En este artículo se observa la simulación de cuatro microrredes. Utilizando un enfoque de agente inteligente, se espera que una microrred suministre su demanda local de forma independiente; sin embargo, la carga y la intermitencia de la generación pueden provocar un exceso o falta de energía temporal de una microrred. Se sugiere en la literatura que este problema se puede mitigar almacenando energía en bancos de baterías y/o importando la energía requerida de una o más microrredes vecinas, después de su acoplamiento temporal [32], [33]. Esta gestión de la energía se puede realizar a través de la implementación de múltiples agentes. El desempeño de la estrategia desarrollada se evalúa mediante simulación en OpenDSS-G /Python.

Para propósitos de este estudio, el sistema multiagente es independiente de las arquitecturas de agrupamiento de las microrredes [32]-[34]. En la Figura 2 se observa el modelo de simulación a realizar.

Figura 2 Figura 2 Esquema de microrredes para simulación Fuente: elaboración propia.

Un agente inteligente es una entidad autónoma que monitorea el entorno a través de sensores y actúa sobre él mediante el uso de actuadores, dirigiendo su actividad al logro de los objetivos del agente [35]. El agente inteligente procesa la información recibida, hace comparaciones con reglas concretas, investiga posibles decisiones y finalmente selecciona la solución apropiada mientras se comunica con otros agentes en un entorno específico [36].

OpenDSS-G es la interfaz gráfica del simulador de sistemas de distribución de código abierto del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI por su sigla en inglés), llamado OpenDSS, el cual ha evolucionado hacia un software de procesamiento en paralelo: OpenDSS V8. EPRI identificó la necesidad de desarrollar una interfaz para evaluar los futuros requisitos de redes inteligentes para estudios de planificación y operación.

OpenDSS-G es una interfaz integral para facilitar el uso de las funciones avanzadas de OpenDSS, proporcionando un entorno de desarrollo que imita una sala de control rodeada de herramientas gráficas que pueden ser interpretadas intuitivamente por los usuarios [37].

Cada proceso de OpenDSS es operado y centralizado por los componentes que integra OpenDSS-G. Este proceso mantiene la conexión de simulación con todos los componentes de OpenDSS a través de un servidor TCP, incluidos los que están fuera de OpenDSS-G, como las plataformas de cosimulación y sus códigos externos (LabVIEW, Matlab, Python). El protocolo por el cual se realiza la comunicación se llama DSTCP. Los comandos requeridos para la conexión con aplicaciones externas están documentados en la interfaz TCP/IP contenida en el manual de OpenDSS-G.

Para la implementación del modelo mostrado en la Figura 2, se toma como microrred (MG por su sigla en inglés) un sistema conformado por paneles solares, baterías y un tipo de carga (hogar). Este es el caso de las microrredes 1, 2 y 3. Para la microrred 4, el sistema está conformado por un generador eólico y una carga que simula el consumo energético de un hogar, en este escenario no se tienen baterías para almacenamiento de energía (ver Figura 2 y Figura 4). Las microrredes se encuentran interconectadas por medio de un interruptor a un bus principal, con un voltaje generado por las microrredes de 120 V RMS y frecuencia constante de 60 Hz. El control de los interruptores se realiza mediante comandos desde Python. Estas estructuras para la interconexión de microrredes es tema de estudio [33], [38].

En la Tabla 1 se describen los parámetros de potencia para las microrredes. Los datos de irradiancia solar, velocidad del viento y demanda de carga fueron obtenidos y ajustados de [39]-[41]. Los perfiles solares hacen referencias a las ciudades de Valledupar, para la MG-1; Sincelejo, para MG-2; Barranquilla, para la MG-3 y perfil eólico; y para la Guajira, MG-4, con un tiempo de toma de datos durante 24 horas. En la Figura 3 se observan los perfiles obtenidos.

Tabla 1 Tabla 1 Parámetros de operación para las microrredes

Variable	Significado de la variable	Valores límites
Pv1	Panel Solar MG-1	0 ≤ Pv1 ≤ 5 kW
Pv2	Panel Solar MG-2	0 ≤ Pv2 ≤ 6 kW
Pv3	Panel Solar MG-3	0 ≤ Pv3 ≤ 6.3 kW
Pe	Sistema de generación eólica	0 ≤ Pe ≤ 3.3 kW
Bt1	Batería 1	0 ≤ Bt1 ≤ 5 kW
Bt2	Batería 2	0 ≤ Bt2 ≤ 7.6 kW
Bt3	Batería 3	0 ≤ Bt3 ≤ 7.7 kW
SOC1	Estado de carga Batería 1	0.3 ≤ SOC1 ≤ 0.8
SOC2	Estado de carga Batería 2	0.3 ≤ SOC2 ≤ 0.8
SOC3	Estado de carga Batería 3	0.3 ≤ SOC3 ≤ 0.8
C1	Carga 1	0 ≤ C1 ≤ 2.5 kW
C2	Carga 2	0 ≤ C2 ≤ 2.4 kW
C3	Carga 3	0 ≤ C3 ≤ 2.7 kW
C4	Carga 4	0 ≤ C4 ≤ 2.5 kW

Fuente: elaboración propia.

Figura 3 Figura 3 Potencia generada y consumida para las microrredes (MG-i) Fuente: elaboración propia.

La arquitectura diseñada está formada por cinco agentes inteligentes, uno por cada microrred y uno ubicado en el bus principal, como se presenta en la Figura 4. Para describir el MAS es necesario precisar las percepciones, acciones, el objetivo y el entorno. En la Tabla 2 se describen estos aspectos.

Figura 4 Figura 4 Topología de las microrredes (MG-i) y arquitectura de los agentes Fuente: elaboración propia.

Tabla 2 Tabla 2 Comportamiento de los agentes

Percepciones	Potencia producida y consumida por las unidades de la microrred (Pv, Pw y SOC), estado de los interruptores, conexión con las microrredes, rango de operación de los bancos de baterías.
Comportamiento	Determinar los puntos de operación de los componentes del sistema.
Objetivos	Satisfacer plenamente las demandas de energía y el estado de carga (SOC) de los bancos de baterías con el objetivo de garantizar una mayor vida útil de las baterías.
Entorno	Todos los componentes de la microrred y microrredes vecinas.
Acción	Apertura y cierre de los interruptores.

Fuente: elaboración propia

En la Figura 4 y Figura 5 se puede observar que el modelo cuenta con cinco agentes (rojo, azul, verde, azul claro y blanco) que controlan y monitorean la potencia generada y el estado de las baterías (SOC) en cada microrred. Estos agentes se identifican como: agente MG-1 (agente fotovoltaico No. 1), el agente MG-2 (agente fotovoltaico No. 2), el agente MG-3 (agente fotovoltaico No. 3), el agente MG-4 (agente eólico No. 4) y el agente GE (agente gestión de energía No. 5).

Los agentes inteligentes del sistema fueron informados sobre el estado de la microrred a través de monitores instalados, los cuales pueden asumir el rol de sensores. La topología del sistema de múltiples agentes se presenta en la Figura 4. La forma de comunicación entre todos los agentes es por TCP/IP. Toda la información es compartida entre todos los agentes.

Sin embargo, cada agente utilizó solo una parte de esa información, pues no todas las microrredes requerían o exportan la misma cantidad de potencia.

En la Figura 5 se puede revisar con mayor detalle la arquitectura del MAS. Los agentes fotovoltaicos (MG-i) tienen el mismo modo de operación. Estos agentes se conectan con los monitores de información para obtener datos de las potencias de las fuentes de energía renovables, el SOC y los consumos de energía en la carga (Ci). Esta información fue utilizada por los agentes No. 1, No. 2, No. 3 y No. 5. El agente eólico (MG-4) es autónomo, se conecta al bus principal la mayor parte del tiempo para entregar energía excedente o para conseguir energía para su carga local. Esta información fue utilizada por los agentes No. 1, No. 2, No. 3 y No. 5.

Figura 5 Figura 5 Arquitectura del Sistema multiagentes (MAS Fuente: elaboración propia

El agente (GE) realiza la gestión de energía tomando información de las microrredes vecinas para conocer la potencia excedente y la potencia actual de las baterías. Este agente envía información para que las microrredes realicen apertura o cierre de sus interruptores para cargar baterías. Esta información fue utilizada por los agentes No. 1, No. 2 y No. 3.

Para el diagrama del agente fotovoltaico mostrado en la Figura 6, el algoritmo recibe información de la potencia generada en la DER, la potencia de consumo de la carga y el SOC de la batería. El primer paso realizado por el algoritmo es adquirir la diferencia de potencia que hay en el panel solar y la potencia consumida por la carga. Una vez obtenida la diferencia de potencia, verifica el SOC de la batería, el cual debe estar entre los valores de estado de carga (SOC_MIN) y (SOC_MAX), para los valores mínimo y máximo, teniendo en cuenta los trabajados en [32]. Dependiendo del estado de carga (SOC), el algoritmo calcula la potencia total que se está generando en ese momento en la MG-i. Este valor calculado es entregado al agente de gestión de energía (GE), y dependiendo del estado de la batería se le puede indicar al agente (GE) que se necesita cargar o descargar, o mantenerse con la reserva. Si el SOC de la batería es mayor al valor SOC_MAX, el agente fotovoltaico no carga la batería con el fin de evitar un exceso de carga, caso contrario si es menor indica que requiere energía. Si el SOC es mayor al valor SOC_MIN, el algoritmo permite la descarga de la batería hasta el valor mínimo. Una vez alcanzado este valor no se permite continuar la descarga, esto con el fin de evitar descargas profundas en la batería. Después de enviar información al agente de gestión de energía, la información de regreso al agente fotovoltaico es abrir o cerrar su interruptor principal para entregar potencia a la microrred y permitir la carga o descarga de la batería.

Figura 6 Figura 6 Algoritmo agente fotovoltaico (MG-1,2,3) Fuente: elaboración propia

El algoritmo del agente de gestión de energía (GE), presentado en la Figura 7, es el encargado de realizar el cálculo de potencia entre las cuatro microrredes. Este algoritmo obtiene información sobre la cantidad de potencia que generan las MG. El algoritmo recibe información de la potencia total de cada MG-i y la potencia actual de las baterías. Una vez recibida esta información ejecuta el cálculo de la potencia total; de esta potencia se toma un nuevo valor de potencia requerido por las baterías. Luego de que se tiene el resultado del cálculo, el algoritmo informa al agente de la microrred correspondiente que puede abrir o cerrar interruptores para el paso de potencia requerida. En la Tabla 3 se pueden apreciar todas las variables asociadas en el algoritmo.

Figura 7 Figura 7 Algoritmo para agente de gestión de energía GE Fuente: elaboración propia

Tabla 3 Tabla 3 Variables utilizadas en el algoritmo

Variable	Significado de la variable	Variable	Significado de la variable
Ppv	Potencia generada por los paneles	Sm0	No cargar baterías
Pld	Potencia generada por la carga	Sm1	Cargar baterías
Ptoti	Potencia residual en una MG	Sm2	Descargar baterías
SOC_MIN	Estado de carga mínimo batería	PTBi	Potencia máx. de la batería
SOC_MAX	Estado de carga máximo batería	Pr	Potencia residual de todas las MG
PBi	Potencia batería	SW_i	Interruptor de conexión al bus

Fuente: elaboración propia

En la Figura 8 se describe el algoritmo del agente eólico. Su objetivo principal es mantener la potencia requerida para la carga No. 4, contrario a los agentes fotovoltaico, este no tiene baterías. El algoritmo del agente eólico tiene la libertad de conectarse al bus principal para entregar energía o para tomar energía requerida. Por el escenario del perfil la mayor parte del tiempo entrega energía.

Figura 8 Figura 8 Algoritmo agente eólico Fuente: elaboración propia

Este primer caso de prueba planteó un escenario en donde la energía producida es mayor a la cantidad de energía requerida. Este es el escenario ideal para la operación en modo isla, es decir que no hay interconexión entre las microrredes. En la Tabla 1 se indican las DER, las baterías y las cargas utilizadas para este caso. Los perfiles de potencia de las cargas y las potencias generada por las DER se pueden apreciar en la Figura 3. Los datos fueron obtenidos y organizados de [39]-[41]. El estudio del caso de prueba 1 fue simulado durante 24 horas usando el modelo planteado en la Figura 1.

Para el estudio del caso se toman tres resultados por cada microrred (MG-1, MG-2, MG 3). En las Figuras 9, 10 y 11 se observa el comportamiento de la potencia generada en los paneles solares, las baterías y el consumo de una carga doméstica. En cada una de estas gráficas se aprecia la respuesta de seguimiento que realizan las baterías para cumplir con el consumo eléctrico de la carga en las horas donde los paneles no generan potencia. El comportamiento que tienen las baterías, según la gráfica, es: para valores negativos está cargado y para valores positivos se descarga. El agente programado para cada microrred tiene dentro de sus objetivos que las baterías proporcionen potencia de acuerdo con el comportamiento de consumo de la carga.

Figura 9 Figura 9 Potencia MG-1 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

Figura 10 Figura 10 Potencia MG-2 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia

Figura 11 Figura 11 Potencia MG-3 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

En los resultados de los perfiles de voltaje, como se observa en las Figuras 12, 13 y 14, este presenta variaciones, pero se mantiene dentro del rango de los 108 V RMS. En las gráficas del estado de carga de las baterías (SOC), mostrado en las Figuras 15, 16 y 17, se observa que estas se mantienen en un rango entre el 30 % y el 80 % de su capacidad. Se puede apreciar en estas gráficas que durante las horas 6 hasta las 16 ocurre un incremento en las curvas hasta lograr el máximo de carga permitido; esto ocurre en las horas en las que actúan los paneles solares.

Figura 12 Figura 12 Voltaje Carga Ld_1 en la MG-1 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

Figura 13 Figura 13 Voltaje Carga Ld_2 en la MG-2 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

Figura 14 Figura 14 Voltaje Carga Ld_3 en la MG-3 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

Figura 15 Figura 15 SOC Batería_1 en la MG-1 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

Figura 16 Figura 16 SOC Batería_2 en la MG-2 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

Figura 17 Figura 17 SOC Batería_3 en la MG-3 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

En la Figura 18, que corresponde a la MG-4, se muestran los resultados obtenidos de potencia generada por la fuente eólica y consumo eléctrico en la carga (C_4). Esta microrred (MG) no tiene banco de baterías, y abre y cierra el interruptor (SW_3) de manera autónoma. Por último, la Figura 19 muestra el voltaje RMS medido en el bus principal al estar las microrredes en modo isla, es decir, no interconectadas. Este valor es de 0 V.

Figura 18 Figura 18 Potencia MG-4 para caso de prueba en isla Fuente: elaboración propia.

Figura 19

*La Figura 19 corresponde al voltaje A.C. medido en el bus de interconexión de todas las microrredes.

El segundo caso de prueba muestra un escenario en donde hay interconexión de todas las microrredes; los agentes programados presentan dentro de sus objetivos la decisión de apertura o cierre de sus interruptores (SW_i, por sus iniciales en inglés) para permitir el paso de potencia hacia el interior o exterior de la microrred. Como en el caso de prueba anterior, en la Tabla 1 se indicaron los DER, las baterías y las cargas utilizadas para este caso. En la Figura 3 se observaron los perfiles de potencia generados por las cargas eléctricas y las potencias generadas por los DER. Estos datos fueron tomados de [39]-[41]. Para el análisis del caso de prueba 2, este fue simulado durante 24 horas usando el modelo mostrado en la Figura 1.

Para este caso de prueba 2 se tomaron tres resultados por cada microrred (MG-1, MG-2, MG-3). En las Figuras 20, 21 y 22 se puede analizar el comportamiento de la potencia. Por otro lado, en la Figura 20 se observa que en la MG-1 la batería no entrega energía de acuerdo con el consumo de potencia de la carga eléctrica; al estar en interacción con las demás microrredes aprovecha la energía del bus principal para suplir la demanda de carga; esto se observa en las horas 2 a 5, cuando la batería está cargando.

Figura 20 Figura 20 Potencia MG-1 para caso de prueba de interconexión Fuente: elaboración propia.

Figura 21 Figura 21 Potencia MG-2 para caso de prueba de interconexión Fuente: elaboración propia.

Figura 22 Figura 22 Potencia MG-3 para caso de prueba de interconexión Fuente: elaboración propia.

En la Figura 21 y 22 se muestra que para la MG-2 y MG-3, la batería entrega potencia de acuerdo con la necesidad de consumo de la carga eléctrica (C_i). Asimismo, en las Figuras 20, 21 y 22 se puede apreciar que durante las horas de trabajo los paneles solares y las baterías logran una estabilidad, luego de esto la gráfica se mantiene en cero, resultado que indica que la batería tiene su máxima capacidad de carga programada y debe mantenerse en estado de reposo hasta que se requiera la potencia almacenada.

Las Figuras 23, 24 y 25 se refieren a los perfiles de voltaje medidos, este se mantiene aproximadamente en 108 V RMS. De igual forma, en las Figuras 26, 27 y 28 se analizan los estados de carga de las baterías (SOC) y se observan cambios con respecto al caso de prueba en modo isla. En este sentido, el SOC de las baterías de prueba varía entre el 50 % y el 80 % sin pasar su máximo permitido o programado en estas circunstancias. Para este caso de prueba las baterías se cargan con mayor velocidad. La Figura 29 hace referencia a la MG-4, de generación eólica, la cual mantiene la respuesta igual que en el caso anterior. En las Figuras 30 y 31 se observa que el voltaje puede variar en el bus de 0 a 108 V RMS cuando es conectada una microrred o varias microrredes al mismo tiempo durante el periodo de interconexión.

Figura 23 Figura 23 Voltaje Carga Ld_1 en la MG-1 para caso de interconexión Fuente: elaboración propia

Figura 24 Figura 24 Voltaje Carga Ld_2 en la MG-2 para caso de interconexión Fuente: elaboración propia.

Figura 25 Figura 25 Voltaje Carga Ld_3 en la MG-3 para caso de interconexión Fuente: elaboración propia.

Figura 26 Figura 26 SOC Batería_1 en la MG-1 para caso de prueba de interconexión Fuente: elaboración propia.

Figura 27 Figura 27 SOC Batería_2 en la MG-2 para caso de prueba de interconexión Fuente: elaboración propia.

Figura 28 Figura 28 SOC Batería_3 en la MG-3 para caso de prueba de interconexión Fuente: elaboración propia.

Figura 29 Figura 29 Resultados de potencia en la MG-4 para caso de prueba en interconexión Fuente: elaboración propia.

Figura 30 Figura 30 Conexión de una microrred (MG-3) al bus principal Fuente: elaboración propia.

Figura 31

**Las Figuras 30 y 31 corresponde al voltaje A.C. medido en el bus de interconexión de todas las microrredes.