A3 ALPHA, la próxima generación de contadores de electricidad

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1 Rompiendo barreras A3 ALPHA, la próxima generación de contadores de electricidad Peter Kerstetter Imagínese usted que es el propietario de una tienda de caramelos y que en ella entran niños de todo el mundo, hablando distintos idiomas y ofreciendo pagar con diferentes monedas. Lo más probable es que ni esté seguro de que los niños se llevan lo que desean ni de que usted recibe la cantidad correcta de dinero. Las compañías eléctricas pueden encontrarse en una situación similar al realizar las lecturas de contadores. Esto se debe a que los suministradores de contadores utilizan protocolos de comunicación propios en sus sistemas de lectura. La solución obvia es la estandarización de los protocolos, algo que las compañías eléctricas de todo el mundo han venido defendiendo durante muchos años. ABB acaba de desarrollar un contador electrónico el A4 ALPHA que soporta nuevos estándares abiertos y por tanto permite a las compañías eléctricas utilizar un vocabulario común a todo el sector para la comunicación de datos de los contadores. L a liberalización y privatización de los mercados de la energía en todo el mundo está forzando a las compañías eléctricas a analizar sus opciones en áreas operativas clave. Existe una presión para reducir al mínimo los inventarios y evitar la obsolescencia, racionalizar las operaciones y comunicaciones con los contadores y reducir los costes de recogida de datos. Al mismo tiempo, las compañías eléctricas desean poder controlar la calidad de la energía y responder rápidamente a las cambiantes necesidades de sus clientes. ABB está ayudando a las compañías eléctricas a hacer frente a este reto con el nuevo contador electrónico A3 ALPHA, que incorpora la acreditada tecnología ALPHA de contadores, ya patentada. Desde el lanzamiento comercial de las primeras unidades en 1992 ya se han suministrado más de 2 millones de contadores ALPHA a compañías eléctricas de todo el mundo. Además de incorporar la alta capacidad de medición de la energía que ya tenían los modelos anteriores, el nuevo conta- 28 Revista ABB 2/2001

2 Transmission and Distribution dor A3 ALPHA ofrece más capacidad de registro de datos, registro de perfiles y medida de la calidad de la energía (ver Tabla). Pero no menos importante es que implanta el nuevo protocolo abierto de comunicaciones normalizado ANSI para comunicación de los datos registrados por el contador. El contador A3 ALPHA proporciona una plataforma de diseño de contadores que satisface los diferentes requisitos de medición eléctrica definidos por las compañías eléctricas. El contador A3 ALPHA más básico puede ser configurado como un contador bidireccional, activo/reactivo, de tarifas múltiples. Otras características estándar permiten realizar lecturas de la tensión de la línea, intensidad, ángulo de fase y potencia. Cada uno de los contadores A3 ALPHA incluye funciones para controlar automáticamente las conexiones de servicio del contador, asegurando que está correctamente conectado al sistema eléctrico. Los contadores A3 ALPHA pueden también ser configurados para supervisar la calidad de la energía, detectar o registrar fallos de fase o cortes totales del suministro eléctrico, bajadas y subidas de tensión y otras anomalías del sistema. Estos sucesos especiales pueden quedar registrados en la memoria conjuntamente con las lecturas de los perfiles de carga y la nueva función de lectura de perfiles de instrumentación. La recogida de datos de lectura de los contadores resulta cada vez más compleja, por lo cual los nuevos contadores electrónicos deben tener en cuenta esta tendencia. Aunque ABB y otros fabricantes han comercializado contadores para tarifas más complejas, la recogida de datos de medición de la electricidad ha ido más allá que la simple lectura de 4 ó 5 indicadores y el registro manual de los kilovatios-hora consumidos. Actualmente los clientes desean medir un mayor número de parámetros y los contadores se leen normalmente de forma electrónica. Esto se lleva a cabo localmente, por medio de un sensor óptico y un ordenador, o a distancia mediante un sistema de lectura automática de contadores (AMR). El contador A3 ALPHA soporta diferentes opciones de comunicación remota, incluyendo módems telefónicos internos que pueden iniciar una llamada de alarma a los sistemas de la compañía eléctrica en caso de producirse sucesos inusuales o incluso un corte del suministro eléctrico. Mejores comunicaciones mediante estándares abiertos A lo largo de los años, ABB y otros suministradores han comercializado toda una gama de contadores electrónicos de electricidad con diferentes protocolos de comunicación. Es decir, las compañías eléctricas debían estar en condiciones de trabajar con diferentes protocolos de comunicación para recoger los datos de sus contadores. Y la comercialización de forma continua de nuevos modelos Tabla: Contador A3 ALPHA de ABB: características principales Propiedad Valor Intervalo de tensión nominal V Intervalo de tensión de servicio V Intensidad 0 a Clase amperios Frecuencia nominal 50 o 60 Hz ±5% Intervalo de temperatura -40 a 85 C dentro de la caja del contador Intervalo de humedad 0 a 100% sin condensación Normas ANSI pertinentes C12.1, C12.10, C12.20, C12.18, C12.19, C12.21 Intensidad absoluta Continua al 120% de la intensidad máxima del contador Momentáneamente (1s) al 200% de la intensidad máxima del contador Impulsos de tensión soportados ANSI C oscilatorias 2,5 kv, 2500 impulsos CEI kv, 2,5 khz impulsos repetidos durante 1 minuto Precisión Con carga = {0,2 + 0,001 (Clase/I)(1 + tang θ)}% Variaciones de la precisión Coeficiente de tensión = variación de ±0,01% con respecto al valor nominal Coeficiente de temperatura = ±0,01% por C Revista ABB 2/

3 de contadores por parte de los suministradores hizo que se multiplicasen los requerimientos técnicos de estos sistemas. El resultado fue que el desarrollo y utilización de dispositivos y software para la lectura de contadores basada en ordenadores era cada vez más difícil y complejo. Por esta razón las compañías eléctricas comenzaron a alentar la estandarización de los sistemas buscando más elementos comunes del hardware y software necesarios para la recogida de datos de los contadores. Con ello se intentaba reducir los costes iniciales y de explotación de los sistemas de medida. Aunque en Europa se desarrolló una estandarización, si bien limitada, de los protocolos mediante los trabajos de los grupos de normas CEI, dicho desarrollo cubría sólo la recogida de los datos más básicos. Los esfuerzos del CEI no habían encarado todavía la creciente variedad de datos más complejos requeridos por las compañías eléctricas. Al mismo tiempo, en Norteamérica se estaba reconociendo que la estandarización de los procesos de comunicación de las más de compañías eléctricas existentes en Estados Unidos era muy compleja y requeriría más tiempo de lo que se pensaba. A partir de 1996, el Instituto de Normas Nacionales Americanas (ANSI), la Asociación de Lectura Automática de Contadores (AMRA) y Measurement Canada unieron sus fuerzas para publicar normas para el almacenamiento de los datos de contadores y protocolos de comunicaciones. [1] Esta colaboración dio como resultado el establecimiento de tres normas importantes para el desarrollo de sistemas de medición: ANSI C12.18 (1996): Especificación de Protocolo para Puerto Óptico Tipo 2 ANSI: Protocolo de comunicaciones para el transporte de estructuras de datos según se define en C12.9, utilizando un puerto óptico de infrarrojos. ANSI C12.19 (1997): Tablas para Dispositivos Terminales en el Sector Eléctrico: La norma define la estructura de datos a utilizar en contadores. ANSI C12.21 (1998): Especificación de Protocolo para Comunicación por Módem Telefónico: Un estándar de comunicaciones diseñado para el transporte de estructuras de datos tal como se define en C12.19, a través de módems telefónicos. Al cumplir las nuevas normas ANSI, el contador A3 ALPHA proporciona a los clientes más flexibilidad que cuando se utilizan otros contadores de electricidad de su misma clase. Los contadores que cumplen estas normas prometen utilizar interfaces más sencillos; la implantación de nuevas características será más rápida y los costes de explotación serán menores. Comunicaciones ANSI y A3 ALPHA, para reducir los costes del cliente El contador A3 ALPHA ha sido diseñado de forma específica para dar cabida a los nuevos estándares y ofrecer una implantación más completa de las normas ANSI que cualquier otro contador disponible actualmente. Utilizando estándares abiertos para la comunicación de los datos de contadores, las compañías eléctricas podrán reducir sus costes de explotación al eliminar los obstáculos creados por los protocolos de comunicaciones de uso interno. Esta estandarización permite diseñar e implantar de forma más rápida los sistemas AMR y ofrece más posibilidades de sistemas globales de contadores en el mercado. El contador A3 ALPHA soporta plenamente los estándares ANSI C12.18, C12.19 y C A medida que el sector eléctrico vaya adoptando dichos estándares, se encontrará disponible un mayor número de sistemas y de opciones de comunicación y los usuarios del contador A3 ALPHA se beneficiarán de una herramienta más competitiva para sistemas de recogida y análisis de datos. Contadores avanzados de cuatro cuadrantes La medición en cuatro cuadrantes 1 permite medir la energía activa, reactiva y aparente tanto en la dirección de suministro como en la de recepción. Los contadores A3 ALPHA con capacidad para medir la energía reactiva o la energía aparente pueden medir tres cantidades: un factor de potencia media y dos valores coincidentes. Cuando es posible la medición avanzada en cuatro cuadrantes, dichos contadores miden seis cantidades: dos factores de potencia media y cuatro valores coincidentes. Alpha Keys para una configuración flexible del contador Utilizando el software denominado Alpha 1 La medición avanzada en cuatro cuadrantes permite medir la energía activa, reactiva y aparente tanto en la dirección de suministro como en la de recepción. kva received kw received Q2 Q3 kvar delivered kvar received Q1 Q4 kva delivered kw delivered 30 Revista ABB 2/2001

4 2 El software Alpha Keys permite reconfigurar fácilmente el contador A3 ALPHA, por ejemplo para convertir un sencillo contador de kw-hora en un avanzado contador multifuncional. PQM Loss compensation Advanced 4-quadrant metering Instrumentation profile Pulse profile Reactive power TOU Demand Keys 2, el contador A3 ALPHA puede ser reconfigurado fácilmente convirtiéndolo de un simple contador de kilovatios-hora en un avanzado contador que registra los siguientes valores: Tiempo de utilización (TOU) kva kvar Perfil de carga Calidad de la energía Perfil de instrumentación Compensación de pérdidas en el transformador y en la línea Medida avanzada en cuatro cuadrantes Un contador de estas características ahorra tiempo y recursos muy valiosos, ya que no es necesario retirarlo del servicio o enviarlo a la fábrica si se desea reconfigurarlo. El programa Alpha Keys limita los posibles costes de hardware en caso de que sea necesario cambiar las tarifas o adaptarse a las nuevas necesidades de servicio del cliente. El programa Alpha Keys puede también ser utilizado para reducir el inventario de contadores de una compañía eléctrica hasta niveles muy bajos sin que por ello se reduzca su capacidad para satisfacer los nuevos requerimientos de los clientes. El motor del contador, para un funcionamiento más eficiente La alimentación eléctrica utilizada para el A3 ALPHA acepta una amplia gama de tensiones de 96 a 528 V de corriente alterna y permite utilizar un solo contador para varias aplicaciones. Su salida a 12 V es enviada a un regulador lineal para obtener la tensión de nivel lógico que necesita el contador. La energía eléctrica es medida por dos circuitos integrados: el motor del contador y el microcontrolador 3. Estos actúan como centro de control de todos los componentes de medida. El motor del contador recibe corriente a través de un sensor de corriente con un devanado de precisión. Esto hace que se reduzca la proporcionalidad de la intensidad de corriente, de forma que el motor del contador puede medirla con precisión sin resultar sobrecargado. Un procesador de señales digitales convierte las señales analógicas de corriente en impulsos digitales. La tensión se mide con la ayuda de entradas a escala procedentes de divisores resistivos. Estos divisores mantienen la tensión lógica en el nivel necesario para asegurar la eficiencia de funcionamiento del motor del contador y reducir al mínimo los desplazamientos de fase, que se producen en un amplio intervalo dinámico. El motor del contador se comunica de forma continua con el microcontrolador con el fin de procesar los impulsos y convertirlos en cantidades de medida (por ejemplo vatios, VA y Var). El microcontrolador ejecuta muchas funciones diferentes, necesarias para la comunicación de los valores medidos y para la eficiencia de funcionamiento. Mencionemos las siguientes: Procesamiento de datos brutos procedentes del motor del contador. Almacenamiento de datos procesados (también llamados datos de facturación) Comunicación con el motor del contador y la memoria no volátil Disponibilidad de comunicaciones a través de puertos ópticos y remotos Funcionamiento del display (LCD) Control de las placas de circuito, opcionales, instaladas El microcontrolador se encarga también de aislar el contador, sin peligro alguno, en caso de corte de corriente. Con el fin de evitar toda pérdida de ingresos en caso de producirse un corte de corriente, los datos de facturación son almacenados en una memoria no volátil. Al restaurar la corriente, el contador vuelve inmediatamente a su estado operativo antes de reanudarse el funcionamiento normal. Las herramientas avanzadas del contador reducen al mínimo la incertidumbre El contador A3 ALPHA puede ejecutar una serie de test para comprobar y analizar el servicio eléctrico y verificar la calidad de la energía. Las pruebas de servicio del sistema validan el servicio eléctrico que el contador A3 ALPHA está midiendo y proporcionan un Revista ABB 2/

5 3 Diagrama de bloques del contador A3 ALPHA Phase A Voltage Phase B Voltage Phase C Voltage Phase A Phase B Phase C 12-V power supply Resistive divider Resistive divider Resistive divider sensor sensor sensor 2.5-V precision reference Crystal 5-V linear power supply Meter engine Non-volatile memory General technical data Option connector Non-volatile supply LCD Battery µ-controller Optical port Watch crystal Remote ports 1&2 Realizar diagnósticos in situ y comprobar el servicio Generar alarmas en tiempo real cuando se producen incidencias Pruebas de servicio del sistema Para comprobar el tipo de servicio, la rotación de fases y la validez de la tensión de fase y de intensidad de fase se necesitan únicamente dos pruebas: la prueba de tensión de servicio y la prueba de intensidad del sistema. Prueba de tensión de servicio En este test se comprueban la tensión y el tipo de servicio con el fin de establecer si los transformadores de tensión están mal conectados o si faltan protecciones en la línea. Cuando el contador establece que la tensión de servicio es correcta, guarda la información como base para posteriores comprobaciones de la calidad de la energía. análisis casi instantáneo de las condiciones en el punto en que está montado el contador. Los supervisores de la calidad de la energía analizan constantemente los parámetros del circuito. Supervisión de la calidad de la energía La liberalización del mercado está forzando a las compañías eléctricas a hacer frente a la posibilidad de que sus mejores clientes les abandonen buscando un mejor servicio. Muchas compañías eléctricas están preparando nuevos contratos de servicio a largo plazo intentando convencer a sus clientes industriales clave para que los suscriban. La supervisión avanzada de la calidad de la energía juega un importante papel en contratos de este tipo. El contador A3 ALPHA, en combinación con el software de ABB, puede ayudar a identificar los problemas de distorsión de la energía y la fuente en que se producen. Un intenso uso de la supervisión de calidad de la energía eléctrica (PQM) permite a las compañías eléctricas mejorar de forma proactiva el servicio a sus clientes. El contador A3 ALPHA registra las excepciones que se producen en los umbrales definidos por el usuario para parámetros tales como tensión, intensidad, distorsión total por armónicos y distorsión total de la demanda. Mediante diferentes test, el nuevo contador puede medir y recoger datos de calidad de la energía las 24 horas del día. Buscando satisfacer los requisitos del cliente, el contador ha sido diseñado para: Supervisar de forma continua más de 10 condiciones diferentes de calidad de la energía Registrar 32 canales de datos de instrumentación Visualizar más de 50 magnitudes diferentes de instrumentación Prueba de intensidad del sistema Es este test se comprueba la intensidad con el fin de establecer si los transformadores de corriente o las tomas de la instalación están mal conectados, o si faltan fusibles en el lado de la carga. Instrumentación del sistema Las mediciones realizadas con la instrumentación del sistema permiten un análisis casi instantáneo del servicio eléctrico. Ejemplos de dichas mediciones son la tensión por fase, los kw por fase y la distorsión total de la tensión o de la intensidad por fase producida por los armónicos. Dichas mediciones no se utilizan para la facturación; los valores suministrados por la instrumentación del sistema son instantáneos mientras que los valores para facturación son un promedio a lo largo del tiempo. (Los valores para facturación miden todas las fases. Las cantidades 32 Revista ABB 2/2001

6 indicadas por la instrumentación pueden medir cada una de las fases individualmente). La seguridad incorporada reduce los costes de soporte del sistema El contador A3 ALPHA también dispone de funciones de seguridad de alto nivel para impedir su manipulación por personal no autorizado. Tres contraseñas impiden el acceso no autorizado a los datos del contador. La primera contraseña permite el acceso a los datos del contador para fines de sólo lectura e impide realizar cambios en la programación. La segunda contraseña permite realizar las tareas necesarias para recoger los datos de facturación, permitiendo realizar ajustes en la fecha y hora, realizar puestas a cero y eliminar los mensajes de aviso o error. La tercera contraseña permite realizar una programación completa, por ejemplo para cambiar las constantes del contador o los parámetros de los test de comprobación de la calidad de la energía. Todas las configuraciones del contador A3 ALPHA proporcionan datos para realizar auditorías y pistas para detectar los posibles casos de acceso no autorizado. Dichos casos pueden ser identificados como: Cambios en la programación El número de identificación del usuario que modifica la programación Cortes de energía Número de puestas a cero realizadas manualmente Flujo inverso de energía Número de intentos de introducción de una contraseña errónea. Registros y conjuntos de datos Además de las herramientas que impiden el acceso no autorizado, el contador A3 ALPHA efectúa registros y reúne conjuntos de datos de diferentes actividades que pueden ser utilizados para establecer la calidad del servicio o para investigar el posible acceso no autorizado a los datos del contador. Registro de sucesos: Todas las configuraciones del A3 ALPHA pueden registrar la fecha y la hora de los sucesos que afectan al contador, tales como cortes de energía, puestas a cero, actividades en modo de ensayo y cambios de hora. Registro histórico: Todas las configuraciones del A3 ALPHA registran los cambios efectuados en la programación del contador. El registro histórico registra la fecha y la hora, la identificación de la tabla o procedimiento ANSI C12.19 y la identificación del usuario que ha editado la tabla o ejecutado el procedimiento. Autolecturas: Todos los contadores A3 ALPHA soportan la autolectura. Una autolectura registra y guarda los datos actuales de facturación. Las autolecturas pueden ser activadas según un programa establecido o cada vez que se realiza una puesta a cero. Perfiles de cargas: Los contadores A3 ALPHA con capacidad para perfiles de carga pueden registrar hasta 8 canales de información. El registro de perfiles de carga, que tiene lugar con una periodicidad dada, puede ser configurado independientemente a partir de la frecuencia de lectura de la demanda. Perfiles de instrumentación: Los contadores A3 ALPHA con capacidad para registrar perfiles de instrumentación disponen de dos conjuntos de registradores de instrumentación. Cada uno de los conjuntos puede registrar un máximo de 16 canales de información sobre las condiciones que existen en el lugar de instalación del contador. El registro de perfiles de instrumentación se utiliza normalmente para fines de análisis y no para la facturación. Cada conjunto tiene su propia frecuencia de registro, que puede ser configurada independientemente a partir de las frecuencias de registro de la demanda o de los perfiles de carga. Registro PQM de supervisión de la calidad de la energía eléctrica: Todos los contadores A3 ALPHA con capacidad para supervisar la calidad de la energía eléctrica permiten registrar aquellos casos en que las pruebas realizadas detectan defectos de calidad de la energía. En el PQM se registra la hora en que se ha producido el fallo, indicando la prueba que ha permitido detectarlo. Una vez desaparecida la condición causante del fallo, el contador registra la hora en que ya no se detecta fallo alguno, indicando el nombre de la prueba. Registro de caídas de tensión: Los contadores con capacidad para supervisar la calidad de la energía eléctrica disponen de un registro de las caídas de tensión. En él se registra la fecha, hora y fases en que se ha detectado caída de tensión. El contador identifica caídas de tensión tan cortas como dos ciclos de línea en cualquiera de las fases. Opciones para maximizar la flexibilidad de medida del contador Placas de circuito opcionales Al contador A3 ALPHA se le pueden añadir funciones extra mediante tarjetas de circuito opcionales 4. Dichas tarjetas se montan en la placa principal de circuito del contador por medio de un conector de 20 clavijas. El contador A3 ALPHA soporta actualmente cinco opciones de comunicación: Salidas de relé Módem telefónico interno Interfaz en serie RS232 Interfaz en serie RS485 Bucle de corriente de 20 ma Revista ABB 2/

7 4 Instalando tarjetas de circuito opcionales en su placa principal es posible añadir funciones extra al contador A3 ALPHA. 1 Contador A3 ALPHA 2 2 Modem telefónico interno 3 3 Memoria ampliada 4 4 Bucle de corriente de 20 ma (6 relés de salida) 5 5 RS232 (4 relés de salida) tarjetas de circuito opcionales instaladas. Todos los relés son totalmente programables. Los usuarios pueden seleccionar una fuente diferente de control para cada relé. Las fuentes posibles de control son las siguientes: Impulso de energía para cualquier cantidad medida básica Fin de la señal del intervalo de demanda Señal de control de carga Señal activa específica de TOU Señal de error o aviso Señal de fallo de la calidad de la energía Señal de condición de alarma ABB Electricity Metering está evaluando nuevas opciones de comunicación; también trabaja con empresas externas a ABB para poder disponer de un mayor número de opciones. Dado que el contador A3 ALPHA soporta el protocolo y los estándares de comunicaciones ANSI, la interconexión de las nuevas aplicaciones de software y opciones de comunicación con el contador A3 ALPHA se irá haciendo más fácil. Relés programables Un contador A3 ALPHA equipado con una tarjeta de circuito opcional, en la que se han montado relés para generar impulsos reflejados o proporcionar otras señales de control, puede también controlar dispositivos externos. Por ejemplo, si un relé del contador señala el inicio de un período de tarifa alta o la violación del umbral máximo de potencia, un dispositivo externo podrá hacer que se apague el equipo en cuestión hasta que las condiciones vuelvan al estado normal. O, si las condiciones específicas de calidad de la energía son esenciales para un cliente, será posible programar un relé que señale el no cumplimiento de dichas condiciones (como resultado de una prueba de supervisión de la calidad de la energía), lo cual afecta, por ejemplo, al funcionamiento de una máquina. El contador soporta un máximo de seis relés diferentes, dependiendo del conjunto de Un diseño para el futuro Una medición precisa de la energía consumida y de la calidad de la misma con el contador A3 ALPHA ofrece nuevas posibilidades a las compañías eléctricas y les permite dar un mejor servicio a los clientes, a la vez que reduce al mínimo las inversiones en hardware y la onerosa obsolescencia de los equipos. A3 ALPHA representa la nueva generación de contadores. Con sus muchas funciones avanzadas, ha sido diseñado para prestar servicio, hoy y en el futuro, a las compañías eléctricas. Autor Peter Kerstetter ABB Automation Inc 208 South Rogers Lane Raleigh, NC 27610, USA peter.a.kerstetter@us.abb.com Bibliografía [1] T. York: Exploring ANSI Standards in Meter Communications. PowerValue September/October 2000, Revista ABB 2/2001