries that, from a remote external client, are requested
through an HTML page. The behavior of the proposed
management system has been validated with the experimental
results obtained.
Keywords: Supervision; data management; open source.
I. INTRODUCCION
La demanda de electricidad ha aumentado
constantemente debido al crecimiento de la población en
todo el mundo. Además, los nuevos desafíos requieren de
sistemas de electrificación sostenibles, basados en su
relación con el medioambiente, el funcionamiento
económico y la conveniencia social.
Una microrred (MR) [1-3], como se muestra en la Fig. 1,
es una red de pequeña escala que puede integrar generación
distribuida, fuentes de energía renovables (RES),
generadores convencionales, sistemas de almacenamiento y
sus consumos. Este tipo de sistemas de electrificación son
respetuosos con el medioambiente, y se puede operar en
modo conectado a la red o en modo aislado en el caso de
comunidades rurales o dispersas donde el servicio eléctrico
no llega.
Fig. 1. Escuela rural María Florentina Carreño
Esta penetración de fuentes renovables descentralizadas
en la red, como las microrredes, ha producido la inclusión de
Tecnologías de la Información durante la última década para
brindar gestión de energía, datos y sistemas de
comunicación. El avance de la informática y las
comunicaciones ha hecho posible el registro de datos de
procesos remotos en tiempo real, su almacenamiento en
Recibido: 26/02/21; Aceptado: 30/04/21
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.5.1.127.2021
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bases de datos y la posibilidad de visualizar estos datos en
forma ordenada y metódica por los usuarios. Se presenta
aquí un sistema automatizado que permite la captura,
almacenamiento y posterior visualización de los datos de un
proceso en tiempo real. El acceso a los datos podría darse
desde cualquier computadora o dispositivo móvil conectado
a internet.
En este trabajo se presenta un desarrollo realizado e
implementado en una escuela rural, con software open
source, con mínimos requerimientos de hardware, que
permite ser implementada y compartida por toda la
comunidad científica. Finalmente se introduce un nuevo
dispositivo denominado OpenWee que permite obtener un
sistema completamente abierto y de bajo costo.
II. DESCRIPCIÓN DE LA MICRORRED
La escuela rural "Maestra Florentina Carreño" se
encuentra en el departamento General San Martin, en uno de
los puntos de mayor altura de la Provincia de San Luis,
Argentina. El camino a la escuela es por la ruta provincial
RP-2 donde los últimos 20 kilómetros son de un camino de
ripio de difícil acceso y el cruce a través de arroyos hace
imposible la circulación de vehículos urbanos. En un radio
de 10 km se encuentran las localidades más cercanas que son
Libertador de San Martin y la localidad de Quines
perteneciente al Departamento Ayacucho.
La Fig. 2 presenta un diagrama en bloques de la
estructura de la micorrred, donde se observa que el sistema
eólico y solar alimenta a través de sus reguladores las barras
de CC al cual están conectadas las baterías. El inversor
CC/CA también está conectado al bus de CC. Por otro lado,
el sistema cuenta con una llave selectora que permite
cambiar la alimentación de las cargas entre la microrred
hibrida y el grupo diésel ya disponible en la escuela [4,5].
Fig. 2. Esquema de la microrred eléctrica implementada
III. SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y GESTIÓN DE DATOS
En las siguientes subsecciones se describen el sistema de
supervisión y gestión de datos open source, comenzando con
la descripción del hardware utilizado, la captura de
información, el almacenamiento de la información en la base
de datos y el servidor y cliente web.
A. Descripción y uso del hardware de campo
Para la captura de los datos se adjuntó a la placa del
generador eólico-solar un tablero eléctrico conteniendo un
PLC (programable logic controller) compuesto de un
módulo CPU (central processor unit), un módulo de
comunicación Ethernet que está configurado con una
dirección IP fija y un módulo de entradas analógicas.
Además, en el frente del tablero se colocó una pantalla HMI
(human machine interface) para realizar la visualización
local de los datos. El PLC es el encargado de leer las
entradas digitales y analógicas donde se conectan sensores
de corriente, tensión, etc., que dan el valor directo de las
variables de proceso involucradas. El PLC también calcula
cierta información adicional a partir de los sensores con
datos previamente adquiridos: corrientes inferidas,
porcentajes de carga/descarga, etc. La función de la pantalla
HMI es la de mostrar en tiempo real esta información en una
forma comprensible para la operación y diagnóstico del
sistema. Este sistema está representado en la Fig. 3.
Fig. 3. Esquema del sistema de supervisión y gestión de datos
B. Captura de la información
El comienzo de la captura de datos comienza con los
sensores instalados en el sistema y conectados a las entradas
analógicas del PLC, se utilizó un divisor resistivo para la
medición del voltaje de las baterías, un sensor de
temperatura ubicado también en las baterías y cuatro
sensores de corriente marca LEM LA25 tipo ventana que
permiten medir valores de corriente positivos y negativos.
Luego, el PLC comercial de uso industrial marca
DELTA modelo DVP12SE y el módulo analógico DELTA
DVP-06AD es utilizado para adquirir la información
entregada por los sensores para ser escalada
convenientemente y almacenarse en registros internos del
PLC.
Fig. 4. PLC DELTA y HMI DELTA utilizados en la implementación.
Esta información es accedida desde una computadora
externa llamada “Servidor de Nivel 2” que tiene instalado un
sistema operativo Ubuntu (GNU/Linux). En esta
computadora corre un programa escrito en el lenguaje de
programación Python haciendo uso de una librería llamada
pyModbusTCP, que implementa el protocolo de
comunicación que entiende el PLC, que en este caso es el
protocolo ModbusTCP [6]. Esta librería es de uso gratuito
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con licencia GPL (general public license) descargable del
sitio de Python (www.python.org), [7].
La lectura de los datos se realiza en forma periódica cada
un (1) minuto. En la Fig. 5 puede observarse un fragmento
resumido de código que ejemplifica cómo se produce la
lectura de los datos del PLC en la computadora Servidor de
Nivel 2.
Fig. 5. Código de ejemplo de lectura de datos desde PLC.
C. Almacenamiento de la información
La aplicación escrita en lenguaje Python captura los
datos e inmediatamente inserta esta información en la base
de datos MariaDB que está instalada en la misma
computadora. La información de los datos de proceso se
inserta en una tabla de datos de proceso con la fecha y la
hora de adquisición.
MariaDB es un sistema de gestión de bases de datos
procedente de MySQL con licencia GPL. Está desarrollado
por Michael (Monty) Widenius (fundador De MySQL) y la
comunidad de desarrolladores de software libre [8].
D. Servidor web
En la computadora llamada "Servidor de Nivel 2" donde
corre la aplicación Python que adquiere los datos, también se
ha instalado un servidor web Apache que responde a las
consultas web que provengan de distintos dispositivos
remotos como computadoras, tablets o celulares. El servidor
web genera páginas html resolviendo código php. Los
clientes web invocan una página html que reside en el
servidor y pueden hacerlo con parámetros adicionales, por
ejemplo, con la fecha inicial y final del período de tiempo
deseado de consulta de datos. El servidor corre código PhP
que filtra, procesa y devuelve los datos requeridos. Para esto
se genera internamente una consulta SQL (structured query
language) a la base de datos MariaDB y luego devuelve la
información en el formato JSON (javascript object notation)
adecuado para la transmisión hacia el cliente. Estos datos
enviados en formato JSON son procesados en el cliente por
una librería Javascript, que los procesa y genera la
visualización correspondiente en un gráfico del tipo x-t.
Se incluyen las referencias de archivos javascript que
residen en el servidor y son necesarios para mostrar los datos
en forma gráfica (librería de gráficos AmCharts) [9], y otras
librerías adicionales que fueran necesarias. Se resalta aquí
que todas estas librerías javascript son de uso libre,
respondiendo a una licencia GPL o similar. En la Tabla I se
muestra la funcion de los softwares utilizados y su tipo de
licencia.
TABLA I. LISTADO DE SOFTWARE LIBRE UTILIZADOS CON SU FUNCION Y
TIPO DE LICENCIA
Tipo de Licencia
Función
Python Software Found Licence
Lenguaje de Programación
GNU GPL
Paquete de instalación
Apache License, version 2.0
Servidor web
PHP License version 3.01
Leng. De progrmacion de servidor
GNU GPL
Gestor de base de datos
Free under linkware license
Lib. javascript para graficos
BSD & MIT License
Lib. javascript para objeto
MIT License
Lib. de javascript para fechas
MIT License
Lib. de comunicación cliente
E. Clientes web
El servidor web puede ser accedido por cualquier
computadora y/o dispositivos móviles que esté conectada a
la red. Solo se necesita en el cliente un navegador web actual
que pueda interpretar los lenguajes Html5, CCS, y
Javascript.
F. Confiabilidad y robustez
Un sistema de alimentación ininterrumpida (cuya sigla en
inglés es UPS) impide el apagado del servidor ante cortes de
tensión. Si el PLC y la HMI salen de servicio por un corte de
alimentación en la ubicación remota, esto no resulta un
problema ya que la programación Python en el servidor es
capaz de reintentar la comunicación hasta recuperarla.
IV. VISULAIZACION Y RESULTADOS OBTENIDOS
La librería javascript utilizada para graficar se llama
AmCharts v.3 y puede ser descargada de internet. La
información mostrada puede tener varios formatos distintos.
Uno de ellos es el formato x-t que sirve para mostrar
información temporal (como es nuestro caso), pudiendo
mostrar varias señales a la vez, colocar líneas límite, o bien
barras verticales que sirven para medir tiempo entre eventos.
Al gráfico se lo puede imprimir, grabar con formato de
imagen (jpg) o con formato de datos para hoja de cálculo
(xls) o con formato de documento portable (pdf); también se
lo puede modificar con anotaciones, permitiéndose elegir el
color de la anotación y luego grabar como imagen.
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A continuación, se muestran algunas capturas de
pantallas obtenidas con el presente sistema de gestión de
datos (Fig. 6 y Fig. 7).
En la Fig. 6 se puede observar el comportamiento de la
microrred durante un día completo, donde se puede ver el
voltaje de las baterías (rojo), la corriente de los paneles PV
(verde) que comienzan a generar alrededor de las 8:00am
hasta las 18:00 pm, la corriente en las baterías (azul) que se
están descargando hasta que comienza a generar los PV, la
corriente de la carga (marrón) que se incrementa después de
las 9:00am y también aumenta su consumo durante la noche.
Finalmente se registra la corriente del aerogenerador (rosa)
que no genera energía durante ese día.
La Fig. 7 presenta datos históricos de 10 días, donde
puede verse el comportamiento de la microrred,
identificando algunos días de mucho viento y por
consiguiente generación del aerogenerador (martes 10 sept y
jueves 16 sept.).
También se observa un día donde el sistema sale de
servicio (jueves 12 sept) debido a que hubo varios días
nublados y el voltaje de las baterías alcanzo su límite inferior
apagando el sistema.
Fig. 6. Gráfico tipo x-t que muestra la variación en el tiempo de las corrientes y tensiones de la microrred (1 día).
Fig. 7. Gráfico tipo x-t que muestra la variación en el tiempo de las corrientes y tensiones de la microrred (10 días).
V. TRABAJOS FUTUROS
En este trabajo se propone un sistema de gestión de datos
con software abierto, que pueda ser replicado en aplicaciones
de microrredes eléctricas. En la Fig. 3 se puede observar el
PLC, el cuál es el dispositivo más costoso y puede ser un
limitante para la implementación de este sistema. A partir de
esto se está trabajando es un dispositivo de hardware abierto
que permita cumplir la función que realiza el PLC a un bajo
costo y fácil de replicar.
Este dispositivo, denominado OpenWee [10], puede ser
utilizado para aplicaciones eólicas de baja potencia con la
capacidad de trabajar como regulador eólico, freno
automático y también datalogger del sistema. El regulador
eólico contempla las tres fases de carga de una batería, a
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granel (bulk), absorción y flote, esto permite prolongar la
vida útil de la misma. El freno automático se activa
deteniendo el aerogenerador cuando se supera un voltaje por
encima de las referencias de regulación, trabajando como
protección. También es posible activarlo manualmente
mediante un interruptor. Finalmente, el datalogger, permite
monitorear diferentes variables de sensores y mediante wifi
almacenarlas en una base de datos en la nube, para luego
poder visualizarlas mediante celular o PC.
El dispositivo OpenWee está basado en un
microcontrolador STM32FC106, y tiene disponible los
siguientes periféricos (Tabla II).
TABLA II. CARACTERISTICAS DE LOS PEROFERICOS DEL OPENWEE
I/O
Tipo
Función
1 entrada DC Bus
Potencia
Control de DC Bus
1 salida R Dump
Potencia
Control de DC Bus
1 salida a Mosfet
Potencia
Regulador eolico
2 salidas a Rele
potencia
multipropósito
2 salidas digitales
Señal
multipropósito
5 salidas LED
Supervisión
Estado del OpenWee
1 salida Buzzer
Supervisión
Estado del OpenWee
6 entradas digitales
Señal
Multipropósito
5 entradas analógicas
Señal
Multipropósito
ESP8266 ESP-07
WIFI
datalogger
La transmisión de datos se realiza mediante WIFI a
través de un módulo ESP8266 que permite comunicarse con
el router de la escuela realizando la misma función que con
el PLC. En la Fig. 8 se presentan imágenes con las
características del OpenWee.
Fig. 8. Características del OpenWee.
La potencialidad del OpenWee (Fig. 9) reside en que al ser
open source ofrece la posibilidad de modificarlo para que se
adapte mejor a la aplicación y configuración de la microrred,
incluyendo diferentes sensores y variables, también su bajo
costo permite alcanzar un dispositivo asequible para las
comunidades rurales que generalmente son de bajos
recursos.
Fig. 9. OpenWee.
VI. CONCLUSIONES
A la fecha de escribir el presente trabajo el sistema lleva
funcionando más de 1 año, demostrando ser robusto y
confiable.
La presentación de los datos realizada con la librería
AmCharts es muy conveniente porque es completamente
customizable en cuanto a colores, tamaños, formas y
funcionalidad. Todo el software utilizado es libre (open
source), las licencias varían en los detalles, pero todas son
variantes de la GPL, con excepción la licencia de la librería
de gráficos AmCharts que es del tipo linkware (gratis si
mantenemos el link a la página del desarrollador en una
esquina del gráfico). El sistema completo resulta ser de muy
bajo costo y con mucha potencialidad de uso.
Finalmente se propone como trabajo futuro, el reemplazo
del programador lógico controlable por el dispositivo
OpenWee, dispositivo abierto que permite realizar la misma
función a un bajo costo y con la misma eficacia.
REFERENCIAS
[1] Goel, S., Sharma, R., Performance evaluation of standalone, grid
connected and hybrid renewable energy systems for rural application: a
comparative review. Renew. Sustain. Energy Rev. 78(October), 1378 –
1389, 2017.
[2] Khodayar, M.E. Rural electrification and expansion planning of off-grid
microgrids. Electr. J. 2017, 30, 68–74.
[3] A. Chauhan and R: Saini, “A review on Integrated Renewable Energy
System based power generation for standalone applications: Configurations,
storage options, sizing methodologies and control”, Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 2014, vol. 38, pp. 99–129.
[4] Guillermo R. Catuogno, Luis R. Torres, L. Proietti and Guillermo O.
Garcia, “Methodology for the Selection and Sizing of an Isolated
MicroGrid Based on Economic Criteria", IEEE Latin America Transactions,
IEEE Latin America Transactions, 2019,
[5] S. Cruz, N. Lastra, F. Patti, C. Martinez, F. Sosa, C. Catuogno, G. Frias,
G. Acosta, L. Torres, L. Poietti, M. Perez Larraburu, G. Pleitavino, E. Van
Dam, G. Garcia and G. Catuogno. "Metodología de Diseño e
Implementación de una Microrred Aislada para Escuelas
Rurales" SIMIIER 2019, 3er Simposio Ibero-Americano en Microrredes
Inteligentes con Integración de Energías Renovables, Itaipu, Brasil, 2, 3 y 4
de octubre de 2019.
[6] Librería de comunicación ModbusTCP, url:
https://pypi.org/project/pyModbusTCP/
[7] Lenguaje de programación Python, url: www.python.org
[8] Base de datos MariaDB, url: https://mariadb.org/
[9] Librería de gráficos javascript AmCharts, url: www.amcharts.com
[10] https://github.com/grcatu/OpenWee
Revista elektron, Vol. 5, No. 1, pp. 15-19 (2021)
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