1.- INTRODUCCIÓN
El concepto de “Smart Grid” está haciendo evolucionar la red de baja tensión, de tal manera que es posible acceder a información medida en la red de distribución. El contador inteligente es un componente clave en este contexto. Entre las tecnologías disponibles, una de las más utilizadas es la comunicación por la propia red eléctrica (PLC). Este uso de la red puede derivar en aplicaciones adicionales más allá de la mera transmisión de datos.
Este trabajo está financiado en parte por el Ministerio de Economía y competitividad bajo el proyecto OSIRIS (“Optimization of Intelligent Monitoring of the distribution network”) (RTC-2014-1556-3). Su objetivo es el desarrollo de conocimiento, herramientas y equipos para optimizar la monitorización de las redes inteligentes, fundamentalmente en la infraestructura de red de gestión de contadores residenciales.
Actualmente, existen miles de contadores conectados mediante red PLC. Sin embargo, en algunos casos muchos de estos dispositivos muestran algunas ineficiencias en la conexión a su concentrador, debido a perturbaciones producidas por otras cargas presentes en la red.
En estos casos, los distribuidores analizan estos ruidos y tratan de minimizarlos mediante el uso de filtros. La capacidad de medida de los contadores, no solo de parámetros eléctricos, sino de otros tipos de datos, puede facilitar esta tarea, mostrando información del nivel y el tipo de ruido detectado, su naturaleza y análisis espectral.
De igual manera, las capacidades de procesado de señal presente en los contadores, así como su relé integrado para control de potencia, pueden usarse para ciertas labores protectivas, como la detección de islas, sin costes adicionales. Los contadores pueden realizar una serie de cálculos para detección pasiva combinada, junto con la propia presencia de la red PLC, como parámetro adicional de decisión.
El objetivo del proyecto incluye la implementación práctica en contadores de estos sistemas para ser ensayados en laboratorio o campo.
2.- CONTADOR CON DETECCIÓN ANTI-ISLA
En un escenario típico de generación distribuida como el descrito en la figura 1, debe existir un contador midiendo la energía del microgenerador, si la potencia es de menos de 15 kV, el contador debe ser un contador con discriminación horaria y telegestión de acuerdo a la ITC 3022.
El contador de telegestión actualmente realiza medidas de tensión e intensidad con una precisión adecuada para garantizar la precisión del 2 % como máximo en energía activa aunque actualmente la mayoría de los modelos de contador proporciona una precisión del 1% en energía (clase B norma UNE EN 50470-1).
Además, el contador inteligente dispone de un elemento de corte de la carga para uso habitual como elemento de control de potencia. Dicho elemento (habitualmente un relé) se podría emplear también para desconexión en caso de escenario de isla. Por lo tanto, la disponibilidad y características del contador permiten que este pueda funcionar como elemento de detección de isla por métodos pasivos.
Métodos de desconexión
El contador deberá tener en cuenta una combinación de métodos anti-isla pasivos, ajustados debidamente con el objeto de reducir al máximo las Zonas de No Detección (NDZ) e igualmente evitar a toda costa aperturas no necesarias por falso positivo. Los métodos de detección pasivos basan su operación en el principio de medida de los parámetros del sistema eléctrico (tensión, corriente, frecuencia y distorsión armónica) ya que ante una situación de isla cambian su valor, bien de forma transitoria o estable. Si se monitorizan los cambios en estos parámetros se puede determinar y prevenir la situación anormal de funcionamiento en isla.
Monitorización de valores absolutos
Ante una eventual detección de parámetros de red (tensión y frecuencia) fuera de límites, se podría programar una desconexión por isla. Además de para funciones de anti-isla, esta funcionalidad puede servir como de protección para las cargas.
Volviendo a la figura 1, cuando el interruptor se ha abierto, si el sistema fotovoltaico alimenta las cargas (y al contador), el sistema de generación y las cargas quedan aislados, en escenario de isla.
Este método cubre la mayor parte de los casos prácticos de situación de isla. Es una opción sencilla que además sirve de protección para el equipamiento, pero tiene también un número considerable de NDZ y el tiempo de reacción puede ser variable o impredecible.
Se propone configurar los umbrales como sigue:
- Umbral de frecuencia (%): +/- 2% por defecto
- Umbral de tensión Vrms (%): +10 % y -15% por defecto
- Número de ciclos para activación incidencia: 150 ciclos.
Detección de salto de fase en la tensión (PJD – Phase Jump Detection)
Con este método, el contador monitoriza la relación entre la fase de tensión y corriente en busca de cambios repentinos. El algoritmo utilizado es un PLL (Phase Locked Loop) de enganche en frecuencia. Cada ciclo se calcula la frecuencia de muestreo exacta que determina el tiempo de fase. Esta entrada algorítmica servirá de base también para determinar el ratio de cambio de frecuencia. Normalmente los inversores que provocan la isla están intentando controlar la corriente a su salida de forma que exista una diferencia de fase muy pequeña entre la tensión y la corriente (operación con factor de potencia unidad).
Este fenómeno se describe gráficamente en la siguiente figura:
Este método también es implementado en el software del contador y por lo tanto no incrementa el coste de la solución.
La mayor debilidad de este método es encontrar el límite adecuado para considerar una detección adecuada de isla. El arranque de ciertas cargas, particularmente motores, a menudo causan saltos transitorios de fase de tamaño considerable. Por lo tanto, el límite seleccionado no puede ser muy bajo.
Por lo tanto el límite se considera también un valor configurable para poder ajustarlo durante las pruebas del sistema. El ajuste se compondrá de una estructura, compuesta por el límite en valor absoluto del desvío de fase y los coeficientes del filtrado.
Detección de salto de frecuencia
Para la medida del ROCOF (Rate of Change of Frecuency) el algoritmo interno a implementar en el equipo estaría basado en un principio de operación semejante al de detección de salto de fase, con el correspondiente filtrado posterior y comprobación de la derivada de valores de frecuencia en un tiempo de integración suficiente. El ajuste se compondrá por tanto de una estructura, compuesta por el límite en valor absoluto del desvío de frecuencia y los coeficientes del filtrado de cálculo del ratio.
Medida de la calidad y presencia de la red PRIME
Adicionalmente a los métodos clásicos descritos anteriormente y que pueden ser implementados en el contador, en este caso es además posible la configuración de la monitorización de pérdida o deterioro de la señal PRIME como condicionante para la detección de isla. Mediante un ajuste de umbral bajo (cercano al 0% de recepción de señal de concentrador), y diferencial de señal obtenida comparada con el histórico inmediato.
Combinación de métodos
El sistema permitirá también mediante ajuste la habilitación y combinación de los distintos métodos. Cada input podrá activarse o desactivarse de forma independiente.
Figura 3: Esquema combinación de métodos
Como se ve en el esquema, para tener en cuenta la señal PLC, alguno de los anteriores métodos debe haberse activado.
3.- AUTODIAGNOSITCO DE RUIDOS
En el despliegue de contadores aunque se tiene una tasa muy alta de lectura, existen ciertos equipos con problemas de comunicación debido a problemas de ruidos en la red. La capacidad de medida de medida del contador ofrece la posibilidad de capturar ciertos parámetros de la red y hacérselos llegar al usuario para la localización de ruidos y eliminación de los mismos mediante filtros. También proporciona información valiosa de cara a determinar la topología de red.
En esta tarea inicialmente se ha realizado un análisis de los ruidos y su espectro. Diversos estudios muestran que la fuente de ruido más influyente en la calidad de las comunicaciones son los inversores fotovoltaicos, los cuales pueden generar amplitudes importantes en toda la banda de frecuencias, aunque hay otras fuentes de ruidos importantes como son las fuentes de alimentación conmutadas u dispositivos electrónicos con algún tipo de avería.
Posteriormente se han se han especificado distintos métodos para la caracterización del ruido. En todos ellas se realiza una evaluación de las ventajas e inconvenientes, y se presentan ejemplos representativos de la aplicación de estas técnicas a señales reales de ruido.
La división del espectro en intervalos de ancho de banda dinámico, aplicando el criterio de potencia acumulada, y el cálculo del percentil 98% en cada uno de ellos es la opción que ofrece una mayor resolución con un uso limitado de recursos. Además, es configurable, lo cual permite elegir el punto de equilibrio adecuado entre resolución y recursos utilizados. La ponderación para evitar el desplazamiento hacia frecuencias más altas requiere un mayor uso de memoria.
Respecto a la particularización para su uso en los contadores, el uso de la FFT que se utiliza actualmente es la mejor opción para obtener una resolución aceptable, un uso mínimo de procesado adicional y un uso limitado de memoria.
El contador registrará los datos bien mediante orden del usuario (comando) o bien accionado por un trigger en función del fallo de comunicaciones. El equipo almacenara en un buffer con etiqueta de tiempo los registros de ruido (conforme a la caracterización definida) y podrán ser visualizados en display para los casos que no es posible comunicar, o podrán ser recuperados mediante protocolo estándar.
Uno de los objetivos de este paquete de trabajo es la caracterización del ruido en las redes eléctricas para que el contador pueda dar información sobre el mismo. Esta caracterización se basa en la selección de una serie de parámetros que proporcionen una buena representación de la señal del ruido. Y dado que la respuesta espectral del ruido proporciona una información muy útil, se ha analizado la forma de registrar dicha respuesta espectral de forma representativa para que el contador pueda enviar dicha información.
Los métodos propuestos en este estudio deben utilizar los mínimos recursos posibles de memoria y procesado adicional para poder incluirlo en la plataforma actual del contador. Uno de los requisitos es no cambiar el hardware del equipo no incrementando el coste del mismo.
El estudio se ha realizado con un doble enfoque. En primer lugar se busca una caracterización genérica del ruido en redes eléctricas y posteriormente se tienen en cuenta las limitaciones del Smart Meter y se particulariza la caracterización para estos dispositivos.
Los parámetros seleccionados se dividen en dos grupos:
- Parámetros que definen aspectos globales de la señal de ruido en la red eléctrica.
- Parámetros que caracterizan el espectro del ruido. El espectro, además de proporcionar información útil para la caracterización, aporta información valiosa para identificar la fuente de ruido. Por esta razón, se ha centrado buena parte del esfuerzo en obtener una detallada caracterización del espectro utilizando la mínima cantidad de recursos en el Smart Meter.
Conclusiones caracterización
En la siguiente tabla se recopilan las ventajas y desventajas de los métodos analizados:
Tabla 1: Resumen de los métodos de caracterización analizados
No todos los aspectos reflejados en la tabla tienen la misma importancia. El método de detección de picos no aporta una buena caracterización del espectro.
La caracterización mediante percentiles e intervalos de ancho de banda fijo utiliza menos capacidad de memoria, aunque la resolución es mucho menor. Además, puede no detectar máximos adyacentes que queden ubicados dentro de mismo intervalo.
Un inconveniente del método de los anchos de banda dinámicos es que ofrece una buena resolución, pero siempre que se utilice una cantidad adecuada de intervalos, y por lo tanto, un número mínimo de registros de memoria.
En el siguiente apartado, se proponen distintos parámetros de los métodos seleccionados, con el criterio de minimizar los recursos de almacenamiento.
Caracterización considerando requisitos de un contador PRIME
En los apartados anteriores, se han propuesto y analizado varios métodos para caracterizar la respuesta espectral de las señales de ruido de forma genérica. En este apartado, se particulariza el análisis a las características de un contador inteligente PRIME 1.3.6.
El contador de ZIV utiliza una frecuencia de muestreo de 250 kHz, por lo que la FFT realizada por el contador será de 512 puntos, siendo 97 los puntos de la FFT dentro de la banda PRIME, lo cual coincide con un punto por cada portadora PRIME v 1.3.6 (97 portadoras).
La separación entre portadoras es de 488.28125 Hz. Los tiempos de trabajo se corresponden con los de la tabla, 2048 μs entre la realización de dos FFT.
Durante los ensayos, se han realizado almacenamientos basados en captura directa de muestras, procesadas y enviadas bajo protocolo estándar (DLMS) a un sistema central de proceso. Se comprueba que el sistema es suficientemente válido para la identificación de ruidos más típicos, proporcionando de flexibilidad de cálculo durante el postproceso.
Tabla 2: Requisitos del contador a tener en cuenta
Figura 4: FFT de señal Almacenada. Muestreo en contador
Figura 5: Señal procesada mediante analizador
4.- BIBLIOGRAFÍA
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