Introduction

O Action˳NET dispõe de uma solução para a gestão de microgrids com um algoritmo para otimizar a função objetivo a ser alcançada.

Esta solução permite executar os seguintes procedimentos:

1. Modelar qualquer microgrid utilizando o programa OpenDSS;

2. Importar, automaticamente, o modelo para o SCADA Action˳NET orientado a soluções de microgrid;

3. Gerar, automaticamente, a base de dados do modelo importado e as telas com o unifilar e geral e telas detalhe dos dispositivos que compõe a microgrid (Geradores, bancos de bateria, plantas solares, etc.);

4. Entrar com as funções restritivas do modelo importado, tais como tensões limítrofes, corrente máxima, demanda máxima, preço da energia, etc.;

5. Em módulo estudos, realizar todas as simulações da microgrid, tanto em modo “Snapshot”, como em modo “Daily”;

6. Em modo tempo real, simular o comportamento do sistema, com dados simulados semelhantes aos reais;

7. Finalmente, após a avaliação do sistema, executar o sistema com dados reais, oriundos do campo e deixe o sistema otimizar a função objetivo definida, em situações reais de gestão da microgrid.

Em função do modelo de microgrid e de suas funções características, adequa-se o algoritmo de otimização e, após os testes do modelo, passa-se a ter um sistema que automaticamente faz o controle daquele modelo em diferentes clientes.

Apresentação do OpenDSS

O Open Distribution System Simulator (OpenDSS) é um software de simulação para sistemas de distribuição de energia elétrica desenvolvido e suportado pelo EPRI. O programa suporta a maioria das análises em regime permanente, comumente realizadas para estudo e planejamento de sistemas de distribuição, como também é capaz de realizar novos tipos de análises que são necessárias para atender as necessidades relacionadas as Redes Elétricas Inteligentes (Smart Grids).

Muitos dos recursos encontrados no programa foram originalmente destinados a dar suporte às necessidades de análises de sistemas de geração distribuída (GD). Outros recursos dão suporte à análise de eficiência energética do transporte de energia e análise harmônica.

Por fim, o OpenDSS foi projetado para ser indefinidamente expansível de tal modo que possa ser facilmente modificado para atender as necessidades futuras ou para atender as necessidades específicas dos usuários.

Ele pode se integrar a diversos ambientes de desenvolvimento, sendo hoje integrado ao SCADA Action˳NET através de um módulo opcional.

Apresentação da Solução

Modelo de Microgrid usada na Aplicação Exemplo

Conforme descrito na introdução, a solução é adaptada para cada modelo de microgrid a ser gerenciada.

Para a apresentação desta solução criou-se uma microgrid hipotética composta de um posto de gasolina e um restaurante conectados à rede de distribuição. Tanto o posto como o restaurante têm um quadro de distribuição com um conjunto de cargas.

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Figura 1 – Exemplo de unifilar do microgrid.

Este par (Posto/Restaurante), como pode ser visto no unifilar apresentado na figura 1, possui um grupo gerador e uma bateria e, em função do preço da energia da distribuidora pode-se:

1. Carregar a bateria a partir da distribuidora e/ou do grupo gerador;

2. Alimentar o sistema através dessas duas fontes de energia e exportar a energia excedente para a distribuidora;

3. Alimentar o sistema a partir da bateria e exportar a energia excedente para a distribuidora;

4. Alimentar o sistema a partir do grupo gerador e exportar a energia excedente para a distribuidora.

A função objetivo do sistema é minimizar o custo da energia do par posto/restaurante, considerando o preço da energia da distribuidora a cada hora e o preço da energia gerada através do grupo gerador, a cada hora, considerando seu consumo e o preço do combustível.

Além de minimizar o preço diário da energia, a função objetivo deve também respeitar restrições elétricas do sistema tais como:

1. Potência aparente máxima;

2. Fator de potência mínimo;

3. Corrente máxima;

4. Range de tensão mínima e máxima do sistema;

5. Contrato de demanda do posto/restaurante;

6. Custo contratado quando o limite da demanda é ultrapassado.

A função objetivo, neste caso, otimiza a operação minimizando as perdas do sistema e seu custo operacional.

Configuração do Sistema no SCADA

Após a modelagem da microgrid, dentro do programa OpenDSS Importa-se esta rede modelada, automaticamente, para o programa Action˳NET - Grid˳NET, que é o SCADA já adaptado para desenvolvimento de soluções de gestão de Microgrid.

Quando se ativa o programa, é aberta a janela mostrada na figura 2.

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Figura 2 – Tela de abertura do programa

Na sequência, seleciona-se o modo configuração visando importar a microgrid modelada através do OpenDSS para o ambiente do SCADA.

Quando o sistema entra em modo configuração, conforme figura 3, no topo a direita, são mostrados quatro botões:

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• O 1⁰ botão apresenta o manual de importação do OpenDSS explicando como estruturar estes arquivos e em que diretório eles devem ser colocados.

• O 2⁰ botão importa os arquivos modelados no OpenDSS. A figura 3 mostra a tela do SCADA após esta importação.

• O   3⁰ botão gera, automaticamente, os tags do Action˳NET associados a cada circuito da microgrid e, finalmente, o 4⁰ botão cria, automaticamente, a tela com o unifilar da microgrid.

Na tela de configuração, mostrada na figura 3, existem três seções:

1. Elementos: logo após a importação da microgrid, como mostrado na figura, em “Elements”, está aberta uma combo-box onde estão todos os elementos que a compõe. Cada linha apresenta um elemento da microgrid modelada com seus atributos.

2. Definição dos parâmetros de referência: são definidos os parâmetros de referência da microgrid, usados para criar as restrições elétricas que devem ser consideradas tais como as tensões limítrofes, o mínimo fator de potência, a potência aparente da cabine primária do transformador, a demanda contratada e seu custo, etc.

3. Preço da energia da concessionária de distribuição: No caso da microgrid conectada a uma concessionária, o preço da energia a cada hora.

Observar que em função da microgrid a ser gerenciada e da sua função objetivo, esta tela de configuração poderá ser alterada, quanto aos itens (2) e (3).

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Figura 3 – Tela de configuração da microgrid, após importação do modelo.

 Após ter feito a configuração da microgrid, conforme mostrado na figura 4, o usuário retorna a tela de abertura e seleciona o modo processo.

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Figura 4 – Sair da tela de configuração clicando no ícone de usuário (vide imagem).

Barra de Ferramentas da Aplicação

Em todas as telas da aplicação é mostrado no topo superior da tela a barra de ferramentas com botões conforme descrito a seguir:

User: O nome do usuário logado no sistema.

• Ir para a tela anterior a esta

• Ir para home (tela inicial)

• Ir para modo estudos

• Ir para a tela de alarmes correntes do sistema

• Ir para a tela de eventos do dia

• Ir para sumário histórico do log de operação

• Ir para sumário de tags do sistema

• Ir para consulta a eventos históricos

• Ir para consulta a medidas históricas

• Ir para gráfico de tendência (tempo real e histórica)

• Ir para relatório de otimização do último dia

• Simulação de entradas em tempo real

• Filtro dos relatórios

• Exportar relatório para Excel (CSV)

Modo Processo/Estudos-Snapshot

Na sequência entra-se em modo processo em que existem dois modos operacionais: modo estudos, que permite analisar o comportamento da rede em função dos dados de entrada e de simulações de condições operacionais e modo otimização que lê os dados em tempo real e executa o algoritmo de otimização do comportamento da microgrid.

Quando se seleciona o modo processo, o sistema entra em modo otimização, como mostrado abaixo. Como não existem dados do campo está tudo zerado.

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Figura 5 – Modo processo - Otimização.

Selecionando o modo estudo, como mostrado na figura 6, o sistema entra em modo simulação/snapshot. Nesse modo, pode-se trabalhar em snapshot ou daily:

• Snapshot: é tirada uma foto do sistema em um dado instante do dia e pode-se estudar o comportamento da microgrid neste instante, após ser executado o fluxo de potência, através dos relatórios do OpenDSS disponíveis (reports);

• Daily: Seleciona-se uma hora do dia a ser estudada, em função da curva de carga do sistema a partir da zero hora até este momento.

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Figura 6 – Modo processo/estudos - Snapshot.

 Na figura acima, o sistema está com carga máxima, comprando energia da concessionária, o gerador produzindo energia também e a bateria sendo carregada.

Pode-se atuar no sistema, reduzindo cargas, atuando-se nos disjuntores, etc. e após roda-se o fluxo de potência e analisa-se o sistema naquele instante.

Clicando sobre um elemento da microgrid pode-se verificar seus parâmetros, como mostrado na figura abaixo onde o usuário clicou com o botão esquerdo do mouse sobre o nome da concessionária de distribuição (GRAAL).

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Figura 7 – Modo processo/Estudos- Snapshot/Atributos do elemento GRAAL.

A figura 8 mostra um relatório do OpenDSS da potência em cada circuito do sistema. Observe que são disponibilizados 13 relatórios do OpenDSS no modo de estudos, para que o usuário analise o comportamento da microgrid.

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Figura 8 – Exemplo de um relatório gerado em Modo processo/Estudos- Snapshot.

Modo Processo/Estudos – Daily

Em modo Daily, seleciona-se uma hora do dia e executa-se o fluxo de potência do início do dia até o horário definido. Na figura abaixo, descrevem-se as funções da barra de ferramentas para o modo daily: 

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1. Vai para modo tempo real.

2. Seleciona modo Snapshot/Daily.

3. Intervalo do passo.

4. Hora de fim do estudo.

5. Relatórios OpenDSS disponíveis.

6. Roda fluxo de potência para o intervalo definido.

7. Curva de carga (posto e restaurante).

8. Coloca medidores em cada elemento da microgrid.

9. Coloca monitor em elemento da microgrid.

10. Retira/Insere rede da concessionária.                                                                       

Por exemplo, na figura abaixo executou-se o fluxo de potência de todo o dia, isto é, do início do dia até às 24 horas.

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Figura 9 – Sistema em modo processo/Estudos - Daily.

A seguir são mostrados alguns exemplos de estudos feitos em modo daily:

1. A figura 10 mostra a curva de carga do posto de gasolina e do restaurante para o estudo [0, 24h];

2. A figura 11 mostra a inserção de medidores em cada elemento da Microgrid. No eixo X temos os registros, onde cada registro é uma variável da microgrid e no eixo Y temos os 15 circuitos da Microgrid;

3. A figura 12 mostra dois monitores mostrando a potência P1 em dois circuitos: CPFLPRITF1C4 e QTAQSCGRC1 durante as 24 horas;

4. A figura 13 mostra o ilhamento do sistema, após ser desligado o disjuntor de interligação da concessionária;

5. Desligamos a carga do restaurante e monitoramos a carga no circuito CPFLPRITF1C2. Observe que o sistema passa a vender energia para a concessionária de distribuição. Setas vermelhas exportando energia para a concessionária.

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Figura 10 – Curva de Carga do Posto de Gasolina e do Restaurante.

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Figura 11 – Medidores colocados em cada elemento da Microgrid.

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Figura 12 – Dois monitores colocados em 2 circuitos da microgrid.

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Figura 13 – Ilhamento do sistema e curva de carga do posto de gasolina após ilhamento.

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Figura 14 – A carga do restaurante é retirada e mostramos a potência no circuito CPFLPRITF1C2.

Modo Processo/Otimização

Após estudar a microgrid em todas as condições desejadas, o sistema pode ser ativado em modo Otimização quando, em tempo real, deverá otimizar a função objetivo da microgrid.

A figura 15 mostra o programa executando em tempo real, no modo simulação, quando são simuladas as entradas para o horário atual.

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Figura 15 – Microgrid em Tempo Real, modo simulação das entradas. 

Relatório de Otimização

Finalmente, na figura 16 é mostrado o resultado da execução do algoritmo de otimização durante 24 horas. Nenhuma função restritiva foi transgredida, isto é, a tensão esteve dentro dos limites definidos, a demanda máxima não foi ultrapassada, o fator de potência sempre esteve acima do limite mínimo, etc. Quando qualquer penalidade é registrada, o número de penalidades é incrementado e a respectiva penalidade é sinalizada em cor diferente. O custo operacional da energia é registrado e é mostrado o período do dia que a bateria estava sendo carregada e o período que ela alimentou as cargas. No modelo apresentado, obteve-se uma redução do custo da energia na ordem de 20%.

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Figura 16– Resultado da execução do algoritmo de otimização.

Conclusões

A solução para qualquer microgrid semelhante a apresentada no exemplo, está pronta, bastando o usuário alterar seus atributos caso existam algumas condições diferentes, como uma bateria ou um grupo gerador diferente do elemento modelado, uma concessionária de distribuição com outra planilha de preço/hora, cargas e transformador diferentes dos modelados, etc.

No caso de uma microgrid diferente onde, por exemplo, exista uma geração fotovoltaica além do gerador, será necessário fazer uma nova modelagem, um novo unifilar e a função objetivo poderá ser alterada, assim como os parâmetros de referência poderão ser alterados.

Na adequação do sistema para cada nova microgrid, será necessário desenvolver uma nova função objetivo, programando-se em C#, VB˳NET ou Python. Além disso, pode ser necessário alterar a tela de configuração do SCADA para adequar as restrições que devem ser respeitadas, assim como alterar o relatório de otimização para refletir a nova função objetivo com suas restrições.

Mas uma vez concluída a nova microgrid, a solução estará pronta para este segundo modelo de microgrid e poderá ser repetido para redes similares, mas com atributos diferentes, bastando alterar estes últimos.

has a solution for the management of microgrids with an algorithm to optimize the objective function to be achieved.

This solution allows you to perform the following procedures:

1. Model any microgrid using the OpenDSS program;

2. Automatically import the model for SCADA Action˳NET oriented to microgrid solutions;

3. Generate, automatically, the database of the imported model and the screens with the unifilar and general and detail screens of the devices that make up the microgrid (Generators, battery banks, solar plants, etc.);

4. Enter with the restrictive functions of the imported model, such as borderline voltages, maximum current, maximum demand, energy price, etc.;

5. In module studies, perform all microgrid simulations, both in "Snapshot" mode, as in "Daily" mode;

6. In real-time mode, simulate the behavior of the system, with simulated data similar to the real ones;

7. Finally, after the evaluation of the system, run the system with real data from the field and let the system optimize the defined objective function, in real microgrid management situations.

Depending on the microgrid model and its characteristic functions, the optimization algorithm is adapted and, after the model tests, a system that automatically controls that model in different customers is adjusted.

OpenDSS Presentation

Or Open Distribution System Simulator (OpenDSS) is a simulation software for electric power distribution systems developed and supported by the EPRI. The program supports most permanent analyses, commonly performed for the study and planning of distribution systems, as well as being able to perform new types of analyses that are necessary to meet the needs related to Smart Grids.

Many of the features found in the program were originally intended to support distributed generation system (GD) analytics needs. Other features support energy transport energy efficiency analysis and harmonic analysis.

Finally, OpenDSS is designed to be indefinitely expandable in such a way that it can be easily modified to meet future needs or to meet the specific needs of users.

It can integrate with various development environments, being now integrated into SCADA Action˳NET through an optional module.

Presentation of the Solution

Microgrid Model Used in The Sample Application

As described in the introduction, the solution is adapted for each microgrid model to be managed.

For the presentation of this solution, a hypothetical microgrid was created composed of a gas station and a restaurant connected to the distribution network. Both the gas station and the restaurant have a distribution board with a set of loads.

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Figure 1 - Example of microgrid unifilar.

This pair (Station/Restaurant), as can be seen in the unifilar shown in Figure 1, has a generator set and a battery and, depending on the price of the distributor's energy, can:

1. Charge the battery from the distributor and/or generator set;

2. Feed the system through these two energy sources and export the surplus energy to the distributor;

3. Feed the system from the battery and export the excess energy to the distributor;

4. Feed the system from the generator set and export the surplus energy to the distributor.

The objective function of the system is to minimize the cost of energy of the gas station/restaurant pair, considering the price of the distributor's energy every hour and the price of the energy generated through the generator set, every hour, considering its consumption and the price of fuel.

In addition to minimizing the daily price of energy, the objective function must also respect electrical restrictions of the system such as:

1. Maximum apparent power;

2. Minimum power factor;

3. Maximum current;

4. Minimum and maximum voltage range of the system;

5. Demand contract of the post/restaurant;

6. Cost contracted when the demand limit is exceeded.

The objective function, in this case, optimizes the operation minimizing system losses and its operating cost.

System Configuration in SCADA

After microgrid modeling, within the OpenDSS program this automatically modeled network for the Action˳NET - Grid˳NET program, which is the SCADA already adapted for the development of Microgrid management solutions, is imported.

When the program is active, the window shown in Figure 2 opens.

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Figure 2 - Program opening screen

Next, you select the configuration to import the microgrid modeled through OpenDSS into the SCADA environment.

When the system goes into configuration mode, as shown in Figure 3, at the top right, four buttons are shown:

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The 10th button presents the OpenDSS import manual explaining how to structure these files and in which directory they should be placed. The 20 button imports the modeled files in OpenDSS. Figure 3 shows the SCADA screen after this import. The 30 button automatically generates the Action˳NET tags associated with each microgrid circuit, and finally the 4th button automatically creates the screen with the microgrid unifilar.

On the configuration screen, shown in Figure 3, there are three sections:

1. Elements: right after importing the microgrid, as shown in the figure, in "Elements", a combo-box is open where all the elements that compose it are. Each line presents a microgrid element modeled with its attributes.

2. Definition of reference parameters: the microgrid reference parameters are defined, used to create electrical restrictions that must be considered such as borderline voltages, minimum power factor, apparent power of the primary transformer cab, contracted demand and its cost, etc.

3. Electricity price of the distribution concessionaire: In the case of the microgrid connected to a concessionaire, the price of energy every hour.

Note that depending on the microgrid to be managed and its objective function, this configuration screen can be changed, as for items (2) and (3).

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Figure 3 - Microgrid configuration screen, after importing the model.

 After setting up the microgrid, as shown in Figure 4, the user returns the opening screen and selects the process.

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Figure 4 - Exit the configuration screen by clicking on the user icon (see image).

Application Toolbar

On all screens of the application is shown at the top of the screen the toolbar with buttons as described below:

Process/Studies-Snapshot Mode

Next, you go into process where there are two operational modes: Studies, which allows the analysis of the network's behaviour according to input data and simulations of operating conditions and optimization that reads the data in real time and runs the microgrid behavior optimization algorithm.

When you select process mode, the system goes into optimization mode, as shown below. Since there is no data from the field, everything is zeroed out.

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Figure 5 - Process mode - Optimization.

By selecting the study mode, as shown in Figure 6, the system goes into simulation/snapshot mode. In this mode, you can work in snapshot or daily:

• Snapshot: a photo of the system is taken at a given moment of the day and one can study the behavior of the microgrid at this moment, after the power flow is performed, through the available OpenDSS reports (reports);

• Daily: Select one time of day to be studied, depending on the load curve of the system from zero hour to this moment.

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Figure 6 - Process/study mode - Snapshot.

 In the figure above, the system is at full load, buying power from the concessionaire, the generator producing energy as well and the battery being charged.

It can act on the system, reducing loads, acting on circuit breakers, etc. and after wheeling the power flow and analyzing the system at that moment.

By clicking on an element of the microgrid you can check its parameters, as shown in the figure below where the user left-clicked on the name of the distribution concessionaire (GRAAL).

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Figure 7 - Process Mode/Studies- Snapshot/Attributes of the GRAAL element.

Figure 8 shows an OpenDSS report of the power on each system circuit. Note that 13 OpenDSS reports are available in study mode, so the user can analyze the behavior of the microgrid.

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Figure 8 - Example of a report generated in Process/Studies-Snapshot mode.

Process/Studies Mode - Daily

In Daily mode, you select an hour of the day and run the power flow from the beginning of the day to the set time. The figure below describes the toolbar functions for daily mode: 

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1. Go to real-time mode.

2. Selects Snapshot/Daily mode.

3. Step interval.

4. Time to end the study.

5. OpenDSS reports available.

6. Wheel power flow to the defined range.

7. Load curve (station and restaurant).

8. Places gauges on each element of the microgrid.

9. Puts monitor on microgrid element.

10. Removes/Inserts network from the concessionaire.                                                                       

For example, in the figure below, the power flow of the whole day was performed, that is, from the beginning of the day to 24 hours.

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Figure 9 - System in process/studies mode - Daily.

The following are some examples of studies done in daily mode:

1. Figure 10 shows the load curve of the gas station and restaurant for the study [0, 24h];

2. Figure 11 shows the insertion of meters in each element of the Microgrid. On the X axis we have the records, where each record is a microgrid variable and on the Y axis we have the 15 microgrid circuits;

3. Figure 12 shows two monitors showing P1 power in two circuits: CPFLPRITF1C4 and QTAQSCGRC1 during the 24 hours;

4. Figure 13 shows the islanding of the system, after the concessionaire's interconnection circuit breaker is switched off;

5. We turn off the load of the restaurant and monitor the load in the CPFLPRITF1C2 circuit. Note that the system starts selling power to the distribution concessionaire. Red arrows exporting power to the utility.

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Figure 10 - Load Curve of the Gas Station and restaurant.

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Figure 11 - Meters placed on each element of the Microgrid.

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Figure 12 - Two monitors placed on 2 microgrid circuits.

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Figure 13 - System islanding and load curve of the gas station after islanding.

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Figure 14 – The restaurant load is removed and we show the power in the CPFLPRITF1C2 circuit.

Process/Optimization Mode

After studying the microgrid in all the desired conditions, the system can be activated in Optimization mode when, in real time, it should optimize the objective function of the microgrid.

Figure 15 shows the program running in real time, in simulation mode, when entries for the current time are simulated.

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Figure 15 - Real-time Microgrid, entries simulation mode. 

Optimization Report

Finally, figure 16 shows the result of running the optimization algorithm for 24 hours. No restrictive function was transgressed, that is, the voltage was within the defined limits, the maximum demand was not exceeded, the power factor was always above the minimum limit, etc. When any penalty is recorded, the number of penalties is incremented and the penalty is flagged in different color. The operational cost of the energy is recorded and is shown the period of the day that the battery was being charged and the period that it fed the charges. In the model presented, there was a reduction in the cost of energy in the order 20%.

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Figure 16- Result of the execution of the optimization algorithm.

Conclusions

The solution for any microgrid similar to that presented in the example is ready, simply by changing its attributes if there are some different conditions, such as a battery or a generator set other than the modeled element, a distribution concessionaire with another price/hour spreadsheet, loads and transformer different from the modeled ones, etc.

In the case of a different microgrid where, for example, there is a photovoltaic generation beyond the generator, it will be necessary to do a new modeling, a new unifilar and the objective function can be changed, as well as the reference parameters can be changed.

In the adequacy of the system for each new microgrid, it will be necessary to develop a new objective function, programming in C#, VB˳NET or Python. In addition, you may need to change the SCADA configuration screen to match the constraints that must be respected, as well as change the optimization report to reflect the new objective function with its constraints.

But once the new microgrid is complete, the solution will be ready for this second microgrid model and can be repeated for similar networks, but with different attributes, simply by changing the latter.