Desarrollo de una plataforma completa de análisis de calidad de energía utilizando NI CompactRIO

Daniel Kaminský, ELCOM, a.s.

"La familia de analizadores de calidad de energía ENA puede ser modificada o extendida fácil y rápidamente, según los estándares internacionales más recientes y/o cualquier funcionalidad adicional requerida por el cliente”. -Dr. Daniel Kaminský, Director de ELCOM, a.s."

- Daniel Kaminský, ELCOM, a.s.

El Reto:

Implementar un analizador de calidad de energía con la capacidad de realizar todas las mediciones de energía eléctrica necesarias y ejecutar tareas en paralelo, en un sistema compacto en tiempo real. El sistema debe poder expandirse para cumplir con los últimos estándares IEC y EN de diseño de mediciones y algoritmos de procesamiento de datos.

La Solución:

Un analizador de calidad de energía que cumple con estándares internacionales y está construido con herramientas comerciales como NI CompactRIO, una plataforma de hardware escalable y robusta; y el ambiente de desarrollo gráfico NI LabVIEW.

Autor(es):

Daniel Kaminský - ELCOM, a.s.
Petr Bilik - ELCOM, a.s.
Jiri Hula - ELCOM, a.s.

 

¿Por qué es importante medir la calidad de la energía?

La electricidad es quizá la materia prima más esencial utilizada por la industria y el comercio actualmente. Es además un producto inusual porque se requiere en un flujo ininterrumpido, no puede almacenarse convenientemente en cantidades suficientes, ni sujetarse a procedimientos de aseguramiento de calidad antes de ser utilizada. Electricidad de mala calidad, por ejemplo, puede causar daños significativos en líneas de producción. Por lo tanto, al monitorear su calidad, es posible identificar problemas potenciales antes de que sean tan grandes para causar pérdidas financieras significativas. La prevención, por otro lado, es relativamente barata y abarca desde simples consideraciones de diseño de redes eléctricas, hasta instalaciones completas de equipo de monitoreo y control.

 

 

¿Qué se debe medir?

Un analizador de calidad de energía típico analiza 3 señales de voltaje de la red para determinar su calidad, según estándares internacionales. La calidad del voltaje suministrado se describe por la frecuencia, la variación de su nivel, oscilación (flicker), desbalanceo de sistema trifásico, espectro armónico, THD e intensidad de la señal. En algunos casos es necesario analizar las señales de corriente junto a las de voltaje, lo que permite el análisis de otros parámetros y el cálculo indirecto de variables como la potencia activa y reactiva.

 

El sistema ENA (ELCOM Network Analyzer) combina hardware y software para análisis de calidad de energía y representa un sistema modular complejo para monitoreo, cumpliendo con los principales estándares internacionales y otros específicos por nación.

 

Consideraciones para elegir la plataforma de desarrollo

El sistema está implementado en la plataforma NI CompactRIO y sus módulos de la serie C. En comparación con instrumentos similares basados en PC, es más compacto y robusto, con un tamaño de 88 x 180 x 90mm (3.4 x 7 x 3.5”). Tiene mejores especificaciones de temperatura (-40°C a +70°C de operación) y un bajo consumo de potencia (aproximadamente 8W). Además, la familia de productos NI CompactRIO de National Instruments ofrece varias opciones para ajustarse a diferentes necesidades del cliente y su aplicación.

 

Se utiliza el módulo NI 9225 de 300 Vrms para medición de alto voltaje, que está diseñado para hacer mediciones como línea-neutro y línea-línea de redes de potencia de 110V; y línea-neutro de redes de 240V. Para medir corriente se utiliza el NI 9227. Ambos módulos tienen una tasa de muestreo de 50kS/s para la adquisición precisa de señales trifásicas y mediciones de calidad como flicker, armónicos y factor de potencia. Alternativamente se desarrollaron los módulos de voltaje y corriente EL9215U-R1 y EL9215I-R1, basados en el NI 9215, que utilizan electrónica especial de acondicionamiento de señales.

 

Como ambiente de desarrollo de software, se utilizó NI LabVIEW por su facilidad de uso, portabilidad y escalabilidad. Existen además distintas versiones del sistema con diferentes combinaciones de hardware. El requerimiento mínimo para el firmware es un controlador CompactRIO de 400MHz y un chasis con FPGA de 2M de compuertas.

 

Analizador de calidad de energía basado en CompactRIO

El modelo de analizador presentado es el ENA450, pero gracias a la escalabilidad y flexibilidad de CompactRIO, y la portabilidad del código de LabVIEW, el sistema puede implementarse según las necesidades específicas del cliente y la aplicación. Además de la versión basada en NI CompactRIO (ENA450.EC), existen versiones llave-en-mano basadas en:

  • Sistemas integrados CompactRIO con procesador en tiempo real y FPGA dentro del mismo chasis (ENA450.EB, ENA450.NB)
  • Sistemas Single-Board RIO (sbRIO) que integran entradas, salidas, procesador en tiempo real y FPGA en la misma tarjeta electrónica (ENA460).

 

El sistema de monitoreo de calidad de energía ENA contiene un grupo de aplicaciones de software para controlar el analizador remotamente, analizar los datos almacenados y presentar información a través de internet. El concepto modular permite cumplir con todas las necesidades del cliente con un costo mínimo.

 

Capacidades de Medición

El firmware ENA-Node (ver imagen de la galería) se ejecuta dentro del analizador ENA450 y provee un servicio de medición que maneja la adquisición de datos, su almacenamiento y los cálculos necesarios.

 

ENA-Node cuenta con varios módulos de software que se ejecutan en paralelo:

  • Analizador FFT
  • Analizador de vectores
  • Monitor de flujo de energía
  • Medidor de oscilaciones (flickermeter)
  • Monitor de voltaje EN50160
  • Monitor RMS de medio periodo
  • Alarmas y avisos de voltaje
  • Entradas digitales

 

 

Todos los módulos de firmware funcionan para sistemas de 50 o 60Hz. Los usuarios pueden observar los datos en pantalla y almacenarlos en archivos. Los instrumentos funcionan a una misma velocidad de muestreo de 9.6kS/s por canal, que está sincronizada con la frecuencia de las señales medidas. Los algoritmos implementados siguen los requerimientos de estándares de calidad de energía como IEC61000-4-30, IEC61000-4-15 y IEC61000-4-7.

 

El software analiza tres señales de voltaje y tres valores instantáneos de corriente de la red para calcular variables como valores RMS, frecuencia, espectro armónico, distorsión armónica total (THD), flicker, desbalanceo de sistema trifásico, potencia activa y reactiva, entre otras. Las corrientes hasta 5 A pueden ser medidas directamente en el módulo NI 9227, o a través de pinzas de corriente utilizando el ELCOM EL9215I-R1.

 

Lista de variables medidas:

Voltaje Corriente Potencia Energía Voltaje evaluado según EN50160
RMS (200ms & medio periodo) RMS (200ms & medio periodo) Factor de potencia Energía activa total RMS
THD THD Coseno Fundamental de energía activa (1er armónico) THD

Armónicos (1-50mo)

 

Armónicos (1-50th) Potencia activa total Energía reactiva total Armónicos (1-25mo)

Interarmónicos (0.5 – 49,5mo)

 

Interarmónicos (0.5 – 49,5mo) Armónico de potencia activa (1-50mo) Fundamental de energía reactiva (1er armónico) Desbalance

Componente DC

 

Componente DC

 

Potencia reactiva total Energía aparente total Frecuencia

Desbalance

 

  Armónico de potencia reactiva (1-50mo) Positivo de energía activa Voltajes Signaling
Short time flicker Pst y long time flicker Plt     Negativo de energía activa  
    Potencia aparente total Inductivo de energía reactiva  
    Potencia aparente armónica (1-50mo) Capacitivo de energía reactiva  

 

Interfaz de usuario para control de instrumentos, manejo de datos y generación de reportes

ENA-Touch es la interfaz gráfica de usuario para el control de instrumentos, la presentación de datos y la configuración de las mediciones. Tiene dos tipos de paneles de visualización: algunos pueden presentar un número fijo de variables en tablas, mientras otros los define el usuario para presentar los datos necesarios mediante tablas, gráficas de dominio de frecuencia, osciloscopios, medidores de vectores e indicadores de resultados estadísticos de la calidad de la energía.

 

ENA-Touch está optimizada para el control a través de una pantalla táctil que puede ser utilizada en Ultra Mobile PCs con resolución de 800x480. Puede además controlar remotamente el ENA-Node a través de TCP/IP sobre Ethernet. La interfaz presenta todos los datos en línea y permite almacenarlos para su análisis posterior. Las variables calculadas se acumulan en el tiempo y algunos datos son evaluados estadísticamente para almacenarlos de manera más representativa. El almacenamiento es periódico en intervalos de tiempo definidos, mientras que los datos basados en eventos se guardan tan pronto como suceden.

 

Con ENA-Report, los datos almacenados pueden analizarse cómodamente fuera de línea e incluirse en reportes configurados por el usuario.

 

Para sistemas distribuidos, el ENA450, puede utilizar bases de datos ORACLE o MS-SQL para almacenamiento central y análisis fuera de línea.

 

Conclusión

Las principales ventajas de este sistema de monitoreo de calidad de energía son su alto rendimiento, flexibilidad y tamaño reducido. Al utilizar módulos de la serie C con acondicionamiento de señales integrado, e implementar una solución de software poderosa y amigable, se simplifica dramáticamente el mantenimiento y el desarrollo posterior del sistema. Si los estándares llegaran a cambiar, las características de los instrumentos pueden actualizarse rápidamente y el sistema se mantiene vigente. Además, por ser una solución abierta, se puede integrar a otros sistemas, ya que los protocolos de comunicación pueden ser ajustados para formar parte de sistemas SCADA existentes. La arquitectura de hardware hace posible agregar nuevas entradas y salidas digitales para monitoreo y control, y módulos para comunicación inalámbrica vía GPS y GSM.

 

La flexibilidad de NI CompactRIO y NI LabVIEW, permitieron implementar un analizador PMU (Phase Measurement Unit) en cuestión de semanas; para una evaluación precisa de sincrofasores de acuerdo al estándar IEEE C37.118-2005.

 

Información del Autor:

Daniel Kaminský
ELCOM, a.s.
Division of Virtual Instrumentation, Technologická 374/6
Ostrava - Pustkovec 708 00
Czech Republic
Tel: +420 558 279 913
Fax: +420 558 279 901

Figure 1. Electrical Energy Transmission with Power Quality Monitoring
Figure 2. ENA450 wiring diagram – how to connect to power lines