Implementación de una Tarjeta de Adquisición y Procesamiento de Señales para el Monitoreo de Distorsión Armónica y Parámetros de Estado Estable en Redes de Tensión Menor a 1 KV

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(1)IMPLEMENTACIÓN DE UNA TARJETA DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES PARA EL MONITOREO DE DISTORSIÓN ARMÓNICA Y PARÁMETROS DE ESTADO ESTABLE EN REDES DE TENSIÓN MENOR A 1 KV. DIEGO ALEJANDRO RAMIREZ MORALES Código: 20092007031 JONATAN DAVID VANEGAS GUERRERO Código: 20092007015. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ, COLOMBIA AGOSTO DE 2017.

(2) IMPLEMENTACIÓN DE UNA TARJETA DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES PARA EL MONITOREO DE DISTORSIÓN ARMÓNICA Y PARÁMETROS DE ESTADO ESTABLE EN REDES DE TENSION MENOR A 1 KV. DIEGO ALEJANDRO RAMIREZ MORALES Código: 20092007031 JONATAN DAVID VANEGAS GUERRERO Código: 20092007015. Proyecto de Grado para optar por el título de Ingeniero Eléctrico. DIRECTORES MSc, PhD FRANCISCO SANTAMARIA PIEDRAHITA MSc, PhD CESAR LEONARDO TRUJILLO RODRÍGUEZ. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ, COLOMBIA AGOSTO DE 2017.

(3) AGRADECIMIENTOS. A mis padres Alberto Vanegas y María del Carmen Astrith Guerrero Álvarez, por su paciencia y apoyo incondicional en este camino que decidí emprender. Su ejemplo de fortaleza y sacrificio ha sido siempre mi principal motivación.. Jonatan David Vanegas Guerrero. Primero a Dios quien nos guía y alienta cada día por este camino llamado vida, toda gloria para él; siendo quien ha puesto infinitas bendiciones en forma de personas tan geniales como aquellas que no tanto pero que definitivamente han dejado lecciones de vida gratificantes e importantes. A mi madre María Elvinia Morales por ser un constante e importante apoyo en momentos de extrema dificultad; por darme la chance a toda costa de estar aquí. A mi padre Juan de Jesús Ramírez quien ha sido mi ejemplo a seguir por su constante lucha por sacar adelante a mis hermanos y a mí, incluso sacrificando sus merecidas oportunidades por brindarnos un futuro; quien ha tenido además una paciencia conmigo y una lucha enorme con la vida. A mi tía María Elena Ramírez quien siempre ha sido un ejemplo de madre, asi como de constancia y lucha, y también una gran artífice como ‘alcahueta’ en todos los proyectos que he pretendido iniciar. A nuestros directores, los profesores Francisco Santamaría Piedrahita y Cesar Leonardo Trujillo, excelentes profesores y mucho mejor personas, por la confianza depositada y la oportunidad de trabajar en el desarrollo de este Proyecto con los múltiples inconvenientes y alegrías presentadas. Además de las lecciones aprendidas en cada una de las materias que pude tomar con ellos. A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, profesores, compañeros con quienes tuve la oportunidad de compartir momentos de alegría, sufrimiento, estrés, convivencia y de los que me llevo recuerdos imborrables. A mi compañero y amigo, Jonatan Vanegas, una persona estupenda con quien tuve la fortuna de desarrollar este Proyecto de Grado. Que muy posiblemente no hubiera tomado el camino que llevo sin esas ideas maravillosas que parecía frotar cada instante y quien segura y merecidamente tendrá un camino exitoso en esta vida.. Diego Alejandro Ramírez Morales. I.

(4) TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ................................................................................................................. VIII INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 3 OBJETIVOS ESPECIFICOS .................................................................................. 3 1.. MARCO TEORICO .............................................................................................. 5. 1.1. MONITOREO DE CALIDAD DE POTENCIA Y ARMONICOS EN REDES DE DISTRIBUCION ............................................................................................................. 5 1.1.1. 1.2.. Normativas ................................................................................................ 6. PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES .................................................. 10. 1.2.1.. Elementos de un sistema DSP ................................................................ 11. 1.3.. TRANSFORMADA RAPIDA DE FOURIER .................................................... 15. 1.4.. AVANCES CAPITULO 1 ................................................................................ 16. 2.. DESARROLLO DE HARDWARE ...................................................................... 19 2.1.. ETAPA DE SENSADO ................................................................................... 19. 2.1.1.. Sensor de tensión ................................................................................... 20. 2.1.2.. Sensor de corriente ................................................................................. 21. 2.2.. ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO.............................................................. 23. 2.2.1.. Circuito de acondicionamiento de tensión ............................................... 23. 2.2.2.. Circuito de acondicionamiento de corriente ............................................. 30. 2.3.. CONTROLADOR DIGITAL DE SEÑALES TMS320F28335 ........................... 33. 2.4.. JTAG.............................................................................................................. 35. 2.5.. FUENTE DE ALIMENTACIÓN ....................................................................... 35. 2.6.. PCB ............................................................................................................... 36. 2.7.. AVANCES CAPITULO 2 ................................................................................ 39. 3.. IMPLEMENTACIÓN DE SOFTWARE ............................................................... 41 3.1.. BLOQUE DE INICIALIZACION ...................................................................... 42. 3.2.. BLOQUE DE ADQUISICION DE DATOS ....................................................... 44. 3.2.1.. Configuración del conversor analógico digital ......................................... 44. 3.2.2.. Controlador de acceso directo a memoria ............................................... 44. 3.2.. BLOQUE DE MEDIDA ................................................................................... 46. 3.2.1.. Transformada Rápida de Fourier ............................................................ 46 II.

(5) 3.2.1.. Magnitud y fase de cada armónico .......................................................... 47. 3.2.2.. Distorsión Armónica Total (THD)............................................................. 47. 3.2.3.. Valor RMS de tensión y corriente ............................................................ 48. 3.2.4.. Valor pico de tensión y corriente ............................................................. 48. 3.2.5.. Potencia Activa y Reactiva ...................................................................... 48. 3.2.6.. Potencia Aparente................................................................................... 49. 3.2.7.. Factor de Potencia .................................................................................. 50. 3.3.. BLOQUE DE ACTUALIZACION Y PROMEDIADO DE DATOS ..................... 50. 3.3.1. 3.4.. Agregación de 12 y 180 ciclos................................................................ 51. BLOQUE DE COMUNICACIONES ................................................................ 53. 3.4.1.. Interfaz Gráfica GUI ................................................................................ 53. 3.4.2.. Envío de datos por SCI/UART................................................................. 55. 3.4.3.. Configuración memoria Flash.................................................................. 56. 3.5. 4.. AVANCES CAPITULO 3 ................................................................................ 56 PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................. 57. 4.1.. PRUEBAS DE HARDWARE .......................................................................... 57. 4.1.1.. Pruebas a los sensores de tensión y corriente ........................................ 57. 4.1.2.. Pruebas del sistema de adquisición ........................................................ 61. 4.2.. PRUEBAS DE SOFTWARE ........................................................................... 66. 4.2.1.. Pruebas del bloque de medida ................................................................ 66. 4.2.1.1.. Prueba rectificador de media onda ...................................................... 67. 4.2.1.2.. Prueba motor trifásico conectado en delta ........................................... 71. 4.2.1.3.. Prueba carga conectada en estrella .................................................... 72. 4.2.1.4.. Pruebas de envío de datos a la tarjeta de comunicaciones. ................ 77. 4.3.. LISTA DE ELEMENTOS Y COSTOS ............................................................. 77. 4.4.. PLACA DE ESPECIFICACIONES .................................................................. 79. 4.5. AVANCES CAPITULO 4 ................................................................................... 80 5.. 6.. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ..................................................... 81 5.1.. CONLUSIONES ............................................................................................. 81. 5.2.. TRABAJOS FUTUROS .................................................................................. 82 BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS .................................................................... 85. ANEXOS ..................................................................................................................... 89 A. FLUJOGRAMAS PARA LA ADQUISICION Y PROCESAMIENTO DE LAS SEÑALES .................................................................................................................... 89 III.

(6) A.1. Configuración Conversor A/D........................................................................ 89 A.2. Configuración Conversor A/D........................................................................ 90 A.3. Flujogramas para el cálculo de parámetros de estado estable y distorsión armónica ................................................................................................................... 91 A.4. Flujogramas para la agregación de resultados .............................................. 94 A.4. Flujograma para la comunicación UART ....................................................... 97 A.5. Flujograma del bloque de procesamiento ..................................................... 99 B.. RESULTADOS PRUEBA CON CARGA EN ESTRELLA FASE B Y FASE C 100. IV.

(7) INDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Bloques típicos de un sistema DSP. ................................................................................ 11 Figura 1.2. Muestreo periódico de una señal analógica [15]............................................................. 12 Figura 1.3. Proceso de muestreo, cuantificación y codificación de una señal analógica [17]........... 13 Figura 2.1. Elementos de hardware que componen la tarjeta de adquisición y procesamiento. ....... 19 Figura 2.2. Esquema de protección. .................................................................................................. 24 Figura 2.3. Amplificador operacional OP07 en configuración seguidor de tensión. ........................ 25 Figura 2.4. Etapa restadora para medir tensiones de línea. ............................................................... 26 Figura 2.5. Constitución interna del amplificador de instrumentación AD620................................. 27 Figura 2.6. Configuración del AD620 para etapa de amplificación y nivel DC de las señales de tensión. .............................................................................................................................................. 28 Figura 2.7. Esquema filtro Butterworth de cuarto orden. .................................................................. 29 Figura 2.8. Diagrama de Bode. ......................................................................................................... 29 Figura 2.9. Circuito de acondicionamiento de tensión implementado. ............................................. 30 Figura 2.10. Configuración del AD620 para etapa de amplificación y nivel dc de las señales de corriente............................................................................................................................................. 32 Figura 2.11. Circuito de acondicionamiento de corriente implementado. ........................................ 32 Figura 2.12. Diagrama de bloques TMS320F28335 [30]. ................................................................ 33 Figura 2.13. Arquitectura de la CPU de TMS320F28335. ................................................................ 34 Figura 2.14. Esquemático del socket de 100 pines creado en Altium Designer. .............................. 37 Figura 2.15. Diseño de la PCB de la tarjeta de adquisición y procesamiento. .................................. 38 Figura 2.16. Tarjeta implementada ................................................................................................... 39 Figura 3.1.Bloques constitutivos del software implementado........................................................... 41 Figura 3.2. Lógica para las adquisición, procesamiento y comunicación de información ................ 42 Figura 3.3.Configuración del procesamiento para el del tipo de sistema bajo estudio. .................... 43 Figura 3.4.Datos iniciales enviados por la tarjeta de comunicaciones para inicio de procesamiento. ........................................................................................................................................................... 43 Figura 3.5.Diagrama de bloques de transferencia por medio de DMA. ............................................ 45 Figura 3.6. Diagrama para promedio de parámetros mediante agregación de 12 y 180 ciclos. ........ 52 Figura 3.7. Pantalla principal de la interfaz gráfica implementada. .................................................. 53 Figura 3.8. Pantalla de visualización de espectros de fase de los armónicos individuales. .............. 54 Figura 3.9. Pantalla de visualización de parámetros de estado estable. ............................................ 54 Figura 3.10. Flujograma para transmisión de datos por comunicación UART. ................................ 55 Figura 4.1. Divisor resistivo. a) Esquema para los canales de entrada de tensión. b) Tarjeta implementada. ................................................................................................................................... 58 Figura 4.2. Tensión de entrada vs tensión de salida para cada canal de tensión. .............................. 59 Figura 4.3. Curva de ganancia para resistencias de 1 kΩ, 20 kΩ y 1 MΩ. ....................................... 59 Figura 4.4. Resultados pruebas de linealidad sonda I400s. ............................................................... 60 Figura 4.5. Comportamiento en frecuencia sonda I400s. .................................................................. 60 Figura 4.6. Tensiones de línea de 208 V. a) Medida PQA 824. b) Medida por el ADC. .................. 61 Figura 4.7. Relación para tensiones antes y después de la etapa de amplificación. a) Canal A de tensión. b) Canal B de tensión. c) Canal C de tensión. ..................................................................... 62 Figura 4.8. Nivel DC de salida del circuito de amplificación y nivel offset de tensión de entrada. . 63 V.

(8) Figura 4.9. Relación para tensión antes y después de la etapa de amplificación. a) Canal A de corriente. b) Canal B de corriente. c) Canal C de corriente. d) Canal D de corriente. e) Nivel DC.. 64 Figura 4.10. Nivel DC de salida del circuito de amplificación y nivel offset de corriente de entrada. ........................................................................................................................................................... 65 Figura 4.11. Respuesta del filtro antialiasing del canal de tensión A................................................ 65 Figura 4.12. Respuesta del filtro antialiasing del canal de corriente A. ............................................ 66 Figura 4.13. Señales en la carga del rectificador de media onda. a) Señal de tensión adquirida por el CAD de la tarjeta. b) Señales de tensión y corriente adquirida por un osciloscopio......................... 67 Figura 4.14. Armónicos individuales de tensión en la carga............................................................. 68 Figura 4.15. Armónicos individuales de corriente en la carga. ......................................................... 68 Figura 4.16. Errores relativos y respecto a la norma en la estimación de parámetros de tensión para condiciones nominales y 10% del rango nominal. ............................................................................ 70 Figura 4.17. Errores relativos y respecto a la norma en la estimación de parámetros de corriente para condiciones nominales y 10% del rango nominal. ............................................................................ 70 Figura 4.18. Montaje realizado para conexión de carga en delta. ..................................................... 71 Figura 4.19. Errores promedio relativos al equipo de medida para los parámetros estimados en conexión delta. .................................................................................................................................. 72 Figura 4.20. Valor RMS de tensión para fase A. Tarjeta vs PQA. .................................................... 73 Figura 4.21. Valor RMS de corriente para fase A. Tarjeta vs PQA. ................................................. 73 Figura 4.22. Valor THD de tensión y corriente para fase A. Tarjeta vs PQA. .................................. 74 Figura 4.23. Valores P. Activa, Reactiva y Aparente para fase A. Tarjeta vs PQA.......................... 74 Figura 4.24. Valores P. Activa, Reactiva y Aparente Trifásica. Tarjeta vs PQA.............................. 75 Figura 4.25. Valores de F. de Potencia y Coseno Phi Trifásico. Tarjeta vs PQA. ............................ 75 Figura 4.26. Errores relativos promedio en el tiempo de medida para los parámetros estimados en conexión estrella................................................................................................................................ 76. VI.

(9) INDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Categorías y características típicas de fenómenos electromagnéticos en sistemas de potencia [4]- ........................................................................................................................................ 5 Tabla 1.2. Límites permitidos de distorsión armónica de tensión [7]. ................................................ 7 Tabla 1.3. Límites permitidos de distorsión de armónica de corriente [7]. ......................................... 7 Tabla 1.4. Clases de precisión para medidas de corriente, tensión y potencia [10]. ........................... 9 Tabla 1.5. Comparación entre la cantidad de multiplicaciones complejas a realizar por parte de la DFT y el algoritmo FFT de base 2. ................................................................................................... 16 Tabla 2.1. Parámetros de diseño del divisor capacitivo. ................................................................... 20 Tabla 2.2. Características de alternativas para sensor de corriente. .................................................. 21 Tabla 2.3. Especificaciones de la sonda I400s. ................................................................................. 22 Tabla 2.4. Parámetros de diseño del circuito de amplificación y nivel DC. ..................................... 27 Tabla 2.5. Parámetros de diseño del circuito de amplificación y nivel DC. ..................................... 31 Tabla 2.6. Consumo de potencia de los dispositivos electrónicos. ................................................... 36 Tabla 2.7. Especificaciones de salida de la fuente DC TMP 31212C. .............................................. 36 Tabla 4.1. Resultados prueba de comunicaciones. ............................................................................ 77 Tabla 4.2. Costo de los elementos empleados en la tarjeta. .............................................................. 78 Tabla 4.3. Características de la tarjeta implementada. ...................................................................... 79. VII.

(10) RESUMEN Los resultados de este proyecto de grado forman parte del proyecto de investigación "Desarrollo de un sistema de medición avanzado para registro de parámetros eléctricos de estado estable y de calidad de energía en redes de tensión menor a 1 KV" financiado por el Fondo Nacional para la financiación de la ciencia, la tecnología y la innovación "Fondo Francisco José de Caldas" del Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e innovación - COLCIENCIAS (Contrato: FP44842 - 321 2015), desarrollado por los grupos de investigación GCEM, LIFAE y GITUD, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Este trabajo aborda el diseño y construcción de una tarjeta de adquisición y procesamiento de señales, que permite conocer la tendencia de los parámetros de estado estable y distorsión armónica de una red monofásica o trifásica de baja tensión, en tiempo real y usando hardware de bajo costo. Inicialmente se establecieron los rangos, requerimientos y requisitos, mediante los cuales estuvieron encaminadas las etapas de diseño e implementación para que la tarjeta cumpliera con las exigencias de un equipo clase S. Se seleccionan todos los elementos que constituyen el hardware, partiendo desde los elementos que captan las señales de tensión y corriente, se diseñan e implementan los circuitos de acondicionamiento que garantizan tanto la integridad de los dispositivos electrónicos, como la adecuada adquisición de las señales. Se optó por el Controlador Digital de Señales TMS320F28335 por su alta capacidad de cálculo y almacenamiento, como elemento encargado de digitalizar y procesar las señales analógicas acondicionadas. Se diseña la PCB bajo criterios de compatibilidad electromagnética, y se construye la tarjeta con los elementos seleccionados. Paralelamente se implementan los algoritmos que permiten estimar parámetros de estado estable y distorsión armónica total de hasta 7 canales analógicos simultáneamente. Además, se elabora una interfaz gráfica que permite al usuario visualizar los resultados obtenidos periódicamente. De igual manera, se desarrolla el protocolo de comunicación por medio de SCI/UART, para el envío de los datos promediados a la tarjeta de comunicaciones del registrador para ser almacenados en una base datos. Se validan los resultados con un equipo patrón, los cuales determinan que la tarjeta posee una exactitud adecuada en cada uno de los parámetros que calcula. Del mismo modo, la etapa de comunicaciones presenta un excelente comportamiento para cada una de las transferencias de datos realizadas.. VIII.

(11) INTRODUCCIÓN El rápido desarrollo de tecnologías de estado sólido enfocadas a mejorar la eficiencia en los dispositivos eléctricos, ha traído consigo efectos indeseados para los sistemas de distribución, reflejados en perturbaciones electromagnéticas que afectan los parámetros de calidad de potencia del servicio de energía eléctrica. Del mismo modo, estas cargas de naturaleza no lineal, son altamente susceptibles a pequeñas fluctuaciones en los parámetros de tensión, corriente y frecuencia, causando un mal funcionamiento en ellas y daños en los demás dispositivos conectados al sistema. Por esta razón, la reglamentación internacional, incluida Colombia, no solo está enfocada en evaluar la calidad del suministro de energía eléctrica en términos de disponibilidad y confiablidad, sino también en parámetros de calidad de potencia y rangos de aceptabilidad que ayuden a limitar la emisión de perturbaciones electromagnéticas, y garanticen unas condiciones de suministro que no afecten el funcionamiento de la red eléctrica y los equipos conectados a ella [1]. En este sentido, resulta indispensable registrar y monitorear los fenómenos de calidad de potencia que reflejen las condiciones físicas en un punto particular del sistema y suministren información necesaria para acciones de mitigación y mantenimiento, y ante eventos que violen los límites establecidos, servir como soporte en penalizaciones y litigios. En la actualidad se cuenta con dispositivos de alta tecnología como analizadores de calidad de potencia y/o registradores de potencia que permiten la evaluación de la calidad de potencia suministrada por las empresas de servicios o estimar el efecto de la carga sobre las variables eléctricas [2]. Sin embargo, el alto costo tanto de mercado, como de funcionamiento limitan su uso, además este tipo de tecnologías con plataformas cerradas impiden la modificación y adaptación de las técnicas de medida al medio nacional y a las necesidades propias de cada usuario. La reducción de costos, principalmente en hardware, hace viable que se estudien e implementen alternativas de instrumentación en centros de investigación local [3]. De allí que, dentro de las investigaciones desarrolladas por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, a través de los grupos de investigación GCEM, LIFAE y GITUD, enfocadas al estudio e implementación de nuevas tecnologías de generación, distribución y gestión de energía eléctrica, así como alternativas de movilidad, soluciones energéticas a la demanda creciente y un uso más eficiente de la energía, se propuso el proyecto denominado “Desarrollo de un sistema de medición avanzado para registro de parámetros eléctricos de estado estable y de calidad de energía en redes de tensión menor a 1 kV”, el cual fue incluido en el banco de proyectos elegibles dentro de la convocatoria 669 de 2014 de Colciencias, y finalmente seleccionado para su ejecución. Dicho proyecto plantea la necesidad de medir y registrar continuamente las variables eléctricas que permitan determinar el funcionamiento de una red y los fenómenos que la perturban, de una manera clara y oportuna, respondiendo a las exigencias dinámicas de gestión que podría demandar la inclusión en Colombia de nuevas tecnologías de consumo energético. El prototipo está compuesto de una serie de módulos inteligentes de bajo costo y fácil implementación, que se comunican mediante diferentes plataformas de comunicación 1.

(12) y se encargan de detectar y registrar parámetros de estado estable y calidad de energía en redes de baja tensión (tensión menor a 1 KV) [1]. Uno de los módulos del prototipo es el encargado de la medición de parámetros eléctricos de estado estable y distorsión armónica, siendo su implementación objeto del presente proyecto de grado. La información de parámetros de estado estable es de gran importancia dentro del nuevo paradigma de redes inteligentes, ya que a partir de ella es posible tomar decisiones que permitan la gestión adecuada de la demanda en tiempo real, o puede permitir la predicción de la demanda para hacer la gestión necesaria a partir de estos y otros parámetros fundamentales [1]. Por otro lado, las componentes armónicas forman parte de los aspectos a tener en cuenta en el sector energético por tratarse de uno de los fenómenos que actualmente afecta en mayor proporción a las redes de distribución. Manifestados directamente en la deformación de la onda de tensión y corriente, los armónicos originan un aumento en los índices de contaminación de la red y son causantes de interferencias, sobrecalentamientos y demás efectos que generan un mal funcionamiento en los equipos eléctricos, electrónicos, sistemas de control, protección y comunicaciones. Además, ante la eventual conexión a la red eléctrica del país de fuentes de generación distribuida, vehículos eléctricos y demás elementos de característica no lineal, el aporte de armónicos puede llegar a ser aún más significativo. Ante la necesidad de implementar dispositivos de medición que cumplan simultáneamente los requerimientos de bajo costo y precisión que permitan llevar un control mucho más riguroso de cargas contaminantes, el avanzado desarrollo de la microelectrónica y en especial en el campo de procesamiento digital de señales ha permitido abordar la implementación de instrumentación brindando rapidez, exactitud, flexibilidad y adaptabilidad, a bajo costo. Dispositivos electrónicos que almacenan y procesan todo tipo de señales a muy alta velocidad como procesadores digitales de señales DSP’s y controladores digitales de señales DSC's, se han convertido en parte integral de los sistemas de adquisición de señales, especialmente en aplicaciones donde se desea conocer la evolución de la señal en tiempo real, haciendo factible la posibilidad de implementar todo el tratamiento de información que conlleva el estudio de armónicos sin incurrir en altos costos, en comparación con los dispositivos convencionales empleados en el monitoreo de la calidad de potencia. A partir de lo anterior, el objetivo del presente proyecto de grado es diseñar e implementar una tarjeta adquisición y procesamiento de señales, que permita conocer la tendencia de los parámetros de estado estable y distorsión armónica de una red monofásica o trifásica de baja tensión, en tiempo real y usando hardware de bajo costo. Para ello, se desarrollan una serie de etapas expuestas a lo largo de los cinco capítulos que componen el documento. El primer capítulo abarca las bases teóricas y los lineamientos regulatorios para la realización de este proyecto. Se estudian las diferentes recomendaciones establecidas en estándares nacionales e internacionales que regulan los parámetros de la calidad de potencia eléctrica y los equipos destinados a su monitorización. El capítulo 2 presenta el diseño e implementación de los bloques constitutivos de hardware de la tarjeta. El capítulo 3 expone los algoritmos desarrollados para estimar las variables de interés, así como también, la configuración de los recursos utilizados del Controlador Digital de Señales 2.

(13) F28335 en el módulo de procesamiento. Se presenta además el diseño de la interfaz gráfica que permite realizar cambios periódicos de software que se adapten a cambios establecidos por la normativa sin necesidad de remplazar el equipo, además del protocolo de comunicación empleado para el envío de datos a la tarjeta de comunicaciones. El capítulo 4 presenta las pruebas y resultados experimentales del proceso de validación que determinan las características de la tarjeta implementada. Por último, el capítulo 5 presenta las conclusiones del proyecto realizado y se proponen las posibles líneas de trabajo en miras a su mejoramiento y perfeccionamiento.. OBJETIVO GENERAL Implementar una tarjeta de adquisición y procesamiento de señales que permita medir distorsión armónica y parámetros de estado estable en redes de tensión menor a 1 KV.. OBJETIVOS ESPECIFICOS •. •. •. •. Establecer los rangos de distorsión armónica y los parámetros de estado estable para redes de tensión menor a 1 KV que serán monitoreados, acorde a las normativas dirigidas a equipos de medida de calidad de potencia eléctrica. Diseñar e Implementar los bloques funcionales de adquisición y procesamiento de señales de tensión y corriente que componen la tarjeta, que permita la detección y monitoreo en redes trifásicas y monofásicas. Diseñar el software de medición que permita determinar el contenido armónico y los parámetros de estado estable en redes de tensión menor a 1 KV, así como también visualizar en una interfaz gráfica y transmitir los resultados para su registro en una base de datos. Validar el funcionamiento del sistema de medición mediante pruebas de laboratorio, frente a un instrumento de referencia analizador de calidad de energía convencional.. 3.

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(15) 1. MARCO TEORICO 1.1. MONITOREO DE CALIDAD DE POTENCIA Y ARMONICOS EN REDES DE DISTRIBUCION Los avances de la tecnología de estado sólido han conllevado a la proliferación de dispositivos electrónicos de control, automatización y en general, cargas no lineales que afectan las características de las señales de tensión y corriente de sus valores de referencia. A su vez, este tipo de cargas son altamente susceptibles a pequeñas fluctuaciones de tensión y demás perturbaciones que ocasionan fallas e interrupciones en su operación, afectando a los usuarios finales. Esto demanda que la señal de tensión que proveen las empresas suministradoras de energía eléctrica deba cumplir con parámetros de calidad que garanticen un funcionamiento adecuado tanto de los equipos electrónicos conectados alrededor, como de la misma red eléctrica. Por su parte, la señal de corriente, altamente distorsionada por la naturaleza no lineal de la mayoría de cargas conectadas al sistema, produce de igual forma efectos nocivos que hacen del cumplimiento de los parámetros de calidad de potencia eléctrica una necesidad imperativa [2]. Los problemas que afectan la calidad de potencia eléctrica, incluyen una gran variedad de disturbios o perturbaciones electromagnéticas que pueden ser clasificados de acuerdo a la norma IEEE Estándar 1159 de 1995 como se muestra en la Tabla 1.1 [4]. Tabla 1.1. Categorías y características típicas de fenómenos electromagnéticos en sistemas de potencia [4]-. Categoría 1. Transitorio 1.1. Impulso 1.1.1. [ns] 1.1.2. [µs] 1.1.3. [ms] 1.2. Oscilatorio 1.2.1. Baja frec. 1.2.2. Media frec. 1.2.3. Alta frec. 2. Variación corta dur. 2.1. Instantánea 2.1.1. Huecos 2.1.2. Jorobas 2.2. Momentáneo 2.2.1. Interrupción 2.2.2. Hueco 2.2.3. Joroba 2.3. Temporal 2.3.1. Interrupción 2.3.2. Hueco 2.3.3. Joroba. Contenido Espectral típico. Duración típica. Magnitud de Voltaje típico. 5 ns 1 µs 0,1 ms. <50 ns 50 ns -1 ms >1 ms. <5 kHz 5-500 kHz 0,5 -5 kHz. 0,3-50 ms 20 µs 5 µs. 0-4 p.u. 0-8 p.u. 0-4 p.u.. 0,5-30 ciclos 0,5-30 ciclos. 0,1-0,9 p.u. 1,1-1,8 p.u.. 0,5 ciclos- 3 s 30 ciclos - 3 s 30 ciclos - 3 s. <0,1 p.u. 0,1-0,9 p.u. 1,1-1,4 p.u.. 3 s- 1 min 3 s -1 min 3 s -1 min. <0,1 p.u. 0,1- 0,9 p.u. 1,1 -1,2 p.u.. 5.

(16) 3. Variación Larga dur 3.1. Int. Permanente 3.2. Subvoltaje 3.3. Sobrevoltaje 4. Desbalance Volt. 5. Distorsión forma 5.1. Voltaje OFFSET 5.2. Armónicos 5.3. Interarmonicos 5.4. Notching 5.5. Ruido 6. Fluctuaciones Tens 7. Variación frec. Ind.. 0-100avo H 0-6 kHz Ancho de banda <25 Hz. >1 min >1 min >1 min Estado estable. 0 p.u. 0,8-0,9 p.u. 1,1 -1,2 p.u. 0,5 -2 %. Estado estable Estado estable Estado estable Estado estable Estado estable Intermitente < 10 s. 0-0,1 % 0-20 % 0-2 % 0-1 % 0,1- 7 %. Se puede entonces definir la calidad de potencia eléctrica, como “el campo que se dedica a estudiar cualquier problema de potencia que se manifieste en una desviación de la tensión, corriente o frecuencia de sus valores ideales, y ocasionen falla e interrupción de los sistemas eléctricos o mala operación del equipo de un usuario” [5]. Entre las perturbaciones eléctricas que tienen una mayor repercusión en las redes de distribución se encuentra el fenómeno de armónicos, definidos como señales de tensión o corriente con componentes de frecuencia múltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema que se superponen a la señal de tensión de suministro. Los armónicos generan desviaciones en la forma de onda y alteran el funcionamiento normal de la red eléctrica y los equipos conectados a ella [4]. Existen diversas fuentes de armónicos que distorsionan la forma de onda sinusoidal de la señal de entrada, producidos en su mayoría por el acondicionamiento y conversión de la potencia para la alimentación de cargas no lineales, constituidas generalmente por elementos semiconductores, equipos con materiales ferromagnéticos como maquinas eléctricas y transformadores, dispositivos de arco, descargas eléctricas y circuitos que requieren conmutaciones en su funcionamiento. Como parte de la mitigación de los efectos nocivos, el monitoreo constante de los sistemas para detectar la presencia de los armónicos indeseables, desempeña un papel esencial en la cuantificación de los niveles de contaminación armónica y en la aplicación de acciones correctivas como el diseño e implementación de filtros. Su medición provee información valiosa acerca del cumplimiento de los consumidores y empresas suministradoras con los estándares regulatorios.. 1.1.1. Normativas La función de la normalización destinada a la monitorización de la calidad de potencia eléctrica (CPE) es proporcionar las recomendaciones, limites estandarizados y directrices generales que garanticen una completa compatibilidad entre el equipo de medida y sistema eléctrico, además, servir como punto de referencia para que estudios relacionados con la (CPE) sean analizados desde la misma perspectiva, con resultados confiables y comparables independientemente del equipo de medida empleado.. 6.

(17) 1.1.1.1.. IEEE 1159-2009. IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality [4]. Detalla y expone los diferentes fenómenos electromagnéticos que tienen lugar en las redes eléctricas. Esta norma fue diseñada para establecer una guía para la medición de los parámetros que definen la calidad de potencia eléctrica de una red eléctrica en el punto de conexión común, expone técnicas de medición, estandarización de los algoritmos básicos, evaluación de las diferentes perturbaciones, interpretación de los resultados obtenidos y datos aplicados por los fabricantes para la instrumentación destinada a la medición de parámetros de (CPE). 1.1.1.2.. IEEE 519-1992. IEEE Recommended Practices and Requirements For Harmonic Control In Electric Power Systems [6]. Es una guía dirigida a empresas distribuidoras y a sus clientes para disminuir los inconvenientes causados por los armónicos, advierte que las instalaciones de transmisión y distribución deberán limitar la contribución de armónicos a la red, operando sus sistemas de modo que la distorsión armónica de tensión no supere los límites establecidos en la Tabla 1.2 para diferentes niveles de tensión. Del mismo modo, establece los límites de contribución que el consumidor puede suministrar a las red, representados en la Tabla 1.3. La norma menciona que el punto de revisión debe ser el Punto de Conexión Común (PCC), es decir, el sitio donde converge la empresa suministradora y el usuario, éste puede ser el punto donde se encuentra el totalizador de la instalación eléctrica. Tabla 1.2. Límites permitidos de distorsión armónica de tensión [7].. Tensión en la frontera 69 kV o menos. Distorsión individual de tensión [%] 3,0. Distorsión armónica de Tensión THD [%] 5,0. 69 a 161 kV. 1,5. 2,5. Más de 161 kV. 1,0. 1,5. Tabla 1.3. Límites permitidos de distorsión de armónica de corriente [7].. Límites de distorsión en corriente para sistemas de distribución 120 V < Vn ≤ 69 Kv Relación Isc/IL <20 20-50 50-100 100-1000. <11. 11≤h<17. 17≤h<23. 23≤h<35. h≥35. TDD. 4,0 % 7,0 % 10,0 % 12,0 %. 2,0 % 3,5 % 4,5 % 5,5 %. 1,5 % 2,5 % 4,0 % 5,0 %. 0,6 % 1,0 % 1,5 % 2,0 %. 0,3 % 0,5 % 0,7 % 1,0 %. 5,0 % 8,0 % 12,0 % 15,0 %. >1000. 15.0%. 7.0%. 6.0%. 2.5%. 1.4%. 20.0%. <20 20-50 50-100. Límites de distorsión en corriente para sistemas de subtransmisión 69kV < Vn ≤ 161 Kv 2.0% 1.0% 0.75% 0.3% 0.15% 3.5% 1.75% 1.25% 0.5% 0.25% 5.0% 2.25% 2.0% 0.75% 0.35%. 7. 2.5% 4.0% 6.0%.

(18) 100-1000 6.0% 2.75% 2.5% 1.0% 0.5% 7.5% >1000 7.5% 3.5% 3.0% 1.25% 0.7% 10.0% Límites de distorsión en corriente para sistemas de transmisión (Vn > 161 kV), generación distribuida y cogeneración < 25 1.0% 0.5% 0.38% 0.15% 0.1% 1.5% 25 < 50 2.0% 1.0% 0.75% 0.3% 0.15% 2.5% ≤ 50 3.0% 1.5% 1.15% 0.45% 0.22% 3.75%. El estándar IEEE 519 recomienda a la hora de realizar una medición, tener en cuenta los siguientes índices armónicos con el fin de tener datos concluyentes y puedan ser analizados bajos los parámetros y límites sugeridos: • •. Distorsión de tensión total e individual (IHT). Distorsión de corriente total e individual (THD).. Para un estudio en el que se necesita conocer el contenido armónico de la instalación de un cliente, puede hacerse directamente en el devanado primario del transformador, si las condiciones técnicas y de disponibilidad de los equipos lo permiten. Ahora bien, si lo que se quiere es hacer un estudio dentro de las instalaciones del cliente, lo más recomendable es hacer las mediciones en los nodos internos de la planta, las cargas no lineales y bancos de condensadores directamente [8]. 1.1.1.3.. NTC-IEC 61000-4-30:2009. Técnicas de ensayo y de medida. Métodos de medida de la calidad de potencia [9]. Provee métodos de medida, describe fórmulas de medición de los parámetros de calidad de potencia, establece además, niveles de precisión para equipos de medida, periodos de agregación de los resultados y el modo de interpretarlos. La principal motivación de este estándar, es reunir los requerimientos comunes de los aparatos de medida para asegurar que se produzcan resultados confiables y reproducibles independientemente del fabricante. Los métodos de medida expuestos para cada parámetro están definidos en clases A, S y B, la diferencia entre ellos radica en la precisión de los resultados obtenidos. El método de medida clase A es aplicado cuando se requieren resultados precisos, por ejemplo, para verificar el cumplimiento de la norma, el método clase S es usado para estudios estadísticos que no requieren gran exactitud de medida, o para hacer el seguimiento de una instalación, la clase B se define con el objeto de evitar que queden obsoletos muchos diseños de instrumentos ya existentes. Respecto a los tiempos de observación para el análisis de armónicos, el intervalo de tiempo básico debe ser de 10 ciclos para una red de 50 Hz, o un intervalo de 12 ciclos para una red de 60 Hz, el registro de información se debe efectuar en intervalos que se agregan dependiendo del estudio que se desee realizar, en: •. Agregación de 150/180 ciclos: Para instrumentos clase A, los intervalos de tiempo de 150/180 ciclos deben agregarse sin separación a partir de 15 intervalos de tiempo de 10/12 ciclos y se deben re-sincronizar en impulsos de 10 minutos. Para el método clase S, se permite la re-sincronización pero no se requiere, se permiten además, 8.

(19) •. •. separaciones con un mínimo de tres valores de 10/12 ciclos en cada intervalo de tiempo de 150/180 ciclos y utilizar al menos un valor de 10/12 ciclos cada segundo. Agregación de 10 minutos: Para equipos de medida clase A, debe identificarse con el tiempo absoluto que corresponde al tiempo de finalización de la agregación de 10 minutos, y agregarse sin separación a partir de los intervalos de tiempo de 10/12 ciclos. Para el método de clase S, no hay re-sincronización en el impulso de 10 minutos, por lo que los intervalos de 10 minutos se desarrollan independientemente. Agregación de dos horas: Tanto para equipos de medida de clase A y clase S, los datos para el intervalo de 2 horas deben agregarse a partir de 12 intervalos de 10 minutos, sin separaciones y sin solapes. 1.1.1.4.. NTC-IEC 61000-4-7:2013. Técnicas de ensayo y de medida. Guía general relativa a las medidas de armónicos e interarmónicos, así como a los aparatos de medida, aplicable a las redes de suministro y los aparatos conectados a éstas [10]. Se aplica a los equipos de medida destinados a la medición de componentes de frecuencia de hasta 9 kHz que se superponen a la componente fundamental de la señal de tensión o de corriente de 50 Hz y de 60 Hz. Dicho análisis será realizado hasta el 50vo armónico de la frecuencia fundamental para equipos de clase A y hasta el 40vo para equipos de clase S. Con respecto a la exactitud de aparato de medida, la norma establece una clasificación en dos clases (I y II), de acuerdo al máximo error permitido en la medición como se muestra en la Tabla 1.4. Tabla 1.4. Clases de precisión para medidas de corriente, tensión y potencia [10].. Clase. Medida Tensión. I. Corriente Potencia Tensión. II Corriente. Condiciones Um ≥ 1 % Unom Um < 1 % Unom Im ≥ 3 % Inom Im < 3 % Inom Pm ≥ 150 W Pm < 150 W Um ≥ 3 % Unom Um < 3 % Unom Im ≥ 10 % Inom Im < 10 % Inom. Error máximo ± 5 % Um ± 0,05% Unom ± 5 % Im ± 0,15% Inom ± 1 % Pnom ± 1,5 W ± 5 % Um ± 0,15% Unom ± 5 % Im ± 0,5% Inom. Inom: Margen de corriente nominal del instrumento de medida. Unom: Margen de tensión nominal del instrumento de medida. Um e Im: Valores medidos.. El estándar NTC-IEC 61000-4-7 no es riguroso en cuanto a consideraciones de diseño, sin embargo, menciona aspectos básicos que debe cumplir el instrumento de medida como son [10]: •. Circuitos de entrada con filtro anti-aliasing 9.

(20) • • •. Conversores A/D con muestreo y retención de señales (sample and hold). Sincronización principal (Circuitos PLL) y una ventana de ponderación Hanning, si fuera necesario Procesador para el cálculo de la DFT.. El estándar establece que el equipo de medida debe contar con un sistema de sincronización principal (PLL) para los deslizamientos de frecuencia que tienen lugar en los sistemas de potencia, los cuales no permiten que la ventana de medición contenga un número exacto de periodos de la señal y dan lugar a imprecisiones. En el caso de no poder emplearse algún mecanismo de sincronización de la frecuencia de muestreo con la frecuencia de la señal, la norma menciona que se puede mejorar la estimación mediante la utilización de la ventana de ponderación Hanning. Las frecuencias situadas fuera del rango de medida del instrumento deben atenuarse para que no afecte los resultados por el denominado efecto aliasing, mediante un filtro pasa bajo anti-aliasing con una frecuencia de corte de -3 dB por encima del rango de medida y una atenuación en la banda de corte superior a 50 dB. Las recomendaciones dadas por la IEC 61000-4-30 e IEC 61000-4-7 son exigentes en cuanto a los recursos de procesamiento y memoria que deben poseer los equipos de medida, por lo tanto, para instrumentos de coste reducido, se puede considerar una ventana temporal más corta que dure eventualmente solo un periodo. Sin embargo, la incertidumbre de los instrumentos que se basan en otro principio de análisis debe respetar los requisitos de incertidumbre de la Tabla 1.4. El circuito de entrada debe adaptarse para las corrientes a analizar y proporcionar una medida directa de los armónicos de corriente, además de tener una entrada en baja tensión y una alta impedancia. Puede ser aconsejable pero no se requiere márgenes de medida de corriente de entrada eficaz nominal de 0,1 A, 0,2 A, 0,5 A, 1 A, 2 A, 5 A, 10 A, 20 A, 50 A, 100 A. Para medidas de armónicos de tensión, existen varias tensiones de suministro nominales entre 60 V y 690 V dependiendo de la práctica local. 1.1.1.5.. IEEE 1459-2000. IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions [11]: Surge a partir de los desafíos que presenta la medición de potencia en redes eléctricas en presencia de armónicos de tensión y corriente, por lo tanto, se adoptan definiciones para la cuantificación de potencia y energía en sistemas eléctricos en régimen sinusoidal, no sinusoidal, balanceado y no balanceado.. 1.2. PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES El procesamiento digital de señales es la disciplina dentro del área de las matemáticas que involucra la representación digital, transmisión y manipulación de señales con el 10.

(21) propósito de analizar, modificar o extraer información proveniente de ellas, para un determinado fin o aplicación de la ingeniería [12]. La evolución de la tecnología DSP ha sido sostenida por el desarrollo de herramientas o plataformas de hardware más elaboradas con la capacidad y velocidad para procesar algoritmos con un alto número de operaciones matemáticas especializadas en tiempo real. De allí que, muchas de las tareas del procesamiento de señales que normalmente eran demasiado complejas y/o costosas con sistemas analógicos, se realicen hoy mediante hardware digital a un menor costo, tamaño y a menudo más confiable [13]. Además, al ser sistemas programables a través de cambios en el software, permiten ir modificando y adaptando sus características ofreciendo un alto grado de flexibilidad.. 1.2.1. Elementos de un sistema DSP Las señales a ser tratadas son usualmente magnitudes físicas del mundo exterior que contienen información que se desea extraer o modificar de acuerdo al tipo de aplicación. Estas señales analógicas toman valores en un rango continúo de tiempo y magnitud, y hacen imposible que su procesamiento pueda ser realizado por un hardware computacional, por lo que son convertidas a un formato digital, por un elemento que recoge periódicamente muestras de la señal en determinados instantes de tiempo en la etapa de conversión analógica-digital. Esta señal muestreada puede ser tratada por un procesador de propósito general, sistemas empotrados basados en microcontroladores o dispositivos diseñados específicamente para ejecutar algoritmos con una carga computacional alta como procesadores DSP’s. Dependiendo de la finalidad del sistema, la salida puede ser nuevamente convertida a una señal analógica mediante un conversor digital analógico, o almacenada y/o trasferida a través de puertos de comunicación. La Figura 1.1 presenta los elementos típicos que componen un sistema DSP.. Figura 1.1. Bloques típicos de un sistema DSP.. El esquema de la Figura 1.1 puede estar compuesto además, por un módulo de adquisición y acondicionamiento de la señal de entrada analógica, que la adecuada a los requerimientos de entrada del conversor analógico digital ADC. 11.

(22) 1.2.1.1.. Conversión analógica-digital. Las señales que se manejan en aplicaciones DSP son por lo general señales analógicas del mundo real, por otro lado, los computadores y procesadores digitales manejan la información discontinuamente como una serie de números binarios. La interfaz que efectúa dicha transformación se le conoce con el nombre de conversión análoga digital y es realizada por un conversor análogo digital ADC [13]. El proceso de conversión de una señal analógica a una representación digital está compuesto por las etapas de muestreo, cuantificación y codificación El muestreo es el proceso mediante el cual se transforma una señal de espectro limitado y continuo en el tiempo, en una serie de valores discretos igualmente espaciados por el periodo de muestreo. Esta acción es realizada comúnmente por un circuito de muestreo y retención, que toma el valor instantáneo de la señal continua en un instante determinado, y retiene su valor el tiempo suficiente para ser convertido en un valor digital. El muestreo se puede entender como un switch que abre y cierra a una frecuencia = 1⁄ como se presenta en la Figura 1.2 [14].. Figura 1.2. Muestreo periódico de una señal analógica [15].. La frecuencia de muestreo debe ser cuidadosamente seleccionada, ya que si se escoge una tasa de muestreo muy baja podría perderse una cantidad considerable de información de la señal original, o si por el contrario se elige una tasa de muestreo muy alta, se obtiene una versión más aproximada de la señal original a expensas de aumentar los requerimientos de la etapa de procesamiento al tener menos tiempo para procesar cada muestra. Es por ello que, en la mayoría de aplicaciones en donde la señal es muestreada, un primer criterio de selección es el de Nyquist, el cual determina que la señal debe ser muestreada a una tasa mínima del doble de la máxima frecuencia a analizar, de lo contrario se presentará el fenómeno denominado aliasing o solapamiento [14]. Cuando la señal de entrada no es de banda limitada, o la frecuencia de Nyquist es demasiado alta, puede ser necesario la implementación de un filtro anti-solapamiento antes que la señal ingrese a un (ADC), que limite las componentes de frecuencia de la señal de entrada a la banda de interés. Otras veces, aunque la señal sea ya de banda limitada, puede estar contaminada por ruido auditivo que puede ocupar la banda de frecuencias 12.

(23) altas, como resultado del proceso de muestreo, las componentes solapadas de ese ruido se distribuyen por las componentes de baja frecuencia. La cuantificación es la conversión de la variable discreta y magnitud continúa, a otra señal de variable discreta pero con valores discretos. El valor de cada muestra es aproximado entonces, a un conjunto finito de 2 distintos niveles en el que se divide la señal a convertir, siendo la longitud de palabra del conversor. Esta aproximación implica el denominado error o ruido de cuantificación que ocurre cuando un valor de ( ) se sitúa en medio de dos posibles niveles, por lo que debe ser redondeado al valor del nivel de cuantificación más cercano, o truncado al valor del nivel de cuantificación que se encuentra por debajo [16], por lo que cuantos más niveles de cuantificación se tengan, se podrá representar más exactamente la señal analógica. La codificación es la asignación de una representación binaria de un determinado tamaño de bits a cada nivel de cuantificación. La Figura 1.3 representa las etapas básicas en el proceso de conversión analógico/digital.. Figura 1.3. Proceso de muestreo, cuantificación y codificación de una señal analógica [17].. 1.2.1.2.. DSP’S. Una aplicación DSP se desarrolla con el objetivo de detectar y actuar ante un acontecimiento externo, en medio de estás dos acciones se ubica un microcontrolador o un procesador digital de señales. Los eventos son detectados por alguno de los periféricos como pines I/O, pines dedicados a interrupciones, entradas analógicas y/o digitales, que extraen una parte del estado de la señal del sistema que se está controlando, y dependiendo de la aplicación y tratamiento realizado, los actuadores envían las señales de salida a relays, motores, LDC’s u otros dispositivos que controlan acontecimientos [13]. Algunos algoritmos empleados en procesamiento digital, requieren una gran cantidad de operaciones matemáticas especializadas que impiden que el procesamiento pueda ser llevado a cabo inmediatamente ocurren los eventos. Para este tipo de aplicaciones en donde la carga computacional es un factor crítico, resulta idóneo el uso de procesadores especializados en el manejo eficiente de la señal digitalizada como procesadores digitales de señales DSP’s, los cuales poseen una elevada capacidad de procesamiento aritmético de datos en tiempo real con elevada precisión. Para cumplir con esta tarea, la arquitectura de un procesador digital de señales está compuesta por etapas multiplicadora/acumuladora 13.

(24) (MAC) apta para resolver ecuaciones del tipo = + ( ), circuitos BS (Barrel shifter) para desplazar un dato varios bits a derecha/izquierda y unidad lógica aritmética ALU. Estos módulos permiten la ejecución de instrucciones altamente repetitivas en pocos ciclos de reloj y un menor consumo de memoria sin retardos adicionales o significativos, en comparación con un procesador de propósito general [13]. Una importante característica de los procesadores digitales de señales, es la manera en la que se conectan al bus de memoria, su arquitectura Harvard permite un acceso a memoria de programa y memoria de operandos en un solo ciclo de reloj, al poseer espacios y buses independientes. Generalmente los DSP manejan un bloque considerable de datos, sin embargo, en algunos casos el cálculo de direcciones toma más tiempo que el cálculo de las operaciones matemáticas en sí, es por ello que las unidades generadoras de dirección realizan los cálculos de direcciones que permite al DSP buscar dos datos simultáneamente para operar con ellos en pocos ciclos de reloj. Por su parte, la arquitectura Vonn Neumann, utilizada en microcontralores y en la mayoría de procesadores de propósito general, utilizan un único bus para datos y programa, lo que requiere de más ciclos de máquina para acceder a los espacios de memoria, además, si un programa sobrepasa los límites de tamaño en el espacio de memoria de datos o programa, dichos espacios se pueden sobrescribir y corromper el sistema. Actualmente, aplicaciones que requieren implementar control en tiempo real bajo condiciones más exigentes en cuanto a esfuerzo computacional se refiere, han llevado al desarrollo de tecnologías como controladores digitales de señales o DSC, que mezclan las características más importantes de un microcontrolador como el manejo de periféricos y la capacidad de cálculo provista por un núcleo DSP [18]. Existen pocas empresas globales de manufactura de DSP’s y DSC’s en el mercado, siendo Texas instruments el amplio líder en esta área por encima de Analog devices y Motorola. Cada vendedor ofrece procesadores de coma fija y coma flotante con sus propias herramientas de desarrollo, compiladores, ensambladores, linkers, debbugers y sistemas de desarrollo de software en lenguaje de ato nivel como C. El catálogo de Texas Instruments está clasificado por familias, donde cada una de ellas resulta idónea dependiendo el tipo de aplicación[18]: •. • •. Familia C2000: Se ubican los microcontroladores y DSC’s utilizados en control digital de motores, energías renovables, potencia digital e instrumentación de precisión. Familia C5000: Orientados a la industria de bajo consumo, productos portátiles, comunicaciones móviles, reproductores de música, etc. Familia C6000: Los más potentes y con más alto rendimiento, utilizados en procesamiento de imágenes, decodificación de voz, video y comunicaciones inalámbricas.. 14.

(25) 1.3. TRANSFORMADA RAPIDA DE FOURIER El análisis de Fourier ha sido una herramienta altamente utilizada en procesamiento digital de señales para el filtrado de señales contaminadas por ruido e interferencia, desenmascarado de tramas de datos de comunicación digital, en sistemas eléctricos permite estimar diversas magnitudes eléctricas que ayudan a determinar sus condiciones de operación, y en general, aplicaciones que requieran estimar el contenido espectral de señales muestreadas [19]. Por tratarse de algoritmos desarrollados para un procesador digital con recursos limitados de memoria y capacidad de cómputo, se debe pensar en el carácter discreto de la información que se maneja, de allí que, algoritmos como la Transformada Discreta de Fourier (DFT), y su versión eficiente como la Trasformada rápida de Fourier (FFT), desarrollados a partir de las Series de Fourier, junto a los avances de procesadores especializados para ejecutarlos, han permitido el desarrollo de aplicaciones de procesamiento y control en tiempo real. La teoría de Fourier establece que cualquier función periódica puede representarse como una sumatoria infinita de senos y cosenos simples relacionados armónicamente entre sí. Por lo tanto, esta herramienta permite el traslado constante del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo o viceversa por medio de la serie de Fourier para señales periódicas. Un análisis más general se extiende para señales periódicas y aperiódicas utilizando la Transformada de Fourier. Cuando se requiere emplear una computadora, el análisis en el dominio continuo de Fourier se adapta a la naturaleza de la información que manejan los sistemas digitales dando lugar a la Transformada Discreta de Fourier, ésta es definida como [20]:. =. (. )∗. para. = 0,1,2, … . .. −1. (1.1). Donde es el numero de muestras de la ventana que va a analizar, es periodo de muestreo, es el bin de frecuencia cuyo contenido se quiere obtener, es decir, representa cada una de las frecuencias de salida en las que se descompone la señal discreta de partida, por lo que para realizar el estudio completo, varia desde 0 hasta , donde / es un proporción de la frecuencia de muestreo y ( ) indica la muestra tomada en el instante de la ventana de medición. Es importante resaltar que de acuerdo al criterio de Nyquist, el ancho de banda de la señal coincide con la mitad de la frecuencia de muestreo, por lo que los valores que se obtienen para 0 < < /2 son los mismos que se obtienen para /2 < < − 1, reduciendo a la mitad el procesamiento requerido.. Desarrollando (1.1) para los posibles valores de , se obtiene una matriz de tamaño , donde el número de sumas complejas que se deben realizar es ( - 1) , y la cantidad de multiplicaciones complejas asciende a . El coste computacional requerido para implementar la Transformada Discreta de Fourier en un procesador digital, con recursos limitados de memoria y capacidad de cómputo, es muy alto. Por esta razón, es común que se empleen alternativas más eficientes como la Trasformada Rápida de Fourier (FFT) que 15.

(26) se basa en la optimización de los cómputos realizados, evitando la repetición de los cálculos que se emplean en las distintas etapas de la DFT [21]. Mediante el diezmado de la secuencia de datos de entrada, el número total de multiplicaciones complejas se reduce a ( /2) 2 , mientras que el número de sumas complejas a 2 , reduciendo considerablemente el tiempo de cálculo que conlleva el cálculo directo de la DFT. En la Tabla 1.5 se muestra la comparación entre el número de multiplicaciones complejas usando la FFT y el cálculo directo de la DFT. Tabla 1.5. Comparación entre la cantidad de multiplicaciones complejas a realizar por parte de la DFT y el algoritmo FFT de base 2.. Número de puntos, N 4 8 16 32 64 128 256 512 1024. Multiplicaciones complejas en calculo directo, 16 64 256 1024 4096 16384 65536 262144 1048576. Multiplicaciones complejas en el algoritmo FFT, (N/2)log2 N 4 12 32 80 192 448 1024 2304 5120. Factor de mejora de la velocidad 4.0 5.3 8.0 12.8 21.3 36.6 64 113.8 204.8. El cálculo que se realiza en cada etapa, consiste en aplicar las operaciones de una transformada DFT de dos puntos o “mariposa”. En general, cada mariposa implica una multiplicación y dos sumas complejas, por lo que para puntos se tienen N/2 mariposas por cada etapa del proceso y 2 etapas. En términos de recursos de memoria, este tipo de cómputo permite guardar el resultado de cada operación de la mariposa ( , ), en las mismas posiciones de sus operandos ( , ), de allí que, se necesite una cantidad fija de memoria, en concreto 2 registros de almacenamiento para guardar los resultados de números complejos [22]. Con respecto a la tarea de diezmado, ésta se puede entender como un reacomodamiento de la secuencia de datos antes de computar el algoritmo de la FFT, mientras sus salidas son calculadas en orden normal. Para que un hardware digital realice el acomodamiento previo de las muestras de la señal de entrada, las posiciones de la secuencia de datos [ ], o sea , cambian de tal manera que si se asume la generación de dicho número a través de un número binario, son programadas para que sean almacenadas en memoria en orden de bit invertido.. 1.4.AVANCES CAPITULO 1 La evaluación de los niveles de distorsión armónica individual y total de tensión y corriente, están determinados por el método de medida y clase de precisión que poseen los equipos destinados a la monitorización de calidad de potencia eléctrica. El método de 16.

(27) medida A y clase precisión I, establece que el análisis debe ser realizado hasta el 50vo armónico de la frecuencia fundamental, mientras que para los equipos con método de medida S y clase de precisión II, el análisis debe ser realizado mínimo hasta el 40vo armónico. Por su parte, los parámetros de estado estable pueden ser determinados a partir de los resultados del análisis armónico, con el fin de tener en cuenta el aporte de las componentes con frecuencias múltiplo de la fundamental. Para propósitos de registro, los parámetros estimados deben ser promediados en tiempos de agregación, dependiendo del tiempo de observación del sistema bajo estudio. Dicho esto, debido a las altas exigencias que demanda la implementación de un instrumento de bajo costo que cumpla con los requisitos de un equipo clase A, se decidió que las etapas de desarrollo del proyecto fueran encaminadas a implementar un dispositivo que cumpliera con los requerimientos de un equipo clase S. El método por excelencia de estimación del contenido espectral de las señales en sistemas digitales, es el empleo de la Transformada Discreta de Fourier (DFT) o su versión eficiente Transformada Rápida de Fourier (FFT). El esfuerzo computacional que exige la ejecución de este tipo de algoritmos es llevado a cabo eficientemente por procesadores con funciones especializadas para dicho fin, como Procesadores Digitales de Señales, y de un menor costo como Controladores Digitales de señales. El principal avance alcanzado con el desarrollo de este capítulo, es que se establecieron los rangos, requerimientos y requisitos, mediante los cuales estarán encaminadas las etapas de diseño e implementación de la tarjeta, de manera que se encuentre acorde a los lineamientos del marco normativo de la instrumentación destinada a la monitorización de calidad de potencia eléctrica. Con esto, se da cumplimiento al primer objetivo específico: “Establecer los rangos de distorsión armónica y los parámetros de estado estable para redes de tensión menor a 1 kV que serán monitoreados, acorde a las normativas dirigidas a equipos de medida de calidad de potencia eléctrica.. 17.

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(29) 2. DESARROLLO DE HARDWARE En este capítulo se presenta el proceso de diseño de todos los componentes de hardware empleados en la tarjeta de adquisición y procesamiento de señales, para el monitoreo de distorsión armónica y parámetros de estado estable en redes de tensión menor a 1 kV. La tarjeta se desarrolló a partir de los requisitos o requerimientos mínimos establecidos en estándares dirigidos al diseño y construcción de dispositivos de monitoreo de parámetros eléctricos y calidad de energía, y de esta manera proporcionar información confiable al registrador de parámetros eléctricos. De acuerdo a lo anterior, la tarjeta construida está compuesta por los elementos de la Figura 2.1.. Figura 2.1. Elementos de hardware que componen la tarjeta de adquisición y procesamiento.. La tarjeta es capaz de adquirir la información de hasta 3 canales de tensión y 4 de canales de corriente dependiendo de la topología del sistema bajo estudio. La señal de cada canal captada por los sensores, es acondicionada antes de ser ingresada al conversor análogo digital del Controlador Digital de señales para su posterior procesamiento. Los resultados son enviados a la tarjeta de comunicaciones del registrador de parámetros eléctricos y pueden ser visualizados mediante una interfaz gráfica en un PC. A continuación se explica en detalle el diseño e implementación de cada bloque que compone la tarjeta.. 2.1. ETAPA DE SENSADO Uno de los aspectos más importantes en cualquier proyecto de implementación es la correcta elección de los dispositivos que tendrán lugar en el funcionamiento de un equipo.. 19.

(30) En esta sección se presentan las características más importantes de los sensores de tensión y corriente seleccionados.. 2.1.1. Sensor de tensión Para seleccionar el sensor encargado de adquirir las señales de tensión del sistema bajo estudio, es importante tener en cuenta los siguientes requerimientos: •. •. Un único sensor deberá captar las señales de tensión para las tarjetas de monitoreo de parámetros de estado estable y distorsión armónica, sobretensiones transitorias de corta duración y huecos de tensión, ya que conectar sensores en paralelo en cada fase podría resultar en impedancias bajas que el sistema considere como carga, además de aumentar considerablemente el tamaño y costo de la aplicación. Por esta razón, el rango de medida del sensor deberá ser lo suficientemente amplio para detectar sobretensiones transitorias de hasta 3 kV. El ancho de banda del sensor deberá ser tal que su respuesta sea lineal en el rango de frecuencias de 60 Hz hasta 500 kHz.. Es claro que los requisitos más exigentes en la selección del sensor de tensión son impuestos por la detección de sobretensiones transitorias de corta duración. Razón por la cual se selecciona una técnica de sensado muy utilizada en este tipo de aplicaciones como es el divisor de tensión capacitivo. Entre las ventajas de esta técnica se encuentran: Su relación de transformación permanece constante para un rango amplio de frecuencias [23], su respuesta lineal para un elevado rango de tensiones, un reducido consumo de potencia y un bajo costo, lo que la hacen una opción viable para esta aplicación. Dentro de las actividades del proyecto de investigación se encuentra el desarrollo de la rama de alta tensión del divisor, no obstante, no es objetivo del presente proyecto de grado, por lo que se toman los parámetros de la Tabla 2.1 como referencia para establecer los niveles de tensión que se tendrán en los ramales de baja. Tabla 2.1. Parámetros de diseño del divisor capacitivo.. Máxima tensión de entrada [V] 3000. Máxima tensión de salida [V] 3. Relación de transformación 1021. A partir del parámetro de diseño del divisor capacitivo de tensión, es importante seleccionar el máximo nivel de tensión para el cual serán monitoreados los parámetros eléctricos de estado estable y distorsión armónica de tensión por la tarjeta implementada en este proyecto. En Colombia a nivel de distribución se tienen los siguientes valores nominales [24]: • • • •. 120 V/240 V: Monofásico trifilar punto centra a tierra. 208 V/120 V, 220 V/127 V, 123 V/214 V: Monofásico trifilar con punto centra a tierra 240 V/ 120 V: Trifásico en triangulo. 480 V/ 277 V: Trifásico en estrella. 20.