RESUMEN

Las microrredes eléctricas son consideradas una alternativa para la generación y distribución de electricidad en entornos rurales alejados de la red de distribución principal, y necesitan nuevas estrategias de intercambio de datos entre las cargas y generadores distribuidos, según la estratégia de control elegido para la microrred, con el objetivo de entregar energía eléctrica de buena calidad. En el presente artículo se realiza el análisis de los parámetros de un algoritmo de encaminamiento por demanda, aplicado a una red de sensores inalámbricos, para el intercambio de datos de control entre los elementos que componen una microrred eléctrica aislada, con el fin de identificar y reconfigurar la topología de red para el esquema de control elegido de la microrred aprovechando los procesos de descubrimiento y búsqueda de rutas del protocolo.

Palabras clave: AODV, Microrred, Redes de sensores inalámbricos.

ABSTRACT

Microgrids are considered an alternative for generation and distribution of electricity in rural areas far from the main electrical grid, and new strategies for data exchange among distributed generators are needed, depending on the control scheme chosen for the microgrid, with the purpose of delivering good quality power. In this article, the parameters of an on demand routing algorithm are analyzed, applied to a wireless sensor network, for control data exchange among all islanded microgrid generators, in order to identify and reconfigure the chosen network topology scheme, for the microgrid, taking advantage of the protocol’s discovery and route search processes.

Keywords: AODV, Microgrid, Wireless Sensor Network.

1. INTRODUCCIÓN

Las redes de sensores inalámbricos, WSN (Wireless Sensor Networks), poseen características que las posicionan entre las tecnologías más eficientes y económicas para la adquisición, procesamiento, transmisión y encaminamiento de datos, en varios campos como la domótica, la agricultura, el medio ambiente, la medicina e incluso aplicaciones militares [1]. Actualmente, conceptos como hogares, granjas o ciudades inteligentes junto al Internet de las Cosas IoT (Internet Of Things), se fundamentan en las redes de sensores inalámbricos [2].

Gracias a las tecnologías modernas de construcción de equipos electrónicos y a los avances en técnicas de transmisión y encaminamiento de datos, ambas dirigidas a un bajo consumo de energía, las redes de sensores inalámbricos son muy usadas por su transmisión confiable de datos, con bajos costos económicos y un consumo de energía casi imperceptible [3],[4].

Una de las aplicaciones que tienen las redes de sensores inalámbricos es el intercambio de datos de control, especialmente en sistemas compuestos por múltiples dispositivos, en su mayoría dispersos sin una ubicación geográfica definida, que necesitan comunicarse entre ellos, para mantener una gestión continua de todas las variables y recursos, y una adecuada toma de decisiones.

Un ejemplo de este tipo de aplicación está en las microrredes eléctricas, donde las fuentes de energía, en su mayoría renovables, cargas distribuidas y baterías, deben coordinarse para mantener unos niveles de tensión, frecuencia y potencia estables, adecuados para suministrar electricidad a un entorno rural aislado de la red de distribución principal, por lo que deben funcionar de forma autónoma o en modo “Isla”, haciendo que su control y gestión posean características particulares que deben tenerse en cuenta en los esquemas de control [5].

El sistema eléctrico en Colombia, muestra la existencia de un gran número de Zonas No Interconectadas (ZNI) que requieren apoyo por parte del gobierno nacional, para poder extender el servicio eléctrico a las zonas apartadas e incluir los sistemas compuestos de fuentes de energía renovable. En [6] se muestra el panorama de las microrredes rurales en Colombia, identificando sus problemáticas como la falta de infraestructura para cubrir el territorio nacional, los fenómenos climáticos impredecibles, los problemas de orden público y la ausencia de una definición técnica y legal para su despliegue.

Los esquemas de control para microrredes modo “Isla” requieren de un intercambio continuo de valores de variables como tensiones, frecuencias, corrientes y potencias, entre sus componentes y de esta forma estabilizar fluctuaciones para lograr mantener la calidad de la energía, especialmente en horas pico donde el consumo es variado e impredecible [7]. Este intercambio de datos se puede realizar a través del despliegue de una red de sensores, cuyos nodos estarían distribuidos en los generadores, las cargas y los buses, para el sensado de todas las variables y su encaminamiento hacia el nodo central.

Por lo anterior, se propone un modelo del sistema de comunicaciones de una microrred en modo “Isla” utilizando un algoritmo de encaminamiento que permita reconfigurar su topología de red, conforme al esquema de control seleccionado para la microrred, generando, un ahorro en tiempos de procesamiento y mayor eficiencia en el intercambio de datos de control y la toma de decisiones.

En la sección 2, se muestran las características generales de las redes de sensores inalámbricos, haciendo un énfasis en los algoritmos de encaminamiento por demanda. Las generalidades de las microrredes se mencionan en la sección 3, junto a los esquemas de control más usados, especificando las necesidades de intercambio de datos de control para mantener una eficiencia energética apropiada. La sección 4 muestra la metodología del trabajo propuesto del sistema de comunicaciones de una microrred aislada, enfocándose en el algoritmo de encaminamiento que se desea usar para mejorar la eficiencia en el intercambio de datos, junto a un análisis de resultados en la sección 5 Finalmente, la sección 6 muestra las conclusiones y trabajos futuros.

2. REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS

2.1 Características generales de una red de sensores inalámbricos (WSN)

Una red de sensores inalámbricos, es un conjunto de dispositivos con capacidad de sensado, procesamiento y transmisión de datos, llamados “Nodos Sensores”, que se despliegan en grandes o pequeñas cantidades, en posiciones fijas o de forma aleatoria en distintos entornos geográficos, para la recolección y transmisión de datos en un área determinada o para la toma de decisiones en un sistema compuesto de dispositivos que deban controlarse según su comportamiento [8], [9]. Las capas que intervienen en la implementación de este tipo de redes se describen a continuación [10]:

2.1.1 Capa de aplicación. Es en esta capa se encuentran los distintos programas diseñados para el manejo de la red, al nivel del usuario. La capa de aplicación depende del fabricante de la tecnología de los sensores inalámbricos, y se encarga de los procesos de sensado y cifrado, junto al procesamiento y almacenamiento de los datos obtenidos.

2.1.2 Capa de transporte. Mantiene el flujo de datos de acuerdo a las necesidades de la red. Se aplican los protocolos orientados y no orientados a la conexión.

2.1.3 Capa de red. Se encarga de encaminar los datos provenientes de la capa de transporte, estableciendo las rutas adecuadas para el intercambio de información. Su importancia radica en el algoritmo de encaminamiento, de acuerdo a las necesidades y prioridades de la red, como el mantener una óptima calidad de servicio, el ahorro de energía en los sensores y el tiempo de vida.

2.1.4 Capa de enlace de datos. Capa que permite a los nodos, acceder a los canales o medios de transmisión, evitando colisiones, gracias a los servicios de control de acceso al medio, y detección y corrección de errores, en el envío de tramas.

2.1.5 Capa de física. El estándar IEEE 802.15.4, cumple con los requerimientos de transmisión para una red de sensores inalámbricos: Una baja tasa de transmisión de datos y costos de implementación reducidos, usando una frecuencia de 2,4 GHz y 86 potencias de 1mW [11]. Sin embargo, la capa física se puede implementar sobre otras tecnologías, como Wi.Fi, dependiendo de las necesidades de la aplicación, y las limitaciones y ventajas de cada tecnología.

Los nodos sensores, están ligados a protocolos y algoritmos de configuración y encaminamiento para poder coordinar la red y transmitir la información entre ellos o hacia un nodo central. Según la aplicación de la red, se pueden proponer distintos tipos de algoritmos de encaminamiento, siempre enfocados a mejorar el tiempo de vida en aspectos como la velocidad y los tiempos de transmisión, junto a un consumo eficiente de energía de los nodos [12]–[13].

2.2 Algoritmos de encaminamiento en redes de sensores inalámbricos

Dependiendo de la funcionalidad de los dispositivos que intervienen en la topología de una red de sensores, puede definirse si se trabaja en conexión tipo malla, estrella o árbol (Cluster - Tree) como se muestra en la figura 1.

Al definirse la topología, se debe tener en cuenta el tipo de algoritmo de encaminamiento a implementarse, para que cumpla con las funcionalidades de descubrimiento de rutas, establecimiento de enlaces, control del envío y deteccion de errores. Entre los algorimos más usados para redes de tipo Ad-hoc, se encuentran DYMO (Dynamic Manet On-demand) y AODV (Ad Hoc On- demand Distance Vector), este último elegido para la implementación del modelo de comunicaciones de la microrred [15].

Teniendo en cuanta que DYMO es sucesor de AODV, ambos algoritmos poseen fortalezas y debilidades, en parámetros relacionados con la eficiencia de una red de sensores inalámbricos, como la colisión de paquetes, el overhead y el throughput, sobre entornos de simulación exigentes respecto a la movilidad y número de nodos. [16],[17]

AODV es un algoritmo de encaminamiento por demanda que establece un enlace entre un nodo origen y un nodo destino, unicamente cuando necesita enviar información, y desecha la ruta al terminar el intercambio, generando una nueva conexión en caso de otro envío. AODV trabaja con tres tipos de mensajes enviados via UDP y con encabezados IP, utilizados para el proceso de establecimiento de un enlace [17]:

- Route Request (RREQ) : Generado por el nodo origen y reenviado a través de los nodos intermedios hacia el nodo destino. Permite un descubrimiento de posibles caminos hacia el destino.
- Route Reply (RREP): Mensaje generado desde el destino hacia el origen a través de una sola ruta, elegida para la transmisión.
- Route Error (RERR): Mensaje de error que se genera cuando un enlace se interrumpe.

En una red Ad-Hoc basada en el algoritmo de encaminamiento por demanda AODV, los mensajes de solicitud, respuesta y error (RREQ, RREP, RERR) se controlan por medio de variables y banderas, incluidas en dichos mensajes, asegurando que no haya redundancia, ciclos sin fin y gasto innecesario de recursos [18].

Entre los campos que componen los mensajes de solicitud y respuesta (RREQ y RREP), se resaltan los siguientes:

- Sequence Destination Number: Campo que contiene un número de secuencia de los paquetes reenviados hacia el destino, con el fin de evitar paquetes duplicados. paquetes duplicados.
- Precursor list (lista de vecinos): Contiene la dirección IP de los vecinos directos de un nodo.
- Hop counter: Contador de saltos muy usado en algoritmos de encaminamiento.
- TTL: Tiempo de vida del paquete.
- Direcciones de origen y destino: Direcciones IP, versión 4.

El algoritmo DYMO (Dynamic MANET On-demand), se basa en los mismos tipos de mensajes de solicitud, respuesta y error que en AODV. La principal diferencia radica en que cada nodo intermedio, almacena una ruta hacia el nodo origen, reduciendo el numero de paquetes de control (overhead), por lo que se requieren nodos de mayor capacidad de almacenamiento y procesamiento.Dymo reduce el overhead, pero aumenta el tamaño de los paquetes.

Por lo anterior, se concluye que las carateristicas del algoritmo AODV, permiten un intercambio de datos eficiente, en aplicaciones de intercambio de datos de control, con nodos menos costosos y con tamaños reducidos de paquetes, que contienen la información relevante que proviene de los generadores distribuidos en las microrredes eléctricas [19]. en las microrredes eléctricas [19].

3. APLICACIÓN DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS EN MICRORREDES ELÉCTRICAS

Las microrredes, son consideradas una alternativa a la generación y distribución de energía eléctrica en entornos rurales donde la red de distribución principal no alcanza a llegar [6]. Están compuestas por un conjunto de generadores de combustibles fósiles o de energías renovables de tipo eólico o solar, que producen electricidad generalmente a niveles de media o baja tensión. Debido a que la energía proveniente de los generadores es intermitente, especialmente en las renovables, además de que existen microrredes que manejan tensiones AC, DC o híbridas, se deben incluir convertidores, inversores y elementos de almacenamiento (banco de baterías), que permitan alimentar de manera adecuada a las cargas conectadas. Estos generadores, interconectados de forma adecuada y con un sistema de control confiable, pueden generar energía en un área específica, e incluso dar soporte a la red principal, si tiene la posibilidad de conectarse [20]- [21]. En la figura 2 se muestra el esquema general de una microrred.

Los esquemas de control para microrredes, definen los parámetros que deben intercambiarse entre sus elementos y las técnicas de compensación en las salidas de cada generador, para mantener los niveles deseados de tensiones, corrientes y potencias, en casos de fallas o manejar los máximos consumos de las cargas [22].

Una microrred en modo “isla”, funciona totalmente independiente de la red principal, lo cual lleva a asuntos económicos y técnicos que se deben manejar, como la calidad de la energía, la regulación de la tensión, la estabilidad de la red, los armónicos, la confiabilidad, protección y control. Los dos factores que deben controlarse en una microrred aislada, para mantener sus valores dentro de los límites aceptados son la frecuencia y la tensión. Aparecen estrategias de control que gestionan variables como las potencias real y reactiva, las distintas cargas según su prioridad, los niveles y tipos de tensión en buses de alimentación y los sistemas de almacenamiento [23]. Para implementar un esquema de control, se debe tener en cuenta los siguientes factores:

– Control de la tensión y la frecuencia.
– Equilibrio entre generación y demanda.
– Calidad de la Potencia de salida.
– Las fuentes de energía.
– La comunicación entre los componentes de la microrred.
– La microrred debe planearse para modo “isla”.
– Gestión de las cargas según la demanda “Load Shedding”.

Según Vandoorn [24], las estrategias de control pueden depender o ser independientes de un sistema de comunicación entre sus elementos. En estos últimos, cada generador es autónomo, y su estabilidad depende cada generador es autónomo, y su estabilidad depende de técnicas como el control “droop” [25], donde se busca controlar la tensión y la frecuencia, a partir de un ajuste de las potencias activa y reactiva de salida. Las estrategias basadas en sistemas de comunicación, necesitan mediciones e intercambio de datos entre sus elementos para que las variables que sirven de referencia como las corrientes, tensiones y potencias lleguen a su destino en el menor tiempo posible. La tabla I muestra una descripción general de las diferentes estrategias dependientes de la comunicación, evidenciando la necesidad del uso de las redes de sensores inalámbricos para transferencia de datos de control [24], [26].

4. METODOLOGÍA

El algoritmo de encaminamiento por demanda AODV con capacidad de reconfigurar la topología, hace parte de un sistema de comunicaciones para la transferencia de datos de control de cada generador distribuido, en una microrred aislada, para adaptarse al esquema de control, a través de una red de sensores inalámbricos.

4.1 Software de Simulación

Se realizó una revisión de las características principales de las herramientas de simulación de redes, con el fin de seleccionar la indicada para cumplir con los requerimientos del sistema de comunicaciones e intercambio de datos de control. La tabla II, menciona los simuladores más usados y sus generalidades [27]–[29].

La tabla III, muestra una comparación de las carácterísticas de los simuladores relacionados en la tabla II, que permiten justificar la escogencia de la herramienta de simulación a usar con la red de sensores propuesta.

OMNET++, es un entorno de simulación de redes, basado en Eclipse (C++), de eventos discretos, con un conjunto de librerías especializadas para todas las capas del modelo OSI, incluidas en marcos de trabajo como INET y MIXIM, permitiendo trabajar directamente sobre el algoritmo de encaminamiento y los paquetes que se envían, en los distintos tipos de redes Ad-Hoc, especialmente de sensores inalámbricos [30].

Comparado con los simuladores listados en la tabla II, Omnet++, posee un entorno de desarrollo integrado basado en Eclipse, con interfaz gráfica robusta y librerías para animaciones, que facilítan el seguimiento de los parámetros de la red, en tiempo de ejecución.

Omnet++, se caracteriza por tener un lenguaje de descripción de redes NED (NEtwork Description), que permite discriminar los modelos de configuración de la red y las clases que los controlan, lo que permite una mejor organización de los distintos niveles y jerarquías de la simulación.

Simuladores comerciales como OPNET, no permiten el acceso al código, limitando la capacidad de edición en aspectos como el protocolo de encaminamiento o los campos de los paquetes que se quieren transmitir. Sin embargo, se reconocen las ventajas en su interfáz gráfica, el soporte por su licencia y su versión académica que permite

4.2 Entorno de Simulación

Aplicando las librerías especializadas de OMNET++, se propone un entorno de simulación que maneje las variables mencionadas anteriormente y permita analizar la eficiencia del algoritmo en dos casos particulares:

– El primer caso, consiste en modificar el número de nodos sensores intermedios entre el origen y el destino para analizar el número de paquetes que se transmiten, midiendo su eficiencia con cantidades crecientes de nodos, mostrando su escalabilidad al momento de agregar nuevos nodos para los generadores y cargas distribuidas en las microrred.
– En el segundo caso, se inhabilitan nodos sensores por medio de un archivo de configuración de extensión XML, simulando la desactivación de algunos generadores distribuidos que permiten emular fallos o desactivación del generador. Los resultados permiten evidenciar la función de las variables y banderas del algoritmo para modificarlos y reconfigurar la topología.

OMNET++ posee librerías y comandos que almacenan cualquier tipo de variables de tipo contador, en archivos de extensión .SCA y .VEC para visualizarse como gráficos de línea o histogramas. Para este caso, se visualizan los resultados de los paquetes transmitidos y rechazados. rechazados.

4.3 Topología de la red de comunicaciones

El planteamiento de reconfiguración de topología se basa en un conteo de los vecinos de cada nodo y la funcionalidad que tienen para poder deducir automaticamente la topología en la que opera, para esto se requiere del conocimiento de los campos del mensaje de solicitud de ruta RREQ y de respuesta RREP, para luego modificarse. Lo anterior requiere un analisis del desempeño de las redes AODV tradicionales para estimar, la viabilidad de la modificación, a nivel de parametros como el BER (Bit Error Rate), y los paquetes descartados, haciendo necesario el uso de un software de simulación basado en un lenguaje de programación como java o C++.

4.4 Casos simulados

El diseño de una microrred, debe contemplar la posibilidad del aumento en la cantidad de generadores y cargas distribuidas que la componen, por ejemplo para los casos en que aumenta la demanda de energía electrica.

El número de nodos sensores puede incrementarse junto a los mensajes de control, por lo que el algoritmo de encaminamiento, debe ser eficiente en el intercambio de paquetes, razón por la cual se proponen dos escenarios de simulación, para una red de sensores, aplicando el algoritmo AODV sobre el estandar IEEE 802.11, con el fin de realizar mediciones de los paquetes descartados a nivel de capa de red y de la tasa de error de bit a nivel de capa física [32].

En el primer caso de simulación, el nodo destino (host 5), representa una fuente de energía o generador distribuído, y se encuentra dentro del alcance del nodo origen (host 0), el cual representa el nodo controlador de la micrrorred, como se muestra en la figura 3.

En el segundo caso, el nodo destino (host 2), se encuentra fuera del alcance del orígen (host 0), requieriendo saltos a través de nodos intermedios para recibir la información (figura 4). En la tabla IV, se muestran las condiciones y configuraciones iniciales de simulación para ambos casos. simulación para ambos casos.

5. RESULTADOS

Para modificar los campos de los mensajes de solicitud y respuesta RREQ y RREP e interpretar la topología, se realiza el análisis del protocolo AODV, a través de los resultados obtenidos en las simulaciónes, observando la eficiencia de la red al momento de generar e intercambiar mensajes de solicitud y respuesta RREQ y RREP, y poder hacer una estimación del costo en transmision.

5.1 Caso 1. Nodo destino al alcance del nodo origen

de datos entre el nodo orígen y destino. La figura 5 muestra las gráficas para los paquetes recibidos exitosos y el BER para cada nodo.

The Los nodos de origen y destino (0 y 5), reciben 12 paquetes, con una tasa de error de bit en ambos de 6x10^-6 y los nodos que se encuentran dentro del radio de cobertura (3, 4, 8 y 13) reciben en promedio 3.5 paquetes, tanto de control como de información.

Los nodos que intervienen en el establecimiento del enlace, intercambian un mayor número de paquetes que los demás, y los nodos con cero paquetes recibidos (1, 2, 6 y 9), se interpretan como nodos inactivos.

5.2 Caso 2. Nodo fuera del alcance del origen.

En la tabla V se recopilan los resultados de las simulaciones, utilizando la misma configuracion en la red de comunicaciones que en el caso 1. Se aprecian el números de bits erróneos (BER), junto al número de paquetes recibidos y aceptados por cada host AODV.

Según la figura 6, los nodos de origen y destino (0 y 2), reciben ahora 27 y 18 paquetes, respectivamente, con una tasa de error de bit de 18x10^-6 y 12x10^-6 . Los nodos intermedios ubicados en la trayectoria entre el orígen y destino (3, 7, 8, 10 y 13), reciben en promedio 40 paquetes, tanto de control como de información.

6. CONCLUSIONES

En ésta sección, se presentan los resultados obtenidos del análisis de algoritmo AODV, aplicado a una red de sensores inalámbricos, cuyas capas física y de enlace, están basadas en el estandar IEEE 802.11, usando la herramienta de simulación OMNET++, en parámetros como el overhead, según el intercambio de paquetes entre nodos, y la tasa de error de bits.

El overhead (paquetes de configuración de la red), se evidencia de acuerdo al número de paquetes recibidos por los nodos que no participan en el enlace establecido, debido a que el algoritmo inunda la red con los mensajes RREP, que son reenviados en respuesta a un mensaje de solicitud RREQ:

– En el caso 1, el nodo destino se encuentra al alcance del nodo origen. No existen nodos intermedios, pero los nodos 3, 4, 8 y 13 reciben un paquete RREQ.

– Para el caso 2, los nodos (1, 4, 5, 7, 9, 11, 12, 13, 14), reciben en promedio 40 paquetes, por lo que se aprecia su incremento, para un enlace de 5 nodos intermedios (3, 7, 8, 10 y 13).

– La tasa de error de bit es 5.4 veces mayor en el caso 2, teniendo en cuenta que se está trabajando sobre Wi-Fi, a una tasa de transferencia de 2 Mbps,

AODV es un algoritmo eficiente después de establecida la comunicación entre dos nodos. Sin embargo, mientras se realizan los procesos de descubrimiento y búsqueda de rutas, el overhead (mensajes de control), aumenta considerablemente, junto a la tasa de error de bit. Puede aplicarse sobre Wi-Fi, en microrredes con un número de nodos reducido, pero si aumentan, es necesario trabajar con un algoritmo de encaminamiento distinto, sobre otra tecnología a nivel de las capas física y de enlace, especialmente si se busca una modificación de los mensajes de control y busqueda de rutas, para reconfigurar la topología de la red, y poder modelar el sistema de comunicaciones adecuado.

6.1. TRABAJOS FUTUROS

Los resultados y conclusiones del presente artículo, buscan apoyar el diseño de un sistema de comunicaciones para una microrred que funciona en modo “Isla”, donde cada generador y carga poseen un nodo sensor que intercambia datos de control en una red de sensores inalámbricos.

El análisis de los protocolos de encaminamiento para redes de sensores inalámbricos, ofrece la posibilidad de modificar sus parámetros y adaptarlos a distintos entornos de red, según la aplicación requerida.

Lo anterior indica que, el algoritmo de encaminamiento puede modificarse para mejorar el desempeño de una red de sensores y mejorar su tiempo de vida, por lo que se espera trabajar con otros algoritmos, como DYMO, y tecnologías de transmisión, como el estándar IEEE 802.15.4, para obtener un esquema de comunicaciones apropiado en una microrred eléctrica.

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