Daniel Kaminský, ELCOM, a.s.
Implementar un analizador de calidad de energía que incluya un conjunto de instrumentos, capaz de realizar todas las medidas de energía eléctrica necesarias y capaz de ejecutarse en paralelo en un sistema de hardware de tamaño pequeño con un sistema operativo en tiempo real. También tuvimos que tomar en cuenta la capacidad de expansión del sistema para abarcar los últimos estándares IEC y EN al diseñar algoritmos de medidas y procesamiento de datos.
Un analizador de calidad de energía que cumple con los estándares internacionales de calidad de energía y está construido en base a herramientas comerciales como NI CompactRIO, una plataforma de hardware robusta y escalable, y el entorno de desarrollo gráfico NI LabVIEW.
Daniel Kaminský - ELCOM, a.s.
Petr Bilik - ELCOM, a.s.
Jiri Hula - ELCOM, a.s.
La electricidad es un producto diferente a cualquier otro y quizás es la materia prima más esencial utilizada por el comercio y la industria en la actualidad. Es un producto inusual porque se requiere como un flujo continuo, no se puede almacenar convenientemente en cantidad y no puede estar sujeto a controles de garantía de calidad antes de su uso. La electricidad de mala calidad, por ejemplo, puede causar daños significativos en las líneas de producción. Por lo tanto, al monitorear la calidad de la energía, es posible identificar problemas potenciales antes de que sean lo suficientemente grandes como para crear daños que con demasiada frecuencia conllevan a graves pérdidas financieras. Sin embargo, la prevención es relativamente económica y va desde simples consideraciones de diseño de prácticas recomendadas hasta instalaciones globales de equipos de monitoreo y control.
Un analizador de calidad de energía típico analiza 3 voltajes de la red eléctrica para calcular la calidad del voltaje definida en los estándares internacionales. La calidad del voltaje se describe por frecuencia, variación del nivel de voltaje, parpadeo, desequilibrio del sistema trifásico, espectros armónicos, distorsión armónica total y nivel de voltajes de señalización. En algunos casos, es necesario analizar las señales de corriente junto con los voltajes. Esto permite el análisis de parámetros de corriente y el cálculo de cantidades indirectas como potencia activa, potencia reactiva, energías y otras cantidades.
Nuestra suite de software y hardware analizador de calidad de energía se llama ENA (ELCOM Network Analyzer) y representa un sistema modular complejo para monitoreo de calidad de energía de acuerdo con los estándares internacionales actuales y otros documentos nacionales específicos.
Elegimos implementar nuestro sistema en la plataforma NI CompactRIO con módulos de la serie C. En comparación con los instrumentos basados en PC, es más compacto, robusto y más pequeño en tamaño 3.4 x 7 x 3.5" (88 x 180 x 90 mm). También tiene mejores especificaciones de temperatura (temperatura de operación -40°C a +70°C), así como un consumo de energía muy bajo (aproximadamente 8W). Además, la familia de productos NI CompactRIO ofrece varios formatos que consideramos importantes para poder adaptarse a las diferentes necesidades de los clientes y las aplicaciones.
De la variedad de módulos de E/S, utilizamos el módulo de medidas de potencia NI 9225 de 300V para realizar medidas de alto voltaje. El módulo está diseñado para medidas, como medidas de línea a neutro, así como medidas de línea a línea de redes eléctricas de 110 V y medidas de línea a neutro de redes eléctricas de 240 V. Para medidas de corriente usamos NI 9227. El NI 9225 y el NI 9227 tienen canales muestreados simultáneamente a 50 kS/s para medidas precisas de potencia trifásica y medidas de calidad de energía como parpadeo, armónicos y factor de potencia. Alternativamente, hemos diseñado módulos de voltaje y corriente: EL9215U-R1 y EL9215I-R1 que se basan en el módulo NI 9215 y utilizan nuestra electrónica de acondicionamiento de señales. Estos están embebidos en 3 ranuras de un chasis CompactRIO.
Para el entorno de desarrollo de software, hemos usado NI LabVIEW para todas las partes del software ENA, ya que la facilidad de uso, la portabilidad y la escalabilidad de la solución también fueron muy importantes. Existen varios modelos de analizadores de calidad de energía CompactRIO, que difieren en los modelos CompactRIO y los módulos de entrada utilizados. Los requisitos mínimos del firmware del analizador de calidad de energía ENA son un controlador de procesador de 400 MHz y un chasis con FPGA de 2M de compuertas.
El nombre del modelo que presentamos aquí es ENA-450, pero debido a la escalabilidad de la familia NI CompactRIO y la portabilidad del código de LabVIEW , pudimos implementar el sistema en diferentes formatos para adaptarse a diferentes aplicaciones y necesidades específicas del cliente. . Además de las implementaciones basadas en el sistema NI CompactRIO completamente flexible (ENA450.EC), hemos creado soluciones listas para usar en las que hemos implementado nuestra aplicación para:
Las capacidades del analizador están definidas por el hardware y el software del instrumento. El sistema de monitoreo de calidad de energía ENA contiene un bundle de aplicaciones de software para control remoto del analizador, análisis de datos almacenados y para presentar datos de calidad de energía a través de Internet. El concepto modular permite satisfacer todas las necesidades del cliente y minimizar los costos.
El firmware ENA-Node (ver galería de imágenes) se ejecuta directamente en el analizador ENA450 basado en CompactRIO y proporciona un servicio de medidas que maneja toda la adquisición, los cálculos y el almacenamiento de datos.
El ENA-Node contiene varios módulos de software que se ejecutan en paralelo:
Todos los módulos de firmware mencionados son adecuados para sistemas de potencia de 50Hz y 60Hz. Los usuarios pueden observar los datos en la pantalla del instrumento y almacenarlos en los archivos de datos. Todos los instrumentos funcionan con una velocidad de muestreo de 9.6kS/s por canal. La velocidad de muestreo se sincroniza con la frecuencia de las señales medidas. Los algoritmos implementados siguen los requisitos de los estándares actuales de calidad de energía como IEC61000-4-30, IEC61000-4-15 e IEC61000-4-7.
El software analiza tres señales de voltaje de hasta 300 V rms y el valor instantáneo de tres corrientes de redes eléctricas para calcular varias cantidades como: Valores RMS, frecuencia, espectros armónicos, distorsión armónica total, parpadeo, desequilibrio del sistema trifásico, potencia activa, potencia reactiva, energías y muchas otras cantidades. Las corrientes como salidas de transformadores de corriente (1A/5A) se pueden medir directamente usando el módulo de corriente NI 9227 o el módulo de corriente ELCOM EL9215I-R1 conectado indirectamente por pinzas de corriente.
Lista de cantidades medidas:
| Voltaje | Corriente | Potencia | Energía | Voltaje evaluado según EN50160 |
| RMS (200ms y medio período) | RMS (200ms y medio período) | Factor de potencia | Energía activa total | RMS |
| THD | THD | Coseno | Energía fundamental activa (1er armónico) | THD |
Armónico (1-50)
| Armónico (1-50) | Total de potencia activa | Energía reactiva total | Armónicos (1-25) |
Interarmónico (0.5 - 49,5th)
| Interarmónico (0.5 - 49,5th) | Armónico de potencia activa (1-50) | Energía fundamental reactiva (1er armónico) | Desequilibrar |
Parte DC
| Parte DC
| Total de potencia reactiva | Energía aparente total | Frecuencia |
Desequilibrar
| Armónico de potencia reactiva (1-50) | Energía activa positiva | Voltajes de señalización | |
| Parpadeo de corta duración Pst, parpadeo de larga duración Plt | Energía activa negativa | |||
| Total de potencia aparente | Energía reactiva inductiva | |||
| Armónico de potencia aparente (1-50) | Capacitiva de energía reactiva |
La interfaz de usuario fácil de usar ENA-Touch es una interfaz gráfica de usuario para el servicio de medidas ENA. Todas las configuraciones de control de instrumentos, presentación de datos y medidas se operan a través de esta aplicación. Para mostrar las cantidades medidas, permite una configuración fácil y bien organizada y presentaciones de datos medidos. Hay dos tipos de paneles de visualización: algunos paneles tienen un conjunto fijo de cantidades en tablas, algunos paneles tienen conjuntos fijos de cantidades en tablas y algunos paneles tienen un conjunto de cantidades definido por el usuario para mostrar, lo que permite numerosas formas de presentar datos: tablas , gráficas de dominio de frecuencia, alcance, vectorscopio y resultados estadísticos para calidad de energía. La interfaz de usuario ENA-Touch está optimizada para el control mediante pantalla táctil y también se puede usar en PC Ultra Mobile con resolución 800x480. ENA-Touch puede controlar ENA-Node de forma remota utilizando el protocolo TCP/IP a través de Ethernet. Simultáneamente con todas las presentaciones de datos en línea, el sistema también permite al usuario almacenar datos para análisis fuera de línea. Las cantidades calculadas se agregan en el tiempo y algunos datos se evalúan estadísticamente antes de almacenarlos. Los datos se almacenan periódicamente con intervalos de tiempo definidos, mientras que los datos basados en eventos se almacenan justo cuando aparece el evento.
Con ENA-Report, los datos almacenados se pueden analizar cómodamente fuera de línea y, además, también se pueden utilizar para la generación de informes.
Los sistemas de monitoreo distribuido se pueden construir utilizando varios analizadores ENA450. Los datos en el sistema distribuido se pueden replicar en la base de datos MS-SQL u ORACLE para almacenamiento central y análisis fuera de línea.
La principal ventaja del sistema de monitoreo de calidad de energía descrito es su alto rendimiento, flexibilidad y tamaño pequeño. Usar los módulos de la serie C con acondicionamiento de señales integrado e implementar la solución potente y fácil de usar, simplifica drásticamente el mantenimiento del software y el desarrollo sin impacto en la solución actual. En caso de actualizaciones o cambios en los estándares, las características del instrumento se pueden actualizar rápidamente y el sistema se mantiene actualizado. Al ser una solución abierta, el sistema existente se puede integrar fácilmente con otros sistemas, ya que los protocolos de comunicación se pueden adaptar de acuerdo con las necesidades del cliente o se pueden integrar en los sistemas SCADA existentes. La arquitectura de hardware abierta permite agregar nuevas DIO para monitoreo y control, así como módulos para comunicación inalámbrica a través de GPS o GSM.
La flexibilidad de NI CompactRIO y NI LabVIEW también nos permitió implementar un analizador PMU (unidad de medida de fase) completo en cuestión de semanas. Permite una evaluación precisa de los sincrofasores de acuerdo con el estándar IEEE C37.118-2005. Actualmente estamos trabajando para integrar el analizador PMU con el analizador de calidad de energía, ENA450, en un solo instrumento.
Daniel Kaminský
ELCOM, a.s.
División de instrumentación virtual, Technologická 374/6
Ostrava - Pustkovec 708 00
República Checa
Tel: +420 558 279 913
Fax: +420 558 279 901