SISTEMA DE MONITOREO DE SUBESTACIONES TRANSFORMADORAS CON TRANSMISION DE DATOS VIA GPRS

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1 Título SISTEMA DE MONITOREO DE SUBESTACIONES TRANSFORMADORAS CON TRANSMISION DE DATOS VIA GPRS Propuesta de sesión * 3 Autores del Trabajo Nombre País Alvarez Perez Guaita Juan Manuel Argentina juanmalvarez@live.com.ar Juarez Reiloba Gabriel Omar Argentina gjreiloba@gmail.com Salvay Nicolas Argentina nicolassalvay@yahoo.com.ar Candiani Carlos (UTN) Argentina ccandiani@ieee.org Dean Jorge (EPEC) Argentina Jdean@epec.com.ar 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

2 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]. 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 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. 2. MÓDULO DE ADQUISICIÓN DE DATOS. La función principal de este módulo es sensar magnitudes físicas relevantes, digitalizarlas y 2

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. 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. Figura 3: muestreo del canal de Tensión [2]. 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. 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 4: Detección de cruce por cero [2]. Figura 2: muestreo del canal de corriente [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 3

4 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 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] 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. 3.2 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. 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 7: placa de adquisición de datos. 4 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.

5 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. 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 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 11: Circuito de carga de Baterias Ion-Litio. 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 Simulación y fabricación. En la Figura 12 se observa una modelización de la placa del módulo UPS. 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.

6 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, IEC De esta manera se da al proyecto la robustez física que necesita. Figura 14: Implementación del proyecto. 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 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. 8. REFERENCIAS 1. Notas de cátedra CIII laboratorio de investigación UTN Córdoba Data sheet - Analog Devices CI ADE 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 Data sheet SIM COM Module SIM Data sheet Texas Instrument - Low Power Quad Channels Digital Isolators ISO7640 e ISO Data sheet Texas Instrument CI BQ Data sheet Texas Instrument - Modulo ZigBee.- mod CC2520.