Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Transcripción

1 Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Sección de Estudios de Posgrado e Investigación DESARROLLO DE UNA RED DE MEDIDORES INTELIGENTES PARA CUANTIFICAR LAS PÉRDIDAS ELÉCTRICAS E IDENTIFICAR EL ROBO DE ENERGÍA REALIZADO POR USUARIOS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN. Investigadores Dr. David Sebastián Baltazar Dr. Ricardo Mota Palomino Diciembre 2014

2 Objetivos Desarrollar y probar una técnica de correlación de datos, usando formas de onda de corriente en tiempo real para la detección de robo de energía, aplicables a medidores inteligentes. Crear una maqueta piloto de medidores inteligentes con comunicación inalámbrica y supervisados en tiempo real.

3 INTRODUCCIÓN Medición inteligente La medición inteligente se refiere al monitoreo y control de variables eléctricas a través de una red de comunicaciones. El objetivo es administrar y registrar el consumo en tiempo real, transfiriéndose esta información a través de alguna red hacia un centro de control de la compañía suministradora del servicio.

4 Características de los medidores comerciales Clave de licitación por la CFE: MES 15-1F-2H- 1E-120-S-KWH-PP-F12H. Watthorímetro monofásico de estado sólido, 1 fase, 2 hilos, 1 elemento, 120 V, 15(100) A, 60 Hz, forma 1S, clase de exactitud de 0,5%, con capacidad de autogestión. Los medidores con estas características están: IUSA, ABB, ELSTER

5 Capacidades del medidor IUSA (referencia) Interrupción por falta de saldo. Interrupción por superar la demanda contratada. Interrupción por retirar el medidor de su base. Interrupción por fecha de corte programada y falta de pago. Interrupción por bajo voltaje de (90 V) y alto voltaje (140). Reporte de falla en el medidor. Eventos de recarga de saldo. Monto de las recargas en KWh Inversiones en el sentido del flujo de energía.

6 Capacidades del medidor IUSA (referencia) Capacidad de Autogestión. El medidor debe ser capaz de operar como medidor de prepago o medidor de pospago. Desconectar la carga del usuario cuando el saldo se agote. Reconectar la carga cuando se le ingrese un nuevo saldo. Interrumpir por fecha de corte programada y falta de pago Otros medidores incluyen características sugeridas por la norma G CFE Distorsión armónica hasta la 31ava armónica Sags/Swells Desbalance de corriente y voltaje. Variaciones de frecuencia. Registro de forma de onda. Eventos de corta y larga duración Servicio Web en formato XML

7 Capacidades de los medidores con infraestructura de medición avanzada (AMI) Desplegados en algunos puntos de esta Ciudad Capacidades adicionales. Comunicación bidireccional. Detección de Inclinación. Tres niveles de seguridad a través del puerto óptico. Desconexión de energía. Detección de cambio de sentido en el flujo de energía.

8 Técnicas usadas en el robo de energía Diablitos. Modificación de circuitos de alimentación. Cambio de faseo (trifásico). Alteración física de los medidores (digitales y analógicos). Alteración de registros vía puertos ópticos.

9 Formas de detección de robo de energía Inspección física de la instalación Alarmas tradicionales Sensores de inclinación (temblores, golpes) Inversión de flujo de corriente (Celdas PV) Pérdida de potencial (fallas en el suministro) El 90% de estas alarmas son falsas Métodos de análisis Historial de consumo (cambios de usuarios) Balance de energía a nivel de alimentadores (cuál de todos los usuarios incurre al robo)

10 Nuevas formas de detección del robo Balance de energía En kwh La suma de lo entregado por el transformador debe ser igual a lo facturado. Las técnicas empleadas deben considerar las pérdidas en los conductores que unen al consumidor. Balance de corriente (Método propuesto) Basada en la ley de Kirchhoff. Utiliza las componentes armónicas para identificar a los usuarios Requiere mecanismos de sincronización muy precisos

11 Agente observador CFE IEM IEM IEM

12 El algoritmo propuesto utiliza el registro del agente observador Medidor sin alteraciones Medidor con alteraciones Colgados Consumo registrado por el agente observador Monto Facturado Monto robado

13 Generación de patrones de consumo MARTES MIERCOLES JUEVES VIERNES SABADO DOMINGO LUNES L-V S-D 0:00 0:50 1:40 2:30 3:20 4:10 5:00 5:50 6:40 7:30 8:20 9:10 10:00 10:50 11:40 12:30 13:20 14:10 15:00 15:50 16:40 17:30 18:20 19:10 20:00 20:50 21:40 22:30 23:20

14 Formas de onda de i(t) de distintos usuarios, en un periodo Forma de Onda Amplitud en Amperes Radianes

15 Resultados de la simulación con distintos escenarios. Propiedad Perfil de dia laboral Perfil de fin de semana Clientes facturados Medidores alterados #Colgados Medidor Medidor Medidor Medidor Medidor Medidor Medidor 7(ββ = 0.6) Medidor Medidor Medidor Medidor Medidor Medidor Medidor 14(ββ = 0.5) Medidor Perdidas de energia (PU) Nivel de alarma

16 Reportes de alteraciones en medidores inteligentes Terminater

17 Características de seguridad adicionales en el medidor propuesto Almacenamiento de credenciales que permite almacenar nombres de usuario o contraseñas para acceder a los servicios de una red. Específicamente en medidores inteligentes estos son conocidos como certificados de seguridad, los cuales permiten validar la autenticidad de la conexión y realizar conexiones seguras, y son almacenados en la unidad FLASH del microcontrolador. En el medidor se incorporó un sistema de almacenamiento de credenciales bajo el principio de una función física no reproducible (PUF).

18 Funciones físicamente no reproducibles (PUF) Su funcionamiento recae en el uso de propiedades físicas como son: ruido eléctrico, variaciones a nivel silicio, o inserción de partículas que afecten la respuesta eléctrica que son únicas en cada dispositivo. Esto permite obtener IDs únicas, que no pueden ser reproducidas..

19 Conteo del número de bits (0) Número de bits Bytes usables en un segmento de memoria, Dispositivo 0 Minimum count Maximum count Average count Condición de frontera Segmento de memoria (byte)

20 Conteo del numero de bits (1) Número de bits Bytes usables en un segmento de memoria, Dispositivo 1 Minimum count Maximum count Average count Condición de frontera Segmento de memoria (byte

21 ID parcial extraída de cada dispositivo Dispositivo 0 Dispositivo 1 Bit Byte position Value Bit Byte position Value

22 Pruebas visuales Unión D0 y D1 Unión D0 y D1 separada por colores Secuencia PRNG

23 Arquitectura de medidor propuesto Acondicionad. de señal Acondicionad. de señal Módulo GPS Puerto Ethernet Módulos de radio Alimentación Medición de frecuencia DFT Medición Medición de energía ETHERNET Comunicación Control digital de muestreo Estimación de frecuencia Memoria Memoria TCP/IP Sensores de Corriente/ Voltage ADC Controlador de relevador Puertos Detección de Movimiento Seguridad Componentes de precision Referencia de voltaje Cristales de precisión Seguridad Puertos Display Puerto Óptico Software Unidades funcionales Interfaces de señales

24 Estado Físico (Sistema previo)

25 Vista frontal (LCD + puertos ópticos)

26 Tarjeta de CPU s (medición + comunicación)

27 Sistema de adquisición de señales

28 Módulos de hardware Radio g Módulo GPS

29 Estado actual del medir inteligente

30 Desarrollos alcanzados en el medidor Obtención de mediciones fasoriales de acuerdo a IEEE C37.118, clase M, Estado Estable Obtención de DFT, hasta la 51 armónica, en cada ciclo, de acuerdo a la norma IEEE Encriptación Advanced Encryption Standard (AES) 128 bits Seguridad Transport Layer Security (TLS) 1.2 (RSA 1024 bits) Comunicación Punto A Punto IEEE g

31 Desarrollos alcanzados en el medidor El medidor opera en dos modos (usuario final y concentrador), mismo hardware*, distinta versión de software. Cuenta con un puerto de Ethernet que puede ser usado en los concentradores de datos (permite la interconexión a la LAN empresarial). El medidor en modo concentrador permite transferir los datos hacia los servidores de la empresa eléctrica a través de TCP/IP v4. Servidor de datos (CFE) Medidor inteigente configurado en modo usuario Cliente HTTP (usuario, CFE) Router inalambrico (Modo puente) Wi red Medidor configurado como concentrador Medidor inteligente configurado en modo usuario

32 Sistema de monitoreo vía puerto óptico

33 Página principal del medidor a través de la WEB

34 Características del hardware vía remota

35 Servicios web

36 Desarrollos del medidor- Servicios Web Monitoreo de consumo mediante una página web Autentificación de medidores. Conexión segura (TLS 1.2/ HTTPS)

37 Servicios de geolocalización

38 Conclusiones Se presentó el método para identificar a los medidores con alteraciones y el robo de energía, en el estudio se consideran distintos escenarios con respecto al número de usuarios colgados. Los resultados identifican correctamente a los medidores alterados y cuantifica las pérdidas de energía en pu. Se implementaron en el medidor varios mecanismos de seguridad. Los cuales permite validar la autenticidad de la conexión y tener conexiones seguras, bajo el principio de una Función Física no Reproducible (PUF). Se presentó el avance de hardware del medidor sobre un PCB, que muestra una pantalla LCD, puertos ópticos, CPU, ADC, módulos de radio y receptor de GPS, entradas de Ethernet, entre otras.

39 Conclusiones Se presentaron algunas características del software instalado en el medidor, como son: Servicios web (obtención remota de parámetros eléctricos) Control de varias interfaces de red.

40 Agradezco su atención