Título SISTEMA DE MONITOREO DE

Título
SISTEMA DE MONITOREO DE SUBESTACIONES
TRANSFORMADORAS CON TRANSMISION DE DATOS VIA
GPRS
Propuesta de sesión *
3
Nombre
Alvarez Perez Guaita Juan Manuel
Juarez Reiloba Gabriel Omar
Salvay Nicolas
Candiani Carlos (UTN)
Dean Jorge (EPEC)
Autores del Trabajo
País
Argentina
Argentina
Argentina
Argentina
Argentina
e-mail
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Palabrea clave
Monitoreo de subestaciones, GPRS, Microcontroladores ARM, FreeRTOS, UPS.
RESUMEN – La distribución de la energía eléctrica en un barrio, localidad, ciudad, etc., es un trabajo que requiere
de una gran inversión económica, control, planificación e investigación. Con respecto a la ciudad de Córdoba, la
Empresa Provincial de Energía de Córdoba (E.P.E.C.), encargada del transporte y distribución de la energía
eléctrica a hogares, organizaciones y/o empresas, realiza inversiones relevantes en materia de reparación y compra
de nuevos transformadores para cumplir con su labor de suministro del servicio. Las causas del deterioro del
transformado son diversas, desde el calentamiento del equipo, con la posterior destrucción del mismo, consumo
excesivo (lo que lleva al equipo a funcionar en un estado permanente de estrés), hasta el bajo cos(φ), entre otros
factores. La continuidad en la degradación del equipo, lleva inevitablemente a la interrupción del servicio eléctrico.
Es por esto que, en un convenio facultad - empresa, la EPEC propone el desarrollo de un prototipo capaz de
realizar un monitoreo constante sobre un grupo de transformadores de distribución, ubicados en distintas cámaras
subterráneas y aéreas de la ciudad de Córdoba. Debido a esto es que fue necesario, y hasta indispensable, la
utilización de herramientas libres para evitar conflictos en cuanto a la adquisición de licencias.
Se realizo un dispositivo capaz de sensar los parámetros eléctricos, en cada una de las fases, de un
transformador de distribución. Se presentan dos posibilidades, sub estaciones aéreas y subterráneas, además cuenta
con la posibilidad de obtener datos de la temperatura del transformador y para el caso de estaciones subterráneas,
las cuales pueden inundarse, adquirir aproximadamente, la velocidad de crecimiento del fluido, etc
Debido a la potencia de procesamiento del microcontrolador utilizado, es que se pueden proyectar sistemas
de control para comandar relés, y ante eventos destructivos proteger la máquina.
Cada una de estas cámaras, de no fácil acceso, lleva al proyecto a utilizar comunicación inalámbrica y de
esta manera garantizar el alcance del producto. Además de contar con la posibilidad y maleabilidad de comunicarse
a la central servidora a través de cualquier medio.
1
PAPER-3-23/04/2014.doc
TRABAJO
 Micocontroladores ARM, LPC2124 se basa en una
Unidad Central de Procesamiento (CPU) de 16/32
bit, emulación en tiempo real, junto con 256
kilobytes (KB) de memoria flash de alta velocidad
incorporado. Una interfaz de memoria de 128 bits,
arquitectura única que permite acelerar la ejecución
de código de 32 bits a una velocidad máxima de
reloj. Para aplicaciones críticas, tamaño extenso de
código, el modo alternativo de 16 bits reduce el
código en más de un 30% con un mínimo de
reducción rendimiento.
Con su compacto paquete de 64 pines, bajo
consumo de energía, varios temporizadores de 32
bits, 4 canales ADC de 10 bits, canales de PWM y
46 líneas GPIO con un máximo de 9 pines de
interrupción externa estos microcontroladores son
particularmente adecuados para el control
industrial, sistemas médicos, etc. Poseen una
amplia gama de interfaces de comunicaciones
seriales, muy bien adaptados para las puertas de
enlace de comunicación, convertidores de protocolo
y software embebidos, así como muchas otras
aplicaciones de uso generales [3].
 FreeRTOS es un líder en el mercado en sistema
operativo en tiempo real (RTOS). Soporta 34
arquitecturas y recibe 107.000 descargas al año. Se
desarrolla profesionalmente, estricto control de
calidad, robusto y de uso gratuito en productos
comerciales, sin ningún requisito para exponer su
código fuente. Se utiliza en todos los sectores de
mercado, desde juguetes a la navegación aérea [4].
 Módulos de comunicaciones SIM908, es un
módulo completo GSM Quad-Band / GPRS, que
combina la tecnología GPS para la navegación por
satélite. El diseño compacto que integra, servicio
general de paquetes vía radio, General Packet
Radio Service, (GPRS) y un Sistema de
Posicionamiento Global, Global Positioning
System, (GPS) ahorrará significativamente el
tiempo y los costes a los clientes para desarrollar
aplicaciones [5].
 UPS, Circuito integrado bq2057 de administración
de cargas lineales en baterías de Ion-Litio, están
diseñados para el coste de la electrónica portátil
sensible y compacta. Combinan corriente de alta
precisión
y
la
regulación
de
voltaje,
acondicionamiento de la batería, el monitoreo de la
temperatura, la tasa de terminación, indicación del
estado de carga, en un IC de 8 pines.
1. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo tiene como objetivo presentar una
solución práctica, al actual problema de la Empresa
Provincial de Energía de Córdoba (EPEC), de no
contar con un sistema de monitoreo que permita
relevar datos de performance, fallas y eventos de la
red, tales como corte de servicio, recalentamiento del
transformador, etc, sobre la capa de distribución de
energía. La solución que se pone a consideración,
consiste en un dispositivo que realiza un proceso de
sensado de parámetros eléctricos de las fases de un
transformador de distribución, y de dicho proceso se
pretende obtener magnitudes físicas susceptibles de
ser analizadas para determinar el estado y
rendimiento del transformador. Mediante una
conexión a Internet, se transmiten los datos
recolectados a un centro de procesamiento de datos.
El desarrollo del proyecto apunta exclusivamente a la
utilización de herramientas de diseño libre. Aquí se
debe hacer una aclaración ante un error muy habitual,
de confundir herramientas libres con herramientas
gratuitas. Herramientas gratuitas, son provistas
generalmente por empresas que hacen herramientas
pagas, la diferencia, es que sacan algunas
características, restringen el tamaño del proyecto, o
solo permiten usarla para fines académicos. Pero con
la problemática de que el proyecto se viera limitado
por las restricciones que posee, o en caso que se
quiera transferir el proyecto a una empresa, no se lo
podría comercializar sin salir de la ley. Herramientas
libres, en este caso son herramientas que nacieron y/o
crecieron en una comunidad de programadores, son
herramientas con las cuales se es libres, de hacer y
modificar, esto es así hasta el punto, de que la
mayoría de los entornos pagos, internamente poseen
herramientas libres. Muchas veces la herramienta que
están vendiendo es solo el IDE, debido a que el
compilador, enlazador, bibliotecas y hasta el gestor
del proyecto son GNU [1].
Se
implementaron
los
siguientes
recursos
tecnológicos:
 Circuitos integrados para la adquisición de datos, el
dispositivo cuenta con el CI ADE7758 el cual
posee 3-fases de medición de energía eléctrica de
alta precisión, con una interfaz serie y dos salidas
de impulsos. El ADE7758 incorpora un conversor
analógico digital (ADC) de segundo orden, un
integrador digital, circuito de referencia, un sensor
de temperatura, y todo el procesamiento de señales
requerido para llevar a cabo una medición de
energía reactiva, aparente, activa y cálculos
Relación Marginal de Sustitución (RMS) [2].
2. MÓDULO DE ADQUISICIÓN DE DATOS.
La función principal de este módulo es sensar
magnitudes físicas relevantes, digitalizarlas y
2
PAPER-3-23/04/2014.doc
TRABAJO
 Canal de tensión:
Al igual que el canal de corriente la señal pasa por
un amplificador de ganancia programable para
cumplir con los requerimientos de entrada del
ADC. Posteriormente la señal es muestreada a una
velocidad que es configurable entre 26 KSPS, 13
KSPS, 6.5 KSPS o 3.3 KSPS. Luego, la señal pasa
a través de un filtro pasa bajo de 260 Hz, con el
objetivo de remover los armónicos de la señal,
como se puede apreciar en la figura 3.
ponerlas a disposición del módulo de procesamiento
de datos local, mediante alguna interfaz de
comunicación intermódulos.
Este módulo se encuentra basado en el CI: ADE7758
de la empresa Analog Devices.
Con la elección del CI de la placa de adquisición de
datos, es que se inicia el proceso de diseño de la
misma. Basados en el circuito de prueba propuesto
por Analog Devices, Figura 1, y mediante la
utilización del software de diseño electrónico, Kicad,
se obtiene el diseño de este módulo.
Figura 3: muestreo del canal de Tensión [2].
 Detección de Cruce por Cero:
El ADE7758 tiene detección de cruce por cero para
cada canal de tensión como lo demuestra la figura
4. Debido al filtro pasa bajos hay un retardo de fase
entre la señal de entrada analógica del canal de
tensión y la salida del filtro. La respuesta de retardo
de fase del filtro pasa bajo (LPF) resulta en un
retardo de tiempo de aproximadamente 1,1 ms (@
60 Hz) entre la señal de cruce por cero y las
entradas de tensión de la señal de cruce por cero.
Figura 1: circuito de implementación [2].
2.1 Teoría de Operación del CI ADE7758.
 Canal de corriente:
La señal pasa por un amplificador de ganancia
programable para cumplir con los requerimientos
de entrada del ADC. Posteriormente la señal es
muestreada a una velocidad que es configurable
entre, 26 mil muestras por segundo (KSPS), 13
KSPS, 6.5 KSPS o 3.3 KSPS. Luego, la señal pasa
a través de un filtro pasa alto, con el objetivo de
remover la componente de continua de la corriente,
para que esta no afecte los cálculos de potencia,
como se aprecia en la figura 2.
Finalmente, en función del tipo de sensor empleado
(Sensor di/dt o Transformador de Corriente), es que
activa o no el integrador digital.
Figura 4: Detección de cruce por cero [2].
2.2 Interface de comunicación.
La comunicación entre el módulo de procesamiento
de datos y el de adquisición se realiza mediante una
interfaz serie de 8 bits [2].
Debido a que el dispositivo está conectado a las
terminales de baja tensión del transformador, se
recurre a un CI de la firma Texsas Instrument
Figura 2: muestreo del canal de corriente [2].
3
PAPER-3-23/04/2014.doc
TRABAJO
ISO7640 e ISO7641, el cual proporciona aislamiento
galvánico hasta 6 KVpk durante 1 minuto [6], y así
proteger y aislar la comunicación serie entre el
módulo de adquisición de datos y el módulo de
procesamiento.
Texas Instrument propone el circuito de aplicación
que se aprecia en la figura 5.
3. MÓDULO DE PROCESAMIENTO DE
DATOS.
La función principal de este módulo es recibir los
datos del módulo de adquisición de datos, lograr un
mínimo de procesamiento, gestionar una conexión a
internet y posteriormente enviar los datos recibidos al
módulo de comunicaciones para poder enviarlos
finalmente al servidor.
3.1 Microcontrolador
.
Para lograr el amplio espectro de funcionalidades
de este módulo, se recurre a la utilización de
microcontroladores, como el LPC2124 de la línea
NXP [3], en conjunto con la implementación de un
sistema operativo en tiempo real.
Figura 5: circuito de protección de la interface del
puerto serie (SPI) [6]
3.2 Sistema Operativo en Tiempo Real
.
La mayoría de los sistemas operativos permiten la
ejecución de varias tareas al mismo tiempo. De
hecho el núcleo de un procesador, solo puede
ejecutar una tarea por vez, pero una parte del
sistema operativo es el encargado de ejecutar una
tarea en un determinado de tiempo, y ejecutar otra
tarea en otro intervalo de tiempo, dando así la
ilusión de simultaneidad de tareas.
FreeRTOS ha sido diseñado para correr en
microcontroladores. Provee al núcleo una
funcionalidad de ejecución en tiempo real,
comunicación
entre
tareas,
sincronización,
temporización. Funcionalidades adicionales como
“interfaz de consola”, cola de tareas, etc.
2.3 Simulación y fabricación.
Kicad es una herramienta de automatización de
diseño electrónico, de código abierto. Facilita el
diseño de circuitos esquemáticos, circuitos
electrónicos y su conversión a placas impresas. En la
Figura 6 se observa una modelización 3D de la placa
de adquisición.
3.3 Simulación y fabricación.
En la Figura 8 se observa una modelización 3D de la
placa procesamiento de datos.
Figura 6: placa de adquisición de datos,
modelización 3D.
Con la simulación anterior, se procedió a la
materialización de dicha placa de adquisición,
Figura 7.
Figura 8: Placa de procesamiento de tatos,
modelización 3D.
Con la simulación anterior, se procedió a la
materialización de dicha placa de adquisición,
Figura 9.
Figura 7: placa de adquisición de datos.
4
PAPER-3-23/04/2014.doc
TRABAJO
las anormalidades de la red se propaguen por el resto
de los modulos. Esto se logró mediante la
implementación de dos circuitos totalmente disjuntos,
donde uno de ellos alimenta exclusivamente al
módulo de adquisición de datos y otro circuito para el
módulo de procesamiento de datos y el modulo de
comunicaciones.
5.1 Sistema de carga de Baterias Ion-Litio.
Para realizar el proceso de carga de las baterías, se
utilizó el circuito integrado BQ2057 de la empresa
Texas Instrument [7], el cual propone el siguiente
circuito, Figura 11.
Figura 9: Placa de procesamiento de tatos.
4. MÓDULO DE TRANSMISIÓN DE DATOS.
Mediante la red de telefonía celular, se adquiere un
acceso a la ubicación en la cual se encontrará cada
transformador. El acceso es proporcionado mediante
el módulo integrado SIM908 el cual se aprecia en la
Figura 10.
Figura 11: Circuito de carga de Baterias Ion-Litio.
5.2 Simulación y fabricación.
En la Figura 12 se observa una modelización de la
placa del módulo UPS.
Figura 10: Modulo de Comunicación SIM908 [5].
5.
MÓDULO DE ENERGÍA
ININTERRUMPIDA (UPS).
La función principal del módulo de energía
ininterrumpida es proporcionar una fuente de
alimentación estable, independientemente del estado
de la red eléctrica. Esto implica que el módulo debe
ser capaz de absorber todas las anomalías de la red
(micro cortes, bajas de tensión, sobretensiones, etc), y
mantener a la salida un valor ﬁjo de tensión.
Para lograr la estabilidad de la alimentación, el
módulo cuenta con un sistema de ﬁltros que le dan la
capacidad de absorber las perturbaciones transitorias.
Para afrontar los fenómenos estacionarios, el módulo
cuenta principalmente con dos mecanismos:
 Switch de Fase de Alimentación. El módulo de
energía se alimenta principalmente de una fase del
transformador. Cuando esta fase se queda sin señal
eléctrica, el módulo de energía tiene la capacidad
de conmutar a otra fase del transformador.
 Banco de Baterías: Cuando las tres fases se quedan
sin señal, el módulo de energía cuenta con un banco
de baterías que entra en juego para seguir
alimentando a los módulos.
Como el módulo de adquisición de datos, tiene las
fases del transformador como entrada, es importante
aislar la alimentación de este módulo para evitar que
Figura 12: Modulo UPS, simulación.
Con la simulación anterior, se procedió a la
materialización de dicha placa, Figura 13.
Figura 13: Modulo de energía ininterrumpida.
5
PAPER-3-23/04/2014.doc
TRABAJO
medición de temperatura del transformador, si el
transformador se encuentra en una cámara
subterránea propensa a inundarse, se puede proyectar
la velocidad de crecimiento del liquido que inunda la
cámara, accionamiento de relés para distintos
instrumentos, tales como interruptores, control de
equipos para la corrección del factor de potencia, etc.
La utilización en el desarrollo del proyecto, de
herramientas de software libre, permite la
continuidad del proyecto, en el marco de una empresa
pública. Además, contar con la posibilidad de llegar a
realizar pruebas de campo y no reducirse solo a las
realizadas en laboratorios.
El proyecto aplicado a las subestaciones
transformadoras de la provincia de Córdoba lleva a
consolidar una red de distribución más eficiente,
además de contar con la gran ventaja de obtener datos
precisos del estado y consumo en que se encuentra
cada transformador y de esta manera actuar
preventivamente sobre las posibles/futuras fallas de
cada uno de ellos. Además de contar con la
posibilidad de proyectar el correspondiente aumento
de potencia de la máquina.
Una mejora para el proyecto es la opción de
implementar un tendido propio de comunicación a
través de módulos ZIGBEE [8] y de esta manera
garantizar la comunicación sin depender de
intermediarios.
La principal característica de este proyecto es la
posibilidad de que una empresa pública estatal e
integrada, en colaboración con la Universidad
Tecnológica Nacional, pueda elaborar propuestas y
desarrollos propios que lleven a la mejora del sistema
de distribución de energía.
6. IMPLEMENTACIÓN.
El hardware del proyecto se montó sobre un gabinete
que cumple con el nivel de protección IP-64, como se
aprecia en la Figura 14 y 15. Este nivel de protección
hace referencia al estándar internacional de grados de
protección provista por gabinetes, IEC60529. De esta
manera se da al proyecto la robustez física que
necesita.
Figura 14: Implementación del proyecto.
8.
REFERENCIAS
Notas de cátedra – CIII laboratorio de
investigación
UTN
Córdoba
http://ciii.frc.utn.edu.ar/.
2. Data sheet - Analog Devices CI ADE7758 Poly Phase Multifunction Energy Metering IC
with Per Phase Information.
3. Data sheet – NXP LPC2114/LPC2124 Singlechip 16/32-bit microcontrollers; 128/256 kB
ISP/IAP - Flash with 10-bit ADC.
4. FreeRTOS - Sistema Operativo en Tiempo
Real - http://www.freertos.org/.
5. Data sheet – SIM COM Module SIM908.
6. Data sheet – Texas Instrument - Low Power
Quad Channels Digital Isolators ISO7640 e
ISO7641.
7. Data sheet – Texas Instrument – CI BQ2057.
8. Data sheet – Texas Instrument - Modulo
ZigBee.- mod CC2520.
1.
Figura 15: Implementación del proyecto.
7. CONCLUSIONES.
Se realizaron pruebas, en un banco de ensayos sobre
un transformador de distribución cuya potencia era
160 KVA, en la cual el dispositivo realizó la
medición de las pérdidas del mismo. Medición de
Corrientes y Tensiones por fase con una buena
precisión.
El proyecto cuenta con le versatilidad de poder
adosarle cualquier dispositivo, como por ejemplo,
6
PAPER-3-23/04/2014.doc

Download Report