ES2711204A1 - Procedimiento y sistema de análisis de calidad de la energía e índice de calidad 2S2PQ, caracterización de la señal en un punto del suministro eléctrico - Google Patents

Abstract

Procedimiento y sistema de análisis de la calidad de la energía e índice de calidad 2S2PQ para la caracterización de la señal en un punto del suministro eléctrico. El procedimiento comprende: adquirir una señal de tensión u(t), obtener una señal preprocesada ue(t) adaptable al procesador, procesar la señal para obtener una serie de rasgos estadísticos S1, S2,..., SN característicos de ella, almacenar dichos rasgos, representar gráficamente las frecuencias relativas de dichos rasgos asociadas a una ventana temporal de análisis Δt seleccionada por el usuario, computar el índice 2S2PQ de calidad del suministro eléctrico. La invención también comprende un sistema para la caracterización estadística en un punto de suministro e índice de calidad, así como un programa informático que incorpora código adaptado para realizar las etapas del procedimiento, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador o cualquier otra forma de hardware programable.

Description

DESCRIPCION

Procedimiento y sistema de analisis de calidad de la energia e mdice de calidad 2S2PQ, caracterizacion de la senal en un punto del suministro electrico.

Sector de la tecnica

De acuerdo a sus caracteristicas, esta invention se situa en el campo de investigation de la Metrologia Industrial e Instrumentation, y de modo mas espetifico en el campo de la instrumentation inteligente aplicada a los Analizadores de Calidad de la Energia (Power Quality, PQ), que constituyen actualmente una herramienta en pleno desarrollo en el contexto de la red electrica inteligente (Smart Grid).

Estado de la tecnica

En este apartado se recogen los objetivos de los equipos de instrumentacion actuales en el ambito de la monitorizacion de la energia, los indices de calidad de la energia que implementan los equipos actuales, y las patentes relativas a metodos de medida asociados a calidad de la energia mas cercana al objeto de la invencion propuesta.

1.- Objetivos de los equipos de instrumentacion actuales en la monitorizacion de la energia.

Con la inclusion de los sistemas de generation distribuida, surgen tipos no convencionales de carga y almacenamiento (por ejemplo, vehiculos electricos) y las microredes (microgrids), de modo que es necesario proponer nuevos indices que tengan en cuenta la energia que es entregada al usuario final y su comportamiento en la red. En el nuevo contexto de investigacion en la Smart Grid, estan surgiendo propuestas de procedimientos de monitorizacion que buscan optimizar los indices de calidad. Sin embargo, muchos de estos metodos no han sido validados en condiciones operativas reales sino que han sido validados en base a simulaciones numericas.

La modernization de la red electrica esta suponiendo la integration de dispositivos electronicos inteligentes, los cuales permiten integrar soluciones para los medidores de energia cada vez mas asequibles, tal como exponen Apparatus, E., 2008. The key role of Intelligent Electronic Devices (IED) in Advanced Distribution Automation (ADA). In CICED2008. Technical Session 3. Protection, control, communication and automation of distribution network, pp. 1- 7).

Sin embargo, la monitorizacion de la red cuenta aun con un gran numero de desafios, asociados principalmente a la necesaria gestion de un creciente numero de sitios de monitorizacion, y la adecuada gestion del gran volumen de datos que ello conlleva, asi como el hecho de que los nuevos dispositivos electronicos utilizados en instalaciones electricas son mas sensibles a pequenos problemas de calidad de la energia y a variaciones de las condiciones del suministro, segun Bollen, M.H.J. et al., 2010. Trends, challenges and opportunities in power quality research. European Transactions on Electrical Power, 20(1), pp.3-18. 2010.

En este sentido, durante las ultimas dos decadas se viene observando un marcado interes por parte de la comunidad cientifica en alcanzar un consenso sobre el desarrollo de estos nuevos indices de calidad y los procedimientos que deben incorporarse en la instrumentacion de medida de la red electrica (CIRED/CIGRE working group C4.112 "Guidelines for power quality monitoring").

En este contexto, el nivel de calidad de la red depende del precio que los clientes esten dispuestos a asumir, siendo necesario cuantificar el estado de la red en condiciones normales, de buena calidad, as^ como en condiciones criticas. Debido a ello surgen nuevos mdices de calidad de la ene^a asociados a estandares, que en su mayoria se aplican con fines contractuales para exigir el cumplimiento del sistema de acuerdo a la buena calidad de la energia. Las normas EN 50160, UNE-EN 50160 y IEC 61000-3-6 son relativas a las caracteristicas que debe cumplir la tension suministrada por las redes generales de distribution, y la evaluation de los limites de emision para la conexion de instalaciones distorsionadoras a sistemas de potencia MV, HV y EHV.

Es conocido que existen fenomenos que originan perturbaciones electromagneticas clasificadas por la Comision Electrotecnica Internacional (International Electrotechnical Comission, IEC), que condicionan el comportamiento de determinadas redes. La variation de tension originada por dichos eventos, se cuantifica de dos maneras diferentes: a traves de indices descriptivos, y mediante indices de fiabilidad. Los primeros se utilizan para eventos de calidad de energia que tienen una naturaleza notoriamente aleatoria, pueden variar en el tiempo y son altamente dependientes de la topologia del sistema; no se pueden limitar y solo se dan cifras aproximadas despues de su ocurrencia. Las variables mas comunmente monitorizadas son la frecuencia, la tension RMS (siglas en ingles Root Mean Square o Raiz Cuadratica Media), los desequilibrios entre fases, los armonicos de tension y de corriente, los huecos de tension (sags) y las sobretensiones (swells).

En segundo lugar, se recomiendan practicas tales como las del Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2009 IEEE - Recommended Practices, asi como por organismos como CENELEC y CIGRED, donde proponen la medida de parametros de corriente asi como de corriente-tension en base a indices de fiabilidad (Reliability Indices). Los indices de fiabilidad, permiten al operador de la red, computar el numero de interrupciones, la suma de la duration de todas ellas y la duracion media de todas las interrupciones durante un ano. Todos los registros se calculan a traves de los indices SAIFI, SAIDI, CAIDI que cuantifican el rendimiento de la energia del sistema para todos los clientes. Por ejemplo a nivel industrial, las empresas electricas suelen informar sobre indices como el de Frecuencia de Variacion RMS Promedio del Sistema (SARFI), que es esencialmente un recuento del numero de veces que la magnitud y la duracion caen por debajo de un umbral predeterminado.

No obstante, los indices de fiabilidad no son representativos de las perturbaciones que sufren directamente los usuarios finales del sistema. A nivel consumidor se establecen indices descriptivos, que se miden en un punto de conexion espedfico de un sistema de transmision o distribucion; los niveles medidos estan influenciados por perturbaciones procedentes de todas las demas partes del sistema interconectado. En este sentido, los valores estadisticos dependen principalmente del comportamiento de la red durante un tiempo, reflejando la situation en un sitio dado o en un sistema como un todo. Se proponen asi: indices descriptivos de sitios e indices descriptivos del sistema.

De este modo se calculan los percentiles diarios y semanales en intervalos de 3 o 10 minutos, sin necesariamente almacenar cantidades inmanejables de datos brutos, asi como en lecturas semanales y anuales. Por ejemplo: en el caso de los huecos de tension, los indices del sitio se utilizan para la evaluacion de la compatibilidad entre el equipo sensible y la fuente de alimentation, y se pueden utilizar como ayuda para la election de un metodo de mitigation de la caida de tension, ofreciendo information a los clientes locales sobre las caidas de tension en un sitio durante un cierto periodo de tiempo (seguimiento de 3-5 anos incorporando variaciones interanuales, segun el Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014. IEEE Std 1564 -Guide for Voltage Sag Indices).

Los indices del sitio pueden presentarse de diferentes maneras: en una tabla de tension, en un grafico de contornos, como el numero de eventos mas severos en una cierta curva (curva ITIC o la curva SEMI F47) o por debajo de una determinada tension residual cuando ocurren eventos tipo sag la gravedad es calculada a partir de la tension residual (desde 90-10% ) y la duracion de la caida de tension en combination con la curva de referencia, tal como expresan Gallo, D., Landi, C. & Luiso, M., 2009. Accuracy Analysis of Voltage Dip Measurement. XIX IMEKO World Congress, Portugal, pp.743-748.

El mdice del sistema es el valor del mdice del sitio no excedido para un alto porcentaje de sitios. Los porcentajes se definen para cada mdice y parametro individual. Ejemplos de sitios de alto percentil son 90, 95 y 99% (IEEE 2009).

No obstante, la information que obtienen los consumidores no contempla mediciones de la calidad del suministro, ya que actualmente estos indices solo pueden ser usados para detectar niveles tipicos de la perturbaciones, y a lo es el operador de red quien puede disponer de ellos.

2. - indices de calidad de la energia que implementan los equipos actuales y optimization de los metodos e indices existentes.

La norma UNE-EN 6100-4-30: 2015 sobre tecnicas de ensayo y medicion, establece metodos de medicion de la calidad de la energia para diferentes tipos de instrumentos, principalmente de clase A. Incluye un grupo de parametros a calcular con especificacion del rendimiento, tales como: frecuencia, valor RMS, parpadeo, interrupciones de tension, sobretensiones, descompensacion de fases, armonicos de tension y corriente, asi como inter-armonicos. Los analizadores de red que se encuentran actualmente en el mercado miden la energia en funcion de estos valores, de acuerdo a las caracteristicas y tipos de distorsiones tipicamente detectadas en las redes de distribucion. La monitorizacion mediante estos procedimientos e indices, busca clasificar la calidad de la energia para fines contractuales, dando como resultado de la lectura del instrumento un porcentaje de adecuacion a los parametros medidos en los estandares, como metodo para verificar el estado del sistema. No obstante, estos datos contienen una gran cantidad de informacion potencialmente valiosa sobre el comportamiento de la calidad del suministro electrico, que no son tratados ni almacenados.

A continuation, se exponen los procedimientos relacionados con la actual invention, todos basados en la FFT (Transformada Rapida de Fourier, Fast Fourier Transform).

El primero determina la respuesta de las cargas del sistema a caidas de tension, en base a los valores maximos de corriente de un tipo de evento Molnar-Matei, F., Moga, M. & lovan, M., 2011. Procedure for determining the response of the system load to voltage sags. 2011 IEEE EUROCON - International Conference on Computer as a Tool, (April), pp. 1-4. En este caso se gana en la detection de maximos, pero se pierde informacion.

Cheng et al. (Cheng et al 8th Conference on Industrial Electronics and Applications, 2011) proponen un metodo de alta resolution con el fin de extraer los componentes de parpadeo que conforman la senal. Este es un metodo robusto, sin embargo requiere de una alta computation matematica.

Los metodos de estimation del espectro de alta resolucion, MUSIC y ESPRIT que proponen Leonowicz, Z & Lobos, T., 2006. Power Quality Evaluation using Advanced Spectrum Estimation Methods. 2006 International Conference on Power System Technology, (April), pp.

1-6. Como alternativa a los basados en el analisis de Fourier tradicional, pueden mejorar la precision de parametros espectrales de senales de potencia distorsionadas.

Otro metodo espectral antecedente, es el desarrollado por Meyer, J. & Schegner, P., 2006. Characterization of power quality in low voltage networks based on modeling by mixture distributions. 2006 International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems, (January 2015), pp. 1-6. Esta enfocado a la clasificacion y deteccion anomalias, a partir del estudio de los armonicos de corriente en varias redes conectadas a un mismo operador del sistema. A partir de la evolucion de estas intensidades se establecen criterios cualitativos para el analisis del comportamiento de la red. El metodo demuestra ser escalable ya que es capaz de analizar caracteristicas del suministro tanto en redes domesticas, como en redes industriales. Realiza un estudio focalizado en el punto de entrega del consumidor, y a lo largo de un intervalo temporal predefinido.

Ademas, Bucci, G., Fiorucci, E. & Landi, C., 2003. Digital measurement equipment for steadystate PQ measurements. 2003 IEEE Bologna PowerTech - Conference Proceedings, 4, desarrollan equipos para mediciones de PQ en estado estacionario, en base a un algoritmo para la medicion de VRMS y VTHD% basado en la tecnica de ventana deslizante. Sus resultados se han obtenido a partir de simulaciones y pruebas experimentales.

Con respecto a los estadisticos de orden superior (Higher-Order Statistics, HOS) y su uso en la detection de perturbaciones en las senales de tension para el analisis de la calidad de la energia, destacan los estudios realizados por Ribeiro, M V. et al., 2007. Detection of disturbances in voltage signais for power quality analysis using HOS. Eurasip Journal on Advances in Signal Processing, 2007, donde se demuestra que el analisis en base a HOS, con respecto a otros metodos antes mencionados, requiere menor computation, lograndose una buena resolution temporal de analisis por debajo de un ciclo, asi como detectar parametros estables durante todo el tiempo de computacion.

Los HOS tambien tienen la particularidad de permanecer constantes a lo largo del tiempo para una senal sin perturbar, tal como se demuestra en Aguera-Perez et al. 2011. Characterization of electricaI sags and swells using higher-order statistical estimators, Measurement, 44, pp.1453-1460. Esta particularidad es aprovechable por el instrumento que incorpora esta invention. Cabe apuntar que la presente invention aborda el estudio estadistico de la senal con un metodo aplicable a cualquier tipo de red (LV, MV, HV) y con una resolucion capaz de detectar no solo eventos, sino tambien el estado de la red en un intervalo de tiempo predefinido por el usuario, asi como computar indices de sitio e indices de sistema, alineado todo ello a la normativa y el estado del arte en la materia.

En relation a las tecnicas de inteligencia artificial, el primer antecedente alineado con la presente invencion consiste en un mdice de calidad de energia total para redes electricas utilizando redes neuronales: Raptis, T E. et al., 2015. Total Power Quality Index for Electrical Networks Using Neural Networks. Energy Procedia, 74, pp.1499-1507, que incorpora diferentes escalas de tiempo. El segundo metodo seleccionado ha sido desarrollado por Monedero, et al., 2005. Classification of Electrical Disturbances in Real Time Using Neural Networks. IEEE Transactions on Power Delivery, 23(11), pp.1-7, que clasifica las perturbaciones electricas en tiempo real (en base a los indices estandarizados) utilizando redes neuronales. Se ha desarrollado un generador de patrones electricos como herramienta de entrenamiento. El sistema se integra en una herramienta de software para un PC con hardware conectado para la adquisicion. Basado en senales sinteticas, este trabajo propone una metodologia que tiene en cuenta el comportamiento de la red, sin embargo no es capaz de computar adecuadamente los indices, de acuerdo a una misma escala de tiempo.

3.- Patentes relativas a metodos de medida asociados a calidad de la energia

En la invencion “Fundamental frequency stability and harmonic analysis” (US 2015/0355249 A1), se desarrolla el metodo, aparato y soporte informatico para medir la frecuencia de una senal electrica, a traves de una ventana de muestreo principal que permite detectar el nivel armonico que contiene la senal. Se estima la precision de la frecuencia fundamental a traves de un grupo de subventanas de la ventana principal, comparando la frecuencia fundamental estimada de cada ventana.

Otro instrumento y tecnicas para la monitorizacion no intrusiva de la red se expKcita en la patente internacional WO 2017/066658 A1, que realiza la detection de parametros fisicos tales como campos electricos y/o magneticos para monitorizar y/o controlar descargas electricas, permitiendo monitorizar el consumo de electricidad en hogares o negocios.

Para la deteccion armonica en tiempo real de sistemas de energia electrica, basado en el metodo de determination de peso directo, la patente CN103383413 (A), propone una estructura de red de funcion sinusoidal neutra. Con este metodo se evitan los entrenamientos de redes redundantes en metodos de deteccion de armonicos tradicionales; los pesos de red que contienen amplitudes armonicas e information de fase se obtienen mediante calculo de un solo paso, resultando en una alta eficiencia de deteccion.

Otro metodo de analisis en el dominio del tiempo para la deteccion de componentes armonicos en una onda sinusoidal (de tension y corriente) distorsionada que propone reducir la capacidad del calculo de un procesador para asegurar la capacidad de almacenamiento es propuesto en la patente KR20100049412 (A). La distorsion de la onda se estima en base a un valor ponderado. Las ondas distorsionadas de la tension y de corriente estimadas se comparan con la forma de senal de entrada. Se realiza una extraction armonica usando una ecuacion de relacion.

Las patentes mencionadas con anterioridad ponen de manifiesto que es frecuente que los fabricantes desarrollen herramientas con escalabilidad temporal insuficiente. De igual modo, hay una falta de conocimiento y de acuerdo sobre una serie de aspectos del proceso de monitorizacion, y en particular sobre el procesamiento de los datos.

Un metodo mas conveniente de verification del rendimiento de los clientes (a traves de los indices de sitios), consiste en medir los parametros de calidad de la energia en paralelo con los contadores inteligentes de energia, reduciendo costes en la instalacion Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2009. IEEE - Recommended Practices.

En ese sentido, estan surgiendo novedosas propuestas que consisten en incorporar nuevas funcionalidades y procedimientos de medicion de calidad de la energia en medidores inteligentes, con el fin de garantizar un mapeo del sistema en base a una representacion mas intuitiva de los estadisticos e indices ampliamente aceptados, segun Meyer, J., Klatt, M & Schegner, P., 2011 en: Power quality challenges in future distribution networks. 20112nd IEEE PES International Conference and Exhibition on Innovative Smart Grid Technologies, pp. 1-6.

Precisamente en ese grupo de propuestas se enmarca la presente invention, como un nuevo procedimiento y sistema basado en la obtencion de representaciones graficas del comportamiento estadistico de la senal, acompanadas de un mdice de calidad escalable en el tiempo, de modo que dicho sistema sea mas intuitivo para los usuarios y facilmente incorporable en la nueva instrumentation inteligente para acometer la monitorizacion en lmea.

Explication de la invencion

La presente invencion persigue resolver los inconvenientes planteados anteriormente mediante un metodo de caracterizacion de la senal del suministro donde concretamente se obtienen los datos de la senal electrica u(t), de acuerdo a las caractensticas del punto de la red bajo test. Dicha senal se preprocesa en el dominio del tiempo, dando como resultado un vector ue(t) adaptado a las condiciones de procesamiento. Posteriormente se calculan una serie de rasgos estadisticos S1, S2,..., SN caracteristicos del vector ue(t). Los estadisticos son almacenados en una base de datos (data base). A continuation, se realizan las representaciones graficas donde se muestran las frecuencias relativas de los estadisticos durante el intervalo de tiempo seleccionado. En base a estos rasgos estadisticos se formula un mdice de calidad representativo del intervalo de tiempo seleccionado.

En una posible realization, el preprocesado de la senal u (t) comprende la adaptation de la senal en funcion de los valores nominales de la senal de suministro.

En una posible realizacion, el procedimiento comprende el calculo de N estad^sticos S1, S2,...SN, para caracterizar un determinado periodo T de muestreo de la senal (de aqu en adelante este conjunto de valores seran denominados N-upla). Estos estad^sticos cumplen que, para una senal nominal (o sana) preprocesada, toman un valor conocido y fijo (Sj valor nominal). Asi, S1, S2..., SN sera la N-upla nominal asociada a una senal sana.

En una posible realizacion, el procedimiento comprende el calculo de los estadisticos anteriores para M periodos de muestreo de la senal, tales que abarquen un intervalo de tiempo At, siendo At = M T. Se obtienen asi un numero M de N-uplas, que conforman un conjunto de estadisticos denotados por {Sij} donde i= 1 , . , M y j= 1 , . , N

En una posible realizacion, el procedimiento comprende la representation de las frecuencias relativas de las N-uplas asociadas a un determinado intervalo de tiempo seleccionado y correspondiente calculo del mdice 2S2PQ que se detalla mas abajo.

En una posible realizacion, la representacion de frecuencias relativas comprende, el empleo de histogramas de una o mas dimensiones.

En una posible realizacion, el mdice de calidad de suministro electrico comprende el calculo de las desviaciones de los estadisticos respecto a sus valores nominales. (Statistical Signal Processing Power Quality Index, 2S2PQ). Siguiendo la expresion:

2S2PQAt = f(S11 — S11 ,S2 — Sl2,. Sij — S j . ,SMN - SMN^

donde At se corresponde con el intervalo de tiempo seleccionado, S11,S12, . ,S MN, son los estadisticos asociados a la senal bajo test; S1, S2,..., SN representan los estad^sticos nominales que correspondenan a una senal sana; y 2S2PQ el mdice de calidad asociado al i-esimo periodo de computation de la senal bajo test.

En otro aspecto de la presente invention, se proporciona un sistema para la caracterizacion estadistica en un punto de suministro e mdice de calidad, que comprende: medios para muestrear y preprocesar la senal de suministro electrico u(t), medios para procesar la senal ue(t), medios para determinar los estadisticos S11,S12, . ,S MN, medios de almacenamiento para la creation de un registro de la senal bajo test, medios para que el usuario consigne (un intervalo temporal asociado a la representacion de frecuencias y al mdice 2S2PQ, umbrales criticos), medios para la representacion grafica de las frecuencias relativas de los estadisticos de acuerdo a uno o varios intervalos temporales y el empleo de histogramas de una o mas dimensiones, medios para la computacion del mdice 2S2PQ, medios para que el proceso pueda ejecutarse de manera continua si el usuario asi lo decide, medios para la comunicacion de alarmas al usuario.

En otro aspecto de la invencion, se proporciona un programa informatico que comprende medios de codigo adaptados para realizar las etapas del procedimiento de caracterizacion de la senal de suministro electrico e indice de calidad 2S2PQ, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador o cualquier otra forma de hardware programable.

Finalmente, proporcionan multiples usos para esta invention de acuerdo a las aplicaciones industrials que le son de aplicacion en este sector.

Breve description de las figuras

Fig. 1. Se expone el procedimiento de medida del instrumento: Se enumeran los pasos mediante los cuales el procedimiento debe ser aplicado por un instrumento convencional. Comprende las diferentes etapas del analisis para la obtencion de las caracteristicas de la senal de suministro electrica, en un punto de la red: 1. Adquisicion y Preprocesado de la senal, 2. Procesado, 3. Almacenamiento de datos, 4. Representation Grafica y Computation del mdice 2S2PQ.

Fig. 2. Histograma 2D: Posible representacion de frecuencias y calculo de 2S2PQ para el analisis en un punto de la red en base a las siguientes condiciones: At = 24 h, considerando dos estadisticos (kurtosis y varianza) que en una senal sin distorsion deberian obtener los valores S1 = 1,5 y S2 = 0,5, respectivamente. Asi el punto de corte de los ejes en las coordenadas (0,5, 1,5) establece el punto de operation nominal.

Fig. 3. Histograma 2D: Para comparacion con Fig.2, otra posible representacion de frecuencias y calculo de 2S2PQ para el analisis en un punto de la red en base a las siguientes condiciones: At = 24 h, considerando dos estadisticos (kurtosis y varianza) que en una senal sin distorsion deberian obtener los valores S1 = 1,5 y S2 = 0,5 respectivamente. Asi el punto de corte de los ejes en las coordenadas (0,5, 1,5) establece el punto de operacion nominal.

Fig. 4 Histograma 2D: Cambiando la escala temporal respecto a Fig. 2 y Fig. 3, otra posible representacion de frecuencias y calculo de 2S2PQ para el analisis en un punto de la red en base a las siguientes condiciones: At = 2 h, considerando dos estadisticos (kurtosis y varianza) que en una senal sin distorsion deberian obtener los valores S1 = 1,5 y S2 = 0,5 respectivamente. Asi el punto de corte de los ejes en las coordenadas (0,5, 1,5) establece el punto de operacion nominal.

Fig. 5. Histograma 2D: Para comparacion con Fig 4, otra posible representacion de frecuencias y calculo de 2S2PQ para el analisis en un punto de la red en base a las siguientes condiciones: At = 2 h, considerando dos estadisticos (kurtosis y varianza) que en una senal sin distorsion deberian obtener los valores S1 = 1,5 y S2 = 0,5 respectivamente. Asi el punto de corte de los ejes en las coordenadas (0,5, 1,5) establece el punto de operacion nominal.

Fig. 6. Histograma 2D: Cambiando de nuevo la escala temporal al orden de los segundos, otra posible representacion de frecuencias y calculo de 2S2PQ para el analisis en un punto de la red en base a las siguientes condiciones: At = 2 s, considerando dos estadisticos (kurtosis y varianza) que en una senal sana deberian obtener los valores S1 = 1,5 y S2 = 0,5 respectivamente. Asi el punto de corte de los ejes en las coordenadas (0,5, 1,5) establece el punto de operacion nominal.

Modo de realization de la invencion

La presente invencion caracteriza el suministro de la red en un punto de entrega concreto. El metodo propuesto abre un abanico de posibilidades en lo que atane al estudio a diferentes escalas temporales y rangos de tension (LV-MV-HV).

Las siguientes realizaciones referidas se proporcionan a modo de ejemplos, y no se pretende que sean limitativos de la presente invencion.

Se propone un procedimiento que incrementa la flexibilidad del sistema de monitorizacion, dando respuesta a varias problematicas esenciales de la medida de la calidad de la energia. El procedimiento, permite que el equipamiento trabaje bajo el concepto de escalabilidad, monitorizando distintos puntos de la red con el mismo metodo, as^ como habilitando el analisis en diferentes escalas temporales y mediciones en diferentes tipos de redes y puntos de la misma.

El procedimiento ofrece una caracterizacion de la senal del suministro electrico en un intervalo de tiempo seleccionado, que refleja si los estadisticos de la senal han experimentado variaciones significativas, transitorias o constantes con respecto a su rango nominal. Asimismo, se propone un nuevo mdice de calidad del suministro electrico que aglutina en un valor numerico la information de los estadisticos representados, y que se computa en funcion del intervalo de tiempo seleccionado.

El desarrollo del procedimiento comprende varias etapas. La figura 1 muestra un esquema del metodo de la invention donde se ilustran las diferentes etapas que deben realizarse de modo consecutivo:

1. - Etapa 1. Adquisicion y preprocesado de la senal

1.1. - Se obtienen los datos de la senal electrica u (t), de acuerdo a las caractensticas del punto de la red bajo test.

1.2. - Posteriormente, se preprocesa la senal en el dominio del tiempo, dando como resultado un vector ue(t). Se define la zona de operation nominal de la red que queda determinada por un conjunto de estadisticos concretos: S1, S2,..., SN o N-upla nominal.

2. - Etapa 2. Procesado de la senal

La senal ue(t), se ventanea con el fin de trocearla en un numero de M penodos de computation. Se calculan las M N-uplas que caracterizaran las senal ue(t), obteniendose el conjunto de estadisticos {Sij}, donde i = 1,..., M (mdice relativo al periodo) y j = 1,..., N (mdice relativo al estadistico considerado).

A continuation se obtiene la desviacion de cada estadistico Sij respecto al valor nominal de dicho estadistico Sj asociado a la zona de operacion nominal de la red: Sij - Sj. Esto permite definir indices en funcion de las desviaciones observadas en la senal de tension sobre sus valores nominales.

3. - Etapa 3. Almacenamiento de los datos

Los datos son volcados en tiempo real en un registro que contiene la informacion asociada al punto de suministro bajo test.

4. - Etapa 4. Representation grafica y computacion del mdice 2S2PQ.

El analisis se define de acuerdo al intervalo de tiempo preseleccionado por el usuario. Del mismo modo el analisis puede actualizarse conforme nuevos datos se incorporan al registro. En cuanto a las representaciones graficas, los histogramas caracterizan el comportamiento estadistico de la senal describiendo las frecuencias relativas de las N-uplas asociadas al tiempo de medida predefinido At, ofreciendo un resumen grafico del estado de la red durante el. Las representaciones muestran la dispersion de los estadisticos respecto a la zona de operacion nominal de la red. Las figuras de 2 a 6 se conciben como ejemplos considerando dos estadisticos en el analisis: varianza y kurtosis. As^ una senal nominal preprocesada segun este ejemplo arroja valores de 0,5 para la varianza y 1,5 para la kurtosis (Aguera-Perez et al. 2011; Characterization of electrical sags and swells using higher-order statistical estimators, Measurement, 44, pp.1453- 1460). La 2-upla nominal queda definida por los valores (0,5, 1,5). En estas condiciones, las figuras 2-6 presentan histogramas 2D para las 2-uplas correspondientes a diferentes intervalos de tiempo. Los ejes blancos sobre la figura con punto de corte en (0,5, 1,5) marcan la zona de operation nominal; esto es, una senal perfecta durante el intervalo estudiado arrojaria como resultado una frecuencia del 100% sobre dicho punto. Cualquier desviacion sobre la senal perfecta hace que los estadisticos computados (y por tanto las 2- uplas) varien, apareciendo nuevas frecuencias sobre otras coordenadas de la grafica en funcion de las caracteristicas de la perturbation.

A continuation se calcula el mdice 2S2PQ asociado a cada tiempo de medida predefinido At. Este mdice numerico sintetiza las desviaciones observadas en los estadisticos respecto de sus valores nominales. Asi, una senal perfecta durante todo el intervalo seleccionado viene caracterizada por un valor del mdice 2S2PQ fijo, dado que todas las diferencias son nulas. Del mismo modo cualquier desviacion sobre la senal perfecta desencadena cambios sobre los valores nominales y por tanto el mdice 2S2PQ adquirira otros valores.

En consecuencia, en base a los estadisticos asociados al intervalo de tiempo predefinido, se formula el mdice 2S2PQ para la calidad de la energia en ese punto de la red electrica de acuerdo a la expresion:

2S2PQAt = f(S11 — S11,S2 — S^-.-Sij — S^... ,SMN - SMnX

Donde:

At = intervalo de tiempo seleccionado.

Sij = estadistico j-esimo correspondiente al periodo i-esimo.

Sj = estad^stico nominal j-esimo.

M =numero de periodos considerados en el intervalo At.

N = numero de estadisticos empleados para la caracterizacion de la senal.

El mdice se calcula en funcion del numero de periodos M de la senal contenidos en el intervalo At. Del mismo modo, la representation en histogramas se hace mediante frecuencias relativas. Asi, los resultados obtenidos son independientes de la duration del intervalo At considerado, permitiendo la comparacion de diferentes escalas temporales en un mismo contexto. Sin embargo, cuando At es pequeno (es decir, el analisis se basa en pocas N -uplas), desviaciones puntuales influyen decisivamente tanto en la representacion grafica como en la computation del mdice, permitiendo una caracterizacion de eventos transitorios. Cuando At crece, los fenomenos puntuales quedan enmascarados, explicitando el comportamiento a largo a plazo de la senal. Seleccionando diferentes At es posible comparar, en un mismo marco cualitativo y cuantitativo, el comportamiento de la senal a diferentes escalas temporales.

Para una mejor explication de la invention, a continuacion se analizan las figuras que se exponen a modo de ejemplos, donde mediante histogramas 2D se representan las frecuencias relativas de las 2-uplas, definidas por varianza y kurtosis.

La figura 2 representa la tendencia del comportamiento estadistico de la senal a lo largo de una jornada de 24 h en un punto de la red. El punto de operacion corresponde a los estadisticos nominales (punto de intersection de los ejes coordenados). El mdice 2S2PQ se ha definido para este ejemplo como el promedio de desviaciones en valor absoluto, y arroja un valor de 0,019.

Las figuras 2 y 3 se realizan en el mismo intervalo de 24 h, en dos dias significativamente distintos segun se describe a continuation. Si bien poseen un mismo valor del mdice 2S2PQ (0,019), la representation grafica demuestra que el comportamiento es cualitativamente distinto. En la figura 2 se observa que muchas de las mediciones caen en la zona nominal, aunque una cantidad importante de ellas se ha dispersado a la izquierda. Esta dispersion provoca la disminucion del valor del mdice 2S2PQ. La senal de la figura 3 exhibe un comportamiento mas estable (mayor numero de puntos concentrados en la misma region del plano), pero existe un sesgo importante respecto al centro geometrico asociado al comportamiento nominal. Todo ello demuestra que, el procedimiento de caracterizacion de la senal mediante los histogramas ofrece information complementaria al valor numerico del mdice 2S2PQ.

A continuacion se muestran tres figuras (de 4 a 6) que muestran la escalabilidad del procedimiento (distintos intervalos de medida At) a partir de la informacion contenida en la figura 2. La figura 4 muestra un intervalo de muestreo de 2 h (de 8-10 AM). El mdice 2S2PQ, refleja un comportamiento aceptable de la senal de suministro electrico, en torno a 0,005.

En cambio la figura 5, presenta tambien un intervalo de muestreo de 2 h, ahora en la franja horaria de 13-15 PM. Al comparar ambas figuras 4 y 5, se concluye que en la figura 5 la senal se encuentra mas deteriorada, reflejando un valor del mdice 2S2PQ de 0,017.

Por ultimo, en la figura 6, se realizan las representaciones durante un tiempo de medida de 2 s. Se observa una dispersion acusada de las medidas con respecto al centro geometrico nominal, lo cual denota un comportamiento asociado a un evento transitorio de la senal de suministro, reflejando un mdice 2S2PQ de 0,05, que es incluso peor que el asociado al periodo de 24 h, y representado en la figura 2. Esta escala temporal de 2 s, permite en consecuencia una mayor resolution de las representaciones de las frecuencias absolutas; por tanto es adecuada para la detection de eventos transitorios que se presenten en la senal de suministro electrico.

Aplicacion industrial

- La presente invention constituye un procedimiento concebido para instrumentos de medida inteligentes (smart meters) y analizadores de redes.

- Dada los bajos requerimientos computacionales habilita la deteccion de eventos en continuo con una resolucion temporal de hasta un periodo (0,02 segundos).

- Ofrece la posibilidad de realizar analisis de la red en mayor profundidad al permitir la comparacion entre diferentes escalas temporales. Podrian obtenerse resultados del tipo: "el punto A de la red ofrece historicamente una mala calidad de la energia electrica, aunque en el tramo horario de los lunes de 6:00 a 8:00 A.M. esta es perfecta”. Esto es determinante para la programacion de procesos con el menor impacto posible en la red, para la identification de equipos problematicos y para la selection de lugares donde conectar equipamiento sensible.

- La comparacion de diferentes escalas temporales permite la implementation de consignas del tipo: "si el mdice PQ en los ultimos ciclos (0,2 segundos) tiene una variation del 5% respecto al mdice observado en el ultimo mes, ejecuta la action X”.

- Vigilancia para reclamaciones al operador del sistema electrico a efectos contractuales.

- De acuerdo con la implementation a escala industrial, las entradas del procedimiento, caracteristicas del sistema o red, son convenientemente escaladas, aumentando la flexibilidad del metodo y su capacidad de adaptarse a nuevos entornos y campanas de monitorizacion.

- Permite una facil interoperabilidad entre diferentes instrumentos que incorporen este metodo de medida.

Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de caracterizacion de una senal de suministro electrico, caracterizado por:

- Muestrear una senal de suministro electrico u(t);

- Preprocesar la senal para obtener una senal escalable ue(t);

- Obtener una serie de estadisticos S1, S2,... SN asociados a la senal ue(t);

- Crear un registro temporal de los estadisticos;

- Representar las frecuencias relativas de las W-uplas, almacenadas en el registro y asociadas a un determinado tiempo de medida;

- Ofrecer un mdice de calidad de la senal de suministro electrico;

2. Procedimiento de acuerdo a la reivindicacion 1 donde el preprocesado de la senal u(t) se haga en funcion de los valores nominales de las senales de suministro.

3. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 1-2 donde los estadisticos S1, S2,... SN tomen un valor conocido y fijo (valor nominal) para una senal sana (o nominal) preprocesada S11, S12, . , S^mn

4. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 1-3 donde la representacion de las frecuencias relativas y el calculo del mdice se asocien a un determinado intervalo de temporal.

5. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 1-4 donde la representacion de frecuencias relativas se realiza mediante el empleo de histogramas de una o mas dimensiones.

6. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 1-5 donde el mdice de calidad de la senal de suministro electrico se calcule en funcion de las desviaciones de los estadisticos respecto a sus valores nominales. (Statistical Signal Processing Power Quality Index, 2S2PQ).

2S2PQAt = f(S11 — S11 ,S2 — S12, — Sij — ^j^-- ,SMN - SMⁿX

6. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 1-6 donde el mdice calidad 2S2PQ se compare con unos umbrales cnticos previamente definidos, para la vigilancia de la senal del suministro electrico a traves de alarmas.

7. Sistema para la caracterizacion estadistica de orden superior de la huella energetica de un punto de suministro e mdice de calidad para la tension electrica, de acuerdo a la reivindicaciones 1-6 que comprende:

- medios para muestrear la senal de suministro electrico u(t).

- medios para preprocesar la senal u(t).

- medios para procesar la senal ue(t).

. medios para determinar los estadisticos S1, S2,... SN.

- medios de almacenamiento para la creacion de un registro de la senal bajo test.

- medios para que el usuario consigne:

- Intervalo temporal asociado a la representation de frecuencias y al mdice 2S2PQ. - Umbrales criticos.

- medios para la representacion grafica de las frecuencias relativas de los estadisticos de acuerdo a uno o varios intervalos temporales.

- medios para la representacion grafica de las frecuencias relativas de los estadisticos mediante histogramas de una o mas dimensiones.

- medios para la computation del mdice 2S2PQ.

- medios para que el proceso pueda ejecutarse de manera continua si el usuario asi lo decide.

- medios para la comunicacion de alarmas al usuario.

8. Un programa informatico que comprende medios de codigo adaptados para realizar las etapas del procedimiento de caracterizacion de la senal de suministro electrico e mdice de calidad 2S2PQ, segun reivindicaciones 1 a 6, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador o cualquier otra forma de hardware programable.

9. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, determinar la calidad de la energia entregada al consumidor en un punto de suministro.

10. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, proponer el seguimiento en base a patrones diarios y estacionales.

11. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita la escalabilidad en un espacio temporal (desde 1 periodo de la senal hasta el infinito), y en distintos rangos de tension (LV-MV-HV).

12. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, determinar un mdice de sitio, asi como un mdice de sistema, que pueda ser comparable con los indices a nivel del operador de la red, de acuerdo a los estandares internacionales vigentes, para la localization de fallos del suministro.

13. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, implementar la generation de alarmas para la monitorizacion tanto a nivel industrial, publico, como domestico, cuando se sobrepasen umbrales criticos predefinidos, con consignas en funcion del comportamiento a diferentes escalas temporales.

14. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, adaptarse convenientemente a nuevos entornos y campanas de monitorizacion.

15. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, proponer especificaciones ajustadas al suministro de energia electrica, con el fin de incorporarlo a condiciones contractuales.

16. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, incorporarse en instrumentos de medida inteligentes, dotando de information al productor-consumidor sobre el comportamiento de su instalacion y para la vigilancia ante reclamaciones al operador.

17. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, garantizar la interoperabilidad entre diferentes instrumentos de medida inteligentes, tanto fijos como portatiles, que incorporen este metodo de medida, representaciones graficas e mdice 2S2PQ.

18. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, comparar la calidad de la energia a diferentes escalas temporales asi como la comparativa entre estas para determinar consignas a nivel operativo.

19. Uso del procedimiento de caracterizacion de una senal del suministro electrico que segun reivindicaciones 1-8 permita, tomar decisiones para la programacion de procesos con el menor impacto posible en la red, para la identification de equipos problematicos y para la selection de lugares donde conectar equipamiento sensible.