WO2012167395A2 - Sistema que permite determinar parámetros y dar observabilidad a una red de energía - Google Patents

Sistema que permite determinar parámetros y dar observabilidad a una red de energía Download PDF

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    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/142—Arrangements for simultaneous measurements of several parameters employing techniques covered by groups G01R15/14 - G01R15/26
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
    • G01R19/2513—Arrangements for monitoring electric power systems, e.g. power lines or loads; Logging

Definitions

  • the process of generating electricity usually originates in places far from urban centers, that is to say consumers, and must use electricity transmission networks or simply energy networks to transport said energy, which must be monitored every a certain amount of distance by specialized equipment, in order to ensure its operation, operation and reliability.
  • CMg Marginal Cost
  • distribution networks are analyzed, that is, existing networks within cities, there is the situation that energy distribution companies due to the complexity and extent of their networks do not have an observability of the total of their nodes, but only some points of interest, which dilutes their efforts to ensure quality of electrical service in the network and makes it difficult to determine the points of the network where it is necessary to invest in infrastructure.
  • the exposed system allows to determine parameters and give observability to a power network from the detection of radio waves of low frequency coming from lines, equipment of generation and transmission of electrical energy that are at a considerable distance, that is to say without making contact with them.
  • a maximum distance (94) between the system and line of 5 meters is suggested for 12kV lines and 200 meters for HOkV lines.
  • the system uses an antenna called the ANT50 module (or ANT56), which has several coils oriented in certain directions in order to capture the components of the magnetic field vector and the use of a parallel plate capacitor to detect fields electrical It also has an accelerometer that reports the position of the antennas mentioned in the space in order to measure the amount of radiation that is being captured by the antenna or in other words the angle of exposure of the antenna to the radiation so that the installation of the equipment in the field does not cause errors in the measurements. It also measures the vibrations of the antennas so that they do not cause errors in electromagnetic field measurements. It also has a temperature sensor to correct the error that the temperature may be causing on the mentioned measurements. In addition to this, you can measure the vibrations and the inclination of the tower or pole where the system is installed so as to send alarms if the structure fails.
  • the accelerometer reports the position of the antennas mentioned in the space in order to measure the amount of radiation that is being captured by the antenna or in other words the angle of exposure of the antenna to the radiation so that the installation of the equipment in the field
  • module RF50 (or RF56) which has all the electronics and programming necessary to process the information that comes from the ANT50 module, achieving the conversion of magnetic fields into current and electric fields into voltage, thus calculating the parameters of an electrical network (voltage, current, current direction, frequency, power factor, apparent power, active power and reactive power, etc.).
  • the system has a UCR module which is responsible for datalogging the information sent by the RF50 module, this is to store the information sent by the RF50 module by assigning a time stamp. It also manages communications, that is, it can control, for example, a GPRS MODEM so that it can establish communication with another remote device and thus send the stored information or set the equipment remotely.
  • the system uses a solar panel and a solar charger that charges the internal batteries, providing autonomy 24 hours a day.
  • the system uses an IP66 cast aluminum box (it can also use an IP66 plastic cabinet) which allows it to have an adequate operating temperature and a shield against external electromagnetic contamination. It also prevents the entry of water allowing it to operate from dry environments to extremely rainy climates.
  • Figure N ° 1 represents the functional diagram of the ANT50 module.
  • Figure N ° 2 represents the top view of the ANT50 antenna.
  • Figure N ° 3 represents the functional diagram of the RF50 module.
  • Figure No. 4 represents the functional diagram of the UCR module.
  • Figure N ° 5 represents the general view of the system assembly.
  • Figure N ° 6 represents the general view of the three-phase antenna array.
  • Figure N ° 7 represents the general view of the system installation.
  • the exposed system makes it possible to determine parameters and give observability to an energy network from the detection of low frequency radio waves coming from power generation and transmission lines that are at a considerable distance, that is to say without Make contact with them.
  • a maximum distance (94) between the system and line of 5 meters is suggested for 12kV lines and 200 meters for HOkV lines.
  • the system uses an antenna called the ANT50 module (Figure N ° 1 and N ° 2), which captures all types of waves that come from an electrical network. It has an RF50 module (Figure N ° 3) that processes the information coming from the previous module and calculates the electrical parameters of the line such as voltage, current, frequency, power factor, apparent power, active power, reactive power and current direction among others. It has a UCR module ( Figure N ° 4) that is responsible for datalogging the data sent by the RF50 module and also manages remote communications using among others a GPRS unit, Internet or other means.
  • system observability measuring other more complex parameters such as energy losses through energy balances, giving quality of electrical service through measurement of propagation of transients, estimate where there is physical cut of lines, measure vibration of the towers or poles of power lines, and additionally measure intensity and propagation of earthquakes in order to ensure the integrity of the towers or posts of the power lines.
  • the system uses a module called ANT50 ( Figure No. 1), which has several coils (10) (11) oriented in certain directions in order to capture the components of the magnetic field vector and a parallel plate capacitor (12) to detect electric fields. It also has an accelerometer configured as an inclination meter (13) that reports the position of the antennas mentioned in the space in order to measure the amount of radiation that is being captured by the antennas or in other words the angle of exposure of the antennas to the radiation of low frequency radio waves, thus compensating for product errors of the installation of the system in the field or movements and disturbances experienced by the system over time.
  • ANT50 Figure No. 1
  • an accelerometer configured as an inclination meter (13) that reports the position of the antennas mentioned in the space in order to measure the amount of radiation that is being captured by the antennas or in other words the angle of exposure of the antennas to the radiation of low frequency radio waves, thus compensating for product errors of the installation of the system in the field or movements and disturbances experienced by the system over time.
  • this acceleration sensor (13) is configured to report the vibration to which the equipment is being subjected (especially the antennas that detect electromagnetic fields) in order to prevent these vibrations from causing measurement errors. It also has a temperature sensor (14) to correct the error that the temperature may be causing on the mentioned measurements, since the temperature influences the movement of electrons in the antennas, generates thermal noise and therefore distorts the captured signal and alter your sensitivity
  • this module provides information on the intensity of earthquakes that affect each structure and measures its inclination with respect to the horizontal plane in order to activate event alarms in case they exceed certain limits
  • the magnetic field detector antenna (10) (11), as the name implies, allows the detection of magnetic waves (B). It consists of coils (normally three, but can be more) oriented at perpendicular angles between them so that they define a coordinate system X, Y, Z. This arrangement of coils, depending on whether it will be very close to the transmission line Electric power can be located inside a compartment constructed of extremely thin sheets of copper or aluminum so as to filter the existing electric field in the environment. This ensures that the coils capture only magnetic field.
  • the electromagnetic signal picked up by the antennas used in this project (10) (1 1) (12) is very sensitive according to the orientation and position of the antennas in space, it is necessary to manufacture a device that is capable of measuring the position of said antennas in the space so as to know at every moment how reliable the measurement is or, failing that, to correct said measurement by a correction factor proportional to the position of the antenna in space. In this way, the system is not affected by the way it is installed on the ground or by movements and changes of position that the system experiences over time as a result of daily contingencies.
  • an accelerometer (13) of two or more axes configured as an inclination meter has been used so as to be able to define the horizontal plane (X, Y), leaving some antennas formed by coils in the horizontal plane (X , Y) and others in the vertical plane (Z) of said device and the antenna formed by a parallel plate capacitor generally in the horizontal plane (X, Y).
  • the configuration indicated in its essence behaves as a derivative element so it is quite sensitive to rapid changes in position over time, greatly affecting the vibrations .
  • active filters were designed (limiters, low pass, high pass) and through software the digital signal processing is performed to correct the remaining vibratory effect.
  • an accelerometer of two or more axes configured as a vibration sensor was incorporated into the base of the antennas so as to detect higher intensity vibrations in the antennas and in general of the system, in order to prevent them from altering the electromagnetic information it detects the system.
  • a temperature sensor (14) has been located at the base of the antennas (next to the electromagnetic sensors) so that Set a correction factor. In this way, it is sought to ensure that the signal measured by the antenna, whether electric or magnetic, is independent of temperature.
  • the ANT50 module will be called either ANT50 or ANT56.
  • Figure N ° 1 shows the functional diagram of the ANT50 module, where the horizontal CB antenna (10) and the vertical CB antenna (1 1) are the antennas responsible for capturing the components of the magnetic field on both the horizontal and vertical axis.
  • coils of different values are used so that the signal to noise ratio is as large as possible. The disposition of them in the space will depend on the form that you want to give to the antenna sensitivity lobe, for example, if you want to give a donut shape to the lobe there will be two perpendicular coils in the same plane.
  • FIG. 3 shows a three-phase antenna array designed for distribution lines in order to extract information from each phase under study.
  • This arrangement consists of a horizontal structure (85) inside which three blocks (86) representing coils (10) and parallel plate capacitors (12) arranged horizontally, whose information is sent to the ANT50 module located in the lower compartment ( 80), so that this set of elements is then attached to the main box (82) by means of the vertical structure (81).
  • the Electric Field Antenna (12) is responsible for capturing the electric field using a parallel plate capacitor of copper or aluminum material;
  • the Horizontal Plane sensor (13) is responsible for measuring the horizontal plane in order to establish the angle of radiation of the antennas or exposure angle that the antennas have to the electromagnetic fields, using an accelerometer of two or more ways configured as tilt sensor;
  • the Temperature Sensor (14) delivers the temperature at which the antennas are so that it can subsequently make thermal noise corrections;
  • the Analog or Digital Link (15) is the union or way of transporting data that exists between the ANT50 module and the RF50 module ( Figure N ° 3);
  • Power (16) is the power supply of the ANT50 module.
  • the blocks (10) represent the sensors type antennas made by inductance or coils oriented horizontally and perpendicularly to each other;
  • the block (1 1) represents the oriented inductance of vertical form;
  • the block (12) represents the parallel plate capacitor;
  • Block (5) represents the rest of the vibration, temperature and electronics sensors in general used by the ANT50 module.
  • Electric Field Filter :
  • the magnetic field sensor (10) (11) a metal cage so that said cage can block the electric field and take it to the ground, leaving only the magnetic field inside which will be picked up by the magnetic field sensors located inside.
  • the electric filter mentioned is generally not used to cover magnetic sensors, since it is of metallic composition presents alterations to the magnetic field because it passes currents through the metal, which distorts the field and attenuates its intensity.
  • the metal cage has been designed to be of minimum thickness, the use of aluminum or copper foil, metallic paints or conductive paints being very good.
  • the magnetic sensors (10) (11) located inside the metal cage can measure a magnetic field free from contamination of the electric field.
  • the RF50 module ( Figure N ° 3) is in charge of performing all the activities of amplification and filtering of low frequency radio waves and their subsequent digital processing to finally obtain the parameters of voltage, current, frequency, power factor, apparent power , active power, reactive power, current direction, etc. Additionally, this module allows measuring other secondary variables of the RF50 module itself, such as position in space, temperatures, vibrations, and serial communication with peripheral devices.
  • the RF50 module uses antenna type sensors (10) (1 1) (12) to capture or detect radio frequency waves emitted by lines and equipment Electricity generation and transmission. Several types of antennas are used depending on whether what you want to capture are electric or magnetic waves.
  • It includes an array of resistors which, when interconnected by means of a digital switch, allows to generate a variable equivalent resistance, which is used to control the gain of an operational amplifier and thus control the gain of each reception channel. Subsequently, the resulting signal enters a microprocessor (43) which, through digital signal processing, manages to further reduce its noise and remaining vibration, to finally measure the amplitude, frequency, offset of each signal until finally obtaining the voltage, current, frequency, power factor, apparent power, active power, reactive power and current direction.
  • analog and digital filters have been designed in this module to stabilize and filter the signal coming from the antennas in order to avoid vibration distortions.
  • all the signal detection electronics of antenna type sensors, analog filters and even reaching the A / D converter (included) are earthed so as to keep said signal on the level of electrical noise that comes in. from the outside, ensuring that the signal is kept clean of noise.
  • this module has a second processor which is responsible for using its own software to exclusively monitor the frequency of each channel, managing to analyze the transients of the power grid and observe its propagation in it, estimating causes of failures or disturbances in the electrical networks.
  • Horizontal Flat Sensor (13) and Temperature (14) are sensors that allow to determine the position of the antenna in space and its temperature respectively, so that correction factors can be applied according to the position of the antenna in the space and its temperature;
  • Horizontal Flat Sensor2 (25) and Temperature2 (26) are auxiliary sensors used for various purposes such as for example RF50 card temperature or position in the post space that supports the system, etc;
  • Auxiliary Temperature Sensor (27) is an input that allows an external temperature sensor to be connected, in order to measure the operating temperature of an external battery or power supply;
  • Locator (37) is a method that is executed by means of a program, allowing the system to be properly located on the ground, that is, it indicates whether the place where the system has been installed allows the calculation of voltage, current, current direction and frequency, etc. To do this, when this function is activated, various characteristics of the signal received by the electromagnetic wave receiving antenna are checked. The response provided by this function is positive if the measuring
  • Antenna Gain Control allows to change the antenna gain in the amplification and filtering stage so that its reception is always optimal, using an array of resistances which, when interconnected by means of a digital switch, allows generating a variable equivalent resistance, which is used to change the gain of an operational amplifier and thus control the gain of each reception channel, which gives a very fine gain increase, allowing the system to perceive electromagnetic signals ranging from subtle to high intensity.
  • This feature allows the system to be versatile, making it possible to be installed both near (91) and away from a power network (93), or from lines less than 12kV and up to 500 kV or more.
  • Figure 7 shows the installation on the ground of the system, where a typical segment of an electrical position characterized by an electric pole (90), electric power distribution lines (92) is observed.
  • the installation of the system can be carried out in a high-voltage tower, installation of the power line (91) or simply on its own support at a certain distance (94) from any power network (93).
  • Amplification and Filtering Stage (29 to 36) allows amplifying and filtering the signal from the sensors in order to adapt it to be subsequently processed by a microprocessor (43);
  • the multiplexer (38) is responsible for gathering all this information from sensors, and then sending it to the CAD Converter (converts analog signal into digital) (40) as ordered by the microprocessor (43) through the control of the multiplexer (39);
  • Internal Function Parameters Check (42) is a circuit that allows checking internal parameters of the RF50 module necessary for optimum operation. For example, it allows checking the supply voltage, CAD reference voltage (40) (Digital Analog Converter) and operation of voltage references used for the calibration of the invention.
  • Serial Communication (44) and UCR Communication (45) allow the RF50 module to communicate with external peripherals such as a PC, MODEM, UCR Module, GPRS communication equipment, cell phone or other device so that it can read information obtained remotely, take manual control or set internal parameters of the measuring equipment;
  • Micro Processor n ° 2 (46) allows continuous and exclusive monitoring of the frequency of the input channels in order to detect transients and disturbances in the power lines, thus providing quality of service. This information is sent to the main microprocessor (43), which is responsible for analyzing said information; Power (41) supplies the necessary energy to the RF50 module for its operation; Alarms (47) is the alarm system of the equipment for which there are two types.
  • Security event alarms are those that ensure that the Once installed equipment is not opened or moved from its installation site. To do this, a tamper is used on the main cover to activate an alarm if it is open and an accelerometer configured as a tilt sensor is used so that if the equipment is moved from the installation site without authorization, this movement activates a alarm.
  • electromagnetic noise is defined as any electromagnetic field that enters the measuring equipment by a different route than the receiving antenna intended to measure these fields.
  • electromagnetic noise could enter the equipment through the cables that go to the battery, through the cables that come from the solar panel, through the fields that pass through the cabinet that contains the equipment, etc.
  • a method and device (48) has been incorporated into the system that is implemented through software that runs in the main processor to measure the internal electromagnetic noise that is present in the electronics and thus ensure the reliability of the measurement of network parameters.
  • the method is based on the fact that each antenna receiving electromagnetic fields, both coils and parallel plate capacitors used by the system, has its own physical and material construction that allows it to capture the electromagnetic signals under study.
  • a device that can be a digital switch or relay has been used, which must have a low contact resistance, preferably close to 1 Ohm, ensuring that the resistance presented by the short circuit is as low as possible. and in this way that the short circuit is effective and manages to bring to zero the own gain of each electromagnetic field sensor in the system.
  • the UCR module is the remote control unit, or data transmission unit, which is used in applications where it is necessary to be able to remotely control variables, processes, read sensors, etc. For this, it has its main characteristic that is its low consumption end, which is achieved due to the choice of last generation materials, programming and electronic design that allows you to save energy by keeping processes and peripherals off while not in use, which It is very useful when using solar panels or batteries as a means of power supply.
  • this module has a technology that allows it to keep the microprocessor's performance stable, making it immune to electrical noise. To do this, it divides the power supply and filters in two, one of them exclusive for the electronics and microprocessor and the second for the power and handling stage of external peripherals of high consumption, thus ensuring that the equivalent capacity that Observe the electronics always be adequate.
  • this module is characterized by being highly configurable and programmable in order to adapt to the greatest possible number of uses and situations where communication or remote access is required. It has internal software that makes communications efficient, saving time, money and energy.
  • this module behaves like a dataloger where it receives the information from the RF50 module ( Figure N ° 3), stores that information and associates it with a time stamp that comes from an internal clock of the UCR microprocessor ( 55) or it may come from an external GPS clock connected to one of its inputs, highlighting its large memory capacity that allows it to store data for a long time in case of no frequent communications.
  • this module has the ability to handle among others a GPRS MODEM by establishing remote communication with other remote equipment to send the information retained in its memory, or coming directly from the RF50 module ( Figure N ° 3) or to perform control remote and set of the equipment.
  • the UCR team has a wide variety of inputs and outputs so that it can adapt to a large number of tasks.
  • Figure N ° 4 shows the functional diagram of the UCR module, where it can be seen that the UCR has different types of output to control external peripherals, such as the regulated output (50) which is a fixed voltage output; a DC output (51) that allows the output voltage to be equal to that of the input but filtered; a S itch Relay (52) that allows activating external peripherals; External Relays (53) that allows controlling various types of external relays.
  • the regulated output 50
  • DC output that allows the output voltage to be equal to that of the input but filtered
  • S itch Relay that allows activating external peripherals
  • External Relays (53) that allows controlling various types of external relays.
  • External Temperature allows the temperature of a process external to the UCR to be measured, such as monitoring a battery;
  • Internal Temperature (57) is the temperature of the UCR;
  • Microprocessor UCR (55) is responsible for performing and controlling all tasks and processes programmed in the UCR through software;
  • Power AC and DC (56) is the input of the supply current of the UCR;
  • Return DC (59) is a return of the current input to the UCR in order to power other modules that work in conjunction with the UCR.
  • the UCR by means of a multiplexer (58) allows communication with other microprocessors through the COMI USART (60) and COM2 USART (61) ports; It has communication through Shift Registers (62) with the RF50 module, and communication with RS232 ports via COMI RS232 (63) and COM2 RS232 (64).
  • FIG 5 the general view of the system described in this report is presented, which is constituted by integrating all the aforementioned modules, that is, ANT50 module, RF50 module, UCR module. It is worth mentioning that in practice and as a test, a prototype made using a PVC pipe has been used to integrate the described system, but for reasons of electromagnetic shielding and robustness in the installation, the use of what is recommended is suggested.
  • the upper structure (80) represents the place where the ANT50 module is installed.
  • the vertical structure (81) represents the connection between the ANT50 module (80) and the main box or cabinet (82), which contains the RF50, UCR, battery, solar charger, etc. modules inside.
  • the lower structure (83) represents the solar panel necessary to supply power to the entire system.
  • the lateral structure (84) represents the metallic union that holds the solar panel (83) with the container box or cabinet (82).
  • the energy networks and especially the electrical equipment used for the generation and transmission of electrical energy emit low or higher frequency radio waves, centered at 50 or 60 Hz.
  • These waves irradiated to the environment referred to as low frequency radio waves have electrical components and magnetic components denominated by the letters E and B respectively, where the electric waves E are generated by the existence of a voltage source and the magnetic waves B are generated by the circulation of an electric current
  • a traditional method to determine this distance (94) is to use measuring instruments such as laser distance meters, used in topography, which have the disadvantage that on a sunny day it is quite complicated and sometimes impossible to determine distances greater than 25 meters , assuming that the laser should be aimed at the cable or power line under study.
  • an innovative method is created that is incorporated into the system through software that runs on the main microprocessor, which determines the distance (or attenuation factor) between points O and P ( 94) by the difference of the electric field measured at said points.
  • this method is based on the fact that there are currently different types of lines in an electrical network characterized each by presenting specific voltages and for constant practical purposes. For example, there are 12 kV lines, 110 kV lines, 220 kV, 500 kV lines, etc.
  • these types of lines are identifiable by simple observation by a person understood in the subject or by plans of the systems of transmission, sub transmission or distribution, that is, they are identifiable without performing any electrical measurement on the line under study and without coming into contact with it.
  • each type of line of an electrical network has a characteristic voltage and a constant maximum amplitude, and therefore has a defined electric field and a constant maximum amplitude, which experiences a known attenuation to the extent that we move away from the line (109).
  • the calculated distance (or attenuation factor) is used by the electric field to adjust the ratio of transformation of magnetic fields into current (from the power grid) with which the system was calibrated in the laboratory.
  • this method allows the system to be located at any point near a power grid line and by only entering information of the type of line being measured (12 kV, 100 kV, 220 kV, 500 kV), that is , without measuring, knowing, or entering the distance between the system and the line under study (94), to calibrate and determine the electrical parameters of the line referred to current, voltage, frequency, power factor, apparent power, power active and reactive, current direction, etc.
  • Ampere's law relates the tangential component of the magnetic field around a closed curve C with the current (i) that crosses this curve, which is mathematically expressed according to the following formula.
  • N is the number of turns of the coil
  • L is the length of the coil
  • B is the current flowing through the coil
  • the electric field is a physical field, represented by the interaction between bodies and systems with electrical properties. Mathematically it is described as a vector field in which a point electric charge of value q is affected by an electric force F.
  • field E can be calculated at the point where the space given by the following equation.
  • the parallel plate capacitor model is used, which has a surface S and a separation between the plates given by a distance d. It also assumes the existence of a dielectric medium between the plates where ⁇ is the permittivity of the vacuum. According to the above, the voltage between the condenser plates (V) is defined as the line integral of the existing electric field between the plates as detailed in the following equation.
  • V L a - V (1 12)

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Abstract

Sistema que permite determinar parámetros y dar observabilidad a una red de energía sin realizar contacto y a distancia variable de ella, a partir de la detección de ondas de radio de baja frecuencia que emite dicha red, las cuales son captadas por antenas magnéticas y eléctricas, amplificadas y filtradas por filtros activos y por un software de procesamiento digital de señales. Posteriormente esta información es corregida utilizando para ello información proveniente de sensores de vibración, inclinación y temperatura ubicados en la base de las antenas, obteniendo finalmente los parámetros de voltaje, corriente, frecuencia, dirección de la corriente, factor de potencia, potencia activa y reactiva. Adicional a ello, permite obtener información de vibración e inclinación de torres y estructuras de redes de energía y entregar alarmas de eventos para los parámetros medidos. De utilizar varios de estos sistemas se puede lograr obtener parámetros de balances de energía, medición de transientes, determinar el lugar donde existe corte físico de líneas, medir intensidad y propagación de sismos. Incluye filtro de campos eléctricos, software para determinar lugar óptimo donde instalar el sistema en terreno, software para medir el ruido electromagnético interno del sistema, software para calibrar y determinar parámetros sin la necesidad de medir la distancia existente entre el sistema y la línea eléctrica en estudio.

Description

SISTEMA QUE PERMITE DETERMINAR PARÁMETROS Y DAR OBSERVABILIDAD A UNA RED DE ENERGÍA
Campo de la Invención:
Sistema que permite determinar parámetros y dar observabilidad a una red de energía sin realizar contacto y a distancia variable de ella, a partir de la detección de ondas de radio de baja frecuencia que emite dicha red. Antecedentes de la Invención:
El proceso de generación de energía eléctrica por lo general se origina en lugares alejados de los centros urbanos, es decir de los consumidores, debiendo utilizar para transportar dicha energía redes de transmisión de energía eléctrica o simplemente redes de energía, las cuales deben ser monitoreadas cada cierta cantidad de distancia por equipos especializados, de modo de asegurar su operación, funcionamiento y confiabilidad.
En determinados nodos de estos sistemas de redes de transmisión, existen centrales generadoras encargadas de inyectar energía a la red para que esta fluya por ella y llegue de un punto a otro. Debido a que estas centrales generadoras presentan costos de operación y mantención, la energía que inyectan a la red también presenta un costo denominado CMg (Costo Marginal) o precio, que puede variar de forma horaria y de una línea a otra.
Dado todo lo anterior, hoy se da la situación de que las grandes empresas generadoras poseen un sistema de monitoreo de redes que les permite conocer la inyección de energía en los nodos más importantes de la red y por lo tanto estimar el precio de la energía en múltiples lugares de ella, por lo que su despacho, es decir, cuando y cuanto producir, puede ser coordinado y económicamente es óptimo. No obstante, este sistema de monitoreo al necesitar que los equipos estén conectados físicamente a la red de energía lo hace ser bastante complejo, de difícil instalación y muy costoso, lo que impide en muchas ocasiones a los generadores más pequeños tener acceso a este sistema de monitoreo, debiendo tomar ellos por su cuenta las decisiones de cuando y cuanto producir, lo que se transforma en una situación que no es económica tanto para ellos como para el país.
Si por otro lado se analizan las redes de distribución, es decir, las redes existentes al interior de las ciudades, se da la situación de que las empresas de distribución de energía debido a la complejidad y extensión de sus redes no presentan una observabilidad del total de sus nodos, sino que de solo algunos puntos de interés, lo que diluye sus esfuerzos por asegurar calidad de servicio eléctrico en la red y obstaculiza determinar los puntos de la red en donde es necesario invertir en infraestructura.
En la actualidad existen muchos aparatos para medir parámetros de una línea de transmisión, red eléctrica o de algún equipo de generación eléctrica con la particularidad de que deben necesariamente ser conectados físicamente al equipo al cual se desea realizar la medición, lo que involucra en la mayoría de los casos altos costos, la intervención del objeto a ser medido con su correspondiente desenergización, elevado tiempo de instalación y la obtención de un permiso para realizar dicha medición o conexión.
Dado lo anterior, y teniendo presente que la mayoría de los equipos eléctricos, ya sean líneas de transmisión de energía eléctrica, redes eléctricas o equipos de generación eléctrica emiten ondas de radio de baja frecuencia, se propone la construcción de un sistema que sea capaz de captar a una distancia variable las ondas de radiofrecuencia emitidas por los equipos mencionados de modo de obtener en primera instancia sus parámetros eléctricos básicos como voltaje, corriente, frecuencia y en segunda instancia sus parámetros secundarios como factor de potencia, potencia aparente, potencia activa, potencia reactiva dirección de la corriente, etc.
De utilizar varios de estos sistemas, ubicados en lugares estratégicos y en lo posible en todos los nodos de la red, permitirá medir otros parámetros más complejos como pérdidas de energía mediante balances de energía, dar calidad de servicio eléctrico mediante medición de propagación de transientes en la red, estimar lugar donde existe corte físico de líneas, medir vibración de las torres o postes de líneas eléctricas, y en forma adicional medir intensidad y propagación de sismos de modo de asegurar la integridad de las torres o postes del tendido eléctrico. Todo lo anterior, finalmente llevará a obtener lo que se ha denominado como observabilidad de la red, ayudando por un lado a los pequeños medios de generación a tomar decisiones adecuadas de cuando y cuanto producir y por otro lado permitirá a las empresas distribuidoras a programar de forma óptima sus inversiones en infraestructuras de redes.
Breve Descripción de la Invención:
El sistema expuesto permite determinar parámetros y dar observabilidad a una red de energía a partir de la detección de ondas de radio de baja frecuencia provenientes de líneas, equipos de generación y transmisión de energía eléctrica que se encuentren a una distancia considerable, es decir sin hacer contacto con ellos. Se sugiere una distancia (94) máxima entre el sistema y línea de 5 metros para líneas de 12kV y de 200 metros para líneas sobre HOkV.
Para captar estas ondas, el sistema utiliza una antena denominada módulo ANT50 (o ANT56), la cual posee varias bobinas orientadas en ciertas direcciones de modo de captar las componentes del vector de campo magnético y la utilización de un condensador de placas paralelas para detectar campos eléctricos. Además posee un acelerómetro que informa de la posición de las antenas mencionadas en el espacio de modo de medir la cantidad de radiación que esta siendo captada por la antena o en otras palabras el ángulo de exposición de la antena a la radiación de modo que la instalación del equipo en terreno no cause errores en las mediciones. También mide las vibraciones de las antenas de modo que estas no causen errores en las mediciones de campos electromagnéticos. Posee también un sensor de temperatura para corregir el error que pueda estar causando la temperatura sobre las mediciones mencionadas. Adicional a esto, puede medir las vibraciones y la inclinación de la torre o poste donde se encuentre instalado el sistema de modo de enviar alarmas si falla la estructura.
Esta información posteriormente es enviada al modulo RF50 (o RF56) el cual posee toda la electrónica y programación necesaria para procesar la información que proviene del módulo ANT50, logrando la conversión de campos magnéticos en corriente y de campos eléctricos en voltaje, calculando de esta forma los parámetros de una red eléctrica (voltaje, corriente, dirección de corriente, frecuencia, factor de potencia, potencia aparente, potencia activa y potencia reactiva, etc.).
Adicional a esto, el sistema cuenta con un módulo UCR el cual se encarga de datalogear la información que le envía el modulo RF50, esto es almacenar la información que envía el modulo RF50 asignando una estampa de tiempo. Además administra las comunicaciones, es decir, puede controlar por ejemplo un MODEM GPRS de modo de poder establecer una comunicación con otro dispositivo remoto y asi enviar la información almacenada o setear el equipo a distancia. Como fuente de energía, el sistema utiliza un panel solar y un cargador solar que carga las baterías internas, brindándole autonomía las 24 horas del día.
Con respecto al gabinete o caja contenedora, el sistema utiliza una caja de aluminio fundido IP66 (puede también utilizar una gabinete plástico IP66) lo que le permite una adecuada temperatura de funcionamiento y un blindaje frente a contaminación electromagnética externa. Además previene de la entrada de agua permitiéndole funcionar desde ambientes secos hasta climas extremadamente lluviosos.
De utilizar varios de estos dispositivos, ubicados en lugares estratégicos, se podrá llevar a cabo lo que se ha denominado como observabilidad del sistema, logrando a su vez medir otros parámetros más complejos como perdidas de energía mediante balances de energía, dar calidad de servicio eléctrico mediante medición de propagación de transientes, estimar lugar donde existe corte físico de líneas, medir vibración de las torres o postes de líneas eléctricas, y en forma adicional medir intensidad y propagación de sismos de modo de asegurar la integridad de las torres o postes del tendido eléctrico.
Breve Descripción de los Dibujos:
El sistema será descrito a continuación en base a las siguientes figuras anexas, en las cuales.
Figura N° 1, representa el diagrama funcional del módulo ANT50.
Figura N° 2, representa la vista superior de la antena ANT50.
Figura N° 3, representa el diagrama funcional del módulo RF50.
Figura N° 4, representa el diagrama funcional del módulo UCR.
Figura N° 5, representa la vista general del armado del sistema.
Figura N° 6, representa la vista general del arreglo de antenas trifásico.
Figura N° 7, representa la vista general de la instalación del sistema.
Descripción Detallada de la Invención:
El sistema será descrito según las figuras 1 a 7 que acompañan.
Además se describe formulación básica necesaria para trabajar con ondas de radio de baja frecuencia.
El sistema expuesto permite determinar parámetros y dar observabilidad a una red de energía a partir de la detección de ondas de radio de baja frecuencia provenientes de líneas, equipos de generación y transmisión de energía eléctrica que se encuentren a una distancia considerable, es decir sin hacer contacto con ellos. Se sugiere una distancia (94) máxima entre el sistema y línea de 5 metros para líneas de 12kV y de 200 metros para líneas sobre HOkV.
Para captar estas ondas, el sistema utiliza una antena denominada módulo ANT50 (Figura N° 1 y N°2), la cual capta todos los tipos de ondas que provienen de una red eléctrica. Posee un módulo RF50 (Figura N°3) que procesa la información proveniente del módulo anterior y calcula los parámetros eléctricos de la línea como voltaje, corriente, frecuencia, factor de potencia, potencia aparente, potencia activa, potencia reactiva y dirección de la corriente entre otros. Posee un módulo UCR (Figura N°4) que se encarga de datalogear los datos enviados por el modulo RF50 y además administra comunicaciones remotas utilizando entre otros una unidad GPRS, Internet u otro medio.
Como fuente de alimentación utiliza un panel solar (83) que mediante un cargador solar recarga una batería brindando 24 horas de funcionamiento.
De utilizar varios de estos dispositivos, ubicados en lugares estratégicos, se podrá lograr lo que se ha denominado como observabilidad del sistema, logrando a su vez medir otros parámetros más complejos como perdidas de energía mediante balances de energía, dar calidad de servicio eléctrico mediante medición de propagación de transientes, estimar lugar donde existe corte físico de líneas, medir vibración de las torres o postes de líneas eléctricas, y en forma adicional medir intensidad y propagación de sismos de modo de asegurar la integridad de las torres o postes del tendido eléctrico.
Módulo ANT50:
Para captar las ondas de radio de baja frecuencia mencionadas anteriormente, el sistema utiliza un módulo denominado ANT50 (Figura N°l y N°2), el cual posee varias bobinas (10) (11) orientadas en ciertas direcciones de modo de captar las componentes del vector de campo magnético y un condensador de placas paralelas (12) para detectar campos eléctricos. Además posee un acelerómetro configurado como medidor de inclinación (13) que informa de la posición de las antenas mencionadas en el espacio de modo de medir la cantidad de radiación que esta siendo captada por las antenas o en otras palabras el ángulo de exposición de las antenas a la radiación de ondas de radio de baja frecuencia, compensando de esta forma errores propios producto de la instalación del sistema en terreno o movimientos y perturbaciones que experimente el sistema a lo largo del tiempo. Adicional a esto, este sensor de aceleración (13) se configura para que informe de la vibración a que esta siendo sometido el equipo (en especial de las antenas que detectan campos electromagnéticos) de forma de evitar que estas vibraciones causen errores en las mediciones. Posee también un sensor de temperatura (14) para corregir el error que pueda estar causando la temperatura sobre las mediciones mencionadas, ya que la temperatura influye sobre el movimiento de electrones en las antenas, genera ruido térmico y por lo tanto distorsiona la señal captada y altera su sensibilidad.
En cuanto a seguridad estructural de torres de alta tensión y postes de tendido eléctrico, este modulo brinda información de la intensidad de sismos que afectan a cada estructura y mide su inclinación respecto al plano horizontal de modo de activar alarmas de eventos en caso que estos superen ciertos límites.
La antena detectora de campos magnéticos (10) (11), como su nombre lo indica, permite la detección de ondas magnéticas (B). Esta conformada por bobinas (normalmente tres, pero pueden ser más) orientadas en ángulos perpendiculares entre ellas de modo que definan un sistema de coordenadas X, Y, Z. Este arreglo de bobinas, dependiendo si va a estar muy cerca de la línea de transmisión de energía eléctrica puede ser ubicado en el interior de un compartimiento construido de extremadamente finas láminas de cobre o aluminio de modo de filtrar el campo eléctrico existente en el ambiente. De esta forma se asegura que las bobinas capturen solo campo magnético.
La antena detectora de campo eléctrico (12), como su nombre lo indica, permite captar campos eléctricos (E). Esta construida por dos placas de cobre o aluminio separadas por una lamina de mica u otro material que cumpla con las condiciones de dieléctrico, de modo de formar un condensador de placas paralelas.
A continuación se explicará en detalle el sistema de corrección de datos que utiliza el modulo ANT50 (Figura N° 1 y Figura N° 2), el cual viene dado por la medición del plano horizontal (ángulo de exposición de las antenas a las ondas de radio de baja frecuencia), vibración y la temperatura.
Debido a que la señal electromagnética captada por las antenas utilizadas en este proyecto (10) (1 1) (12) es muy sensible según la orientación y posición de las antenas en el espacio, se hace necesario la fabricación de un dispositivo que sea capaz de medir la posición de dichas antenas en el espacio de modo de saber en cada instante cuan confiable está siendo la medición o en su defecto, poder corregir dicha medición mediante un factor de corrección proporcional a la posición de la antena en el espacio. De esta forma el sistema no es afectado por la forma como se realice su instalación en terreno ni por movimientos y cambios de posición que experimente el sistema a lo largo del tiempo producto de contingencias diarias.
Para la fabricación de este dispositivo se ha utilizado un acelerómetro (13) de dos o más ejes configurado como medidor de inclinación de modo de poder definir el plano horizontal (X, Y), quedando algunas antenas formada por bobinas en el plano horizontal (X, Y) y otras en el plano vertical (Z) de dicho dispositivo y la antena formada por un condensador de placas paralelas por lo general en el plano horizontal (X, Y).
Debido a que el sistema utiliza antenas de campos magnéticos tipo bobinas y además amplificadores operacionales, la configuración señalada en su esencia se comporta como un elemento derivador por lo que es bastante sensible a cambios rápidos de posición en el tiempo, afectándole en gran medida las vibraciones. Para solucionar esto, se diseñaron filtros activos (limitadores, pasa bajo, pasa alto) y mediante software se realiza el procesamiento digital de señales para corregir el efecto vibratorio remanente. Además se incorporó en la base de las antenas un acelerómetro de dos o más ejes configurado como sensor de vibración de modo de detectar vibraciones de mayor intensidad en las antenas y en general del sistema, de forma de evitar que estas alteren la información electromagnética que detecte el sistema.
Debido a que los sensores utilizados para medir ondas eléctricas y magnéticas varían su sensibilidad dependiendo de la temperatura a que se encuentran, se ha ubicado en la base de las antenas (próximo a los sensores electromagnéticos) un sensor de temperatura (14) de modo de establecer un factor de corrección. De esta forma, se busca lograr que la señal medida por la antena ya sea de campo eléctrico o magnético sea independiente de la temperatura.
Cabe mencionar que debido a que existen sistemas eléctricos de 50 Hz y 60 Hz, el módulo ANT50 será denominado indistintamente por ANT50 o ANT56. La figura N° 1 muestra el diagrama funcional del módulo ANT50, donde la antena CB horizontal (10) y la antena CB vertical (1 1) son las antenas encargadas de captar las componentes del campo magnético tanto en el eje horizontal como vertical. Para ello se utilizan bobinas de distintos valores de modo que la relación señal a ruido sea lo mayor posible. La disposición de ellas en el espacio va a depender de la forma que se quiera dar al lóbulo de sensibilidad de la antena, por ejemplo, si se desea dar una forma de dona al lóbulo se dispondrá de dos bobinas perpendiculares en un mismo plano. Se pueden utilizar tres bobinas perpendiculares entre si de modo que la medición sea independiente de la posición del sistema en el espacio. En otras palabras, existen muchas configuraciones dependiendo de donde va a estar ubicado el sistema, tipo de red de energía y ondas electromagnéticas a las que se desea dar mayor interés. En la Figura N°6 se observa un arreglo de antenas trifásico diseñado para líneas de distribución de modo de extraer información de cada fase en estudio. Este arreglo consta de una estructura horizontal (85) en cuyo interior se ubican tres bloques (86) que representan bobinas (10) y condensadores de placas paralelas (12) dispuestos horizontalmente, cuya información se envía al modulo ANT50 ubicado en el compartimiento inferior (80), para que luego este conjunto de elementos quede unido a la caja principal (82) por medio de la estructura vertical (81).
La Antena Campo Eléctrico (12) es la encargada de captar el campo eléctrico utilizando para ello un condensador de placas paralelas de material cobre o aluminio; El sensor Plano Horizontal (13) es el encargado de medir el plano horizontal de modo de establecer el ángulo de radiación de las antenas o ángulo de exposición que tienen las antenas a los campos electromagnéticos, utilizándose para ello un acelerómetro de dos o más vías configurado como sensor de inclinación; El Sensor de Temperatura (14) entrega la temperatura a la cual están las antenas de modo de poder realizar posteriormente correcciones de ruido térmico; El Link Análogo o Digital (15) es la unión o forma de transportar datos que existe entre el módulo ANT50 y el módulo RF50 (Figura N° 3); Por último, Power (16) es la alimentación de energía del módulo ANT50.
En la Figura N° 2, se presenta la vista superior del módulo ANT50, en donde se aprecia que los bloques (10), representan los sensores tipo antenas confeccionados por inductancia o bobinas orientadas de forma horizontal y perpendicular entre si; El bloque (1 1) representa la inductancia orientada de forma vertical; El bloque (12) representa el condensador de placas paralelas; El bloque (5) representa el resto de los sensores de vibración, temperatura y electrónica en general utilizada por el módulo ANT50. Filtro de Campo Eléctrico:
Considerando que en mediciones a corta distancia de una fuente de ondas electromagnéticas los campos eléctricos pueden ser lo suficientemente fuertes como para alterar las mediciones de campo magnético, aumentando de esta forma el error en las mediciones, se ha incorporado al diseño del sensor de campo magnético (10) (11) una jaula metálica de modo que dicha jaula pueda bloquear al campo eléctrico y lo lleve a tierra, dejando pasar a su interior solo el campo magnético el cual será captado por los sensores de campos magnéticos ubicados en su interior.
Cabe destacar que el filtro eléctrico mencionado por lo general no se utiliza para cubrir sensores magnéticos, ya que por ser de composición metálico presenta alteraciones al campo magnético debido a que este al pasar por el metal induce corrientes, lo cual distorsiona el campo y atenúa su intensidad. Para dar solución a esto y asegurar que la atenuación y distorsión sea mínima, se ha diseñado la jaula metálica para que sea de mínimo espesor, siendo muy bueno para ello la utilización de papel de aluminio o cobre, pinturas metálicas o pinturas conductoras.
Finalmente, luego de todo el proceso explicado anteriormente, los sensores magnéticos (10) (11) ubicados al interior de la jaula metálica pueden medir un campo magnético libre de contaminación de campo eléctrico.
Módulo RF50:
El módulo RF50 (Figura N° 3) esta encargado de realizar todas las actividades de amplificación y filtrado de ondas de radio de baja frecuencia y su posterior procesamiento digital para obtener finalmente los parámetros de voltaje, corriente, frecuencia, factor de potencia, potencia aparente, potencia activa, potencia reactiva, dirección de corriente, etc. En forma adicional, este módulo permite medir otras variables secundarias del propio módulo RF50 como posición en el espacio, temperaturas, vibraciones, y realizar comunicación serial con dispositivos periféricos.
El módulo RF50 utiliza sensores tipo antena (10) (1 1) (12) para captar o detectar ondas de radiofrecuencia emitidas por líneas y equipos de generación y transmisión eléctrica. Se utilizan varios tipos de antenas dependiendo si lo que se desea captar son ondas eléctricas o magnéticas.
Para captar ondas eléctricas (E) se ha utilizado un condensador de placas paralelas (12) y para captar ondas magnéticas (B) se ha utilizado un solenoide (10) (11) en donde la ganancia propia de dichos dispositivos viene dada por sus dimensiones físicas y por los materiales utilizados en su construcción.
Posteriormente, es decir, una vez captada la señal de antena eléctrica o magnética, se le aplica a estas señales varias etapas de filtrado y amplificación (29 a 36) de modo de obtener una señal más limpia, bien definida y de mayor valor. Para ello utiliza arreglos de amplificadores operacionales configurados como filtros limitadores, filtros pasa bajo y filtros pasa alto de modo de detectar, sintonizar y filtrar a la señal electromagnética, eliminando el ruido y vibración existente en ella.
Incluye un arreglo de resistencias las cuales al ser interconectadas mediante un switch digital permite generar una resistencia equivalente variable, la cual es utilizada para controlar la ganancia de un amplificador operacional y asi controlar la ganancia de cada canal de recepción. Posteriormente la señal resultante ingresa a un microprocesador (43) el cual mediante procesamiento digital de señales logra disminuir aun más su ruido y vibración remanente, para finalmente medir la amplitud, frecuencia, desfase de cada señal hasta obtener finalmente los parámetros de voltaje, corriente, frecuencia, factor de potencia, potencia aparente, potencia activa, potencia reactiva y dirección de la corriente.
Respecto a tecnología, en este módulo se han diseñado filtros análogos y digitales para estabilizar y filtrar la señal provenientes de las antenas de modo de evitar distorsiones por vibración. Por otro lado, toda la electrónica de detección de señales de sensores tipo antenas, filtros análogos y hasta llegar al conversor A/D (incluido) se encuentran levantados de tierra de modo de mantener dicha señal sobre el nivel de ruido eléctrico que llegase a entrar desde el exterior, logrando que la señal se mantenga limpia de ruido.
Respecto a la posibilidad de brindar calidad de servicio eléctrico, este módulo cuenta con un segundo procesador el cual se encarga mediante un software propio de monitorear exclusivamente la frecuencia de cada canal, logrando analizar los transientes de la red de energía y observar su propagación en la misma, estimando causas de fallas o perturbaciones en las redes eléctricas.
En la figura N° 3, se observa el diagrama funcional del módulo RF50, donde se destaca que en el diagrama se utilizaron 3 canales de entrada para medir ondas de radio de baja frecuencia, pero que en la práctica pueden utilizarse todos los que se necesiten y que respeten las limitaciones de los procesadores (43). También cabe destacar que debido a que este invento se utiliza tanto en sistemas eléctricos de 50 Hz como de 60Hz, el módulo RF50 será denominado indistintamente como RF50 o RF56.
En la misma figura, se incluye el sensor Magnético Horizontal
(10), Vertical (11) y de Campo Eléctrico (12), sensores encargados de captar las componentes magnéticas horizontal, vertical y la componente eléctrica de una onda electromagnética; Sensor Plano Horizontal (13) y de Temperatura (14) son sensores que permiten determinar la posición de la antena en el espacio y su temperatura respectivamente, de modo de poder aplicar factores de corrección según la posición de la antena en el espacio y de su temperatura; Sensor Plano Horizontal2 (25) y de Temperatura2 (26) son sensores auxiliares utilizados para diversos fines como por ejemplo temperatura de la tarjeta RF50 o posición en el espacio del poste que soporta al sistema, etc; Sensor Temperatura Auxiliar (27) es una entrada que permite conectar un sensor de temperatura externo, de modo de medir la temperatura de funcionamiento de una batería o fuente de alimentación externa; Localizador (37) es un método que se ejecuta por medio de un programa, permitiendo localizar en terreno de forma adecuada al sistema, es decir, indica si el lugar donde se ha instalado el sistema permite el calculo de voltaje, corriente, dirección de corriente y frecuencia, etc. Para ello, al activarse esta función se chequean diversas características de la señal recibida por la antena receptora de ondas electromagnéticas. La respuesta que entrega esta función es positiva si el equipo medidor se encuentra en un lugar adecuado o negativa en caso contrario.
Control de Ganancia de Antena (28) permite cambiar la ganancia de la antena en la etapa de amplificación y filtrado de modo que su recepción sea siempre óptima, utilizando para ello un arreglo de resistencias las cuales al ser interconectadas mediante un switch digital permite generar una resistencia equivalente variable, la cual es utilizada para cambiar la ganancia de un amplificador operacional y asi controlar la ganancia de cada canal de recepción, lo cual otorga un incremento de ganancia muy fino, permitiendo que el sistema perciba señales electromagnéticas que van desde lo sutil hasta de gran intensidad. Esta característica permite al sistema ser versátil, logrando que pueda ser instalado tanto cerca (91) como lejos de una red de energía (93), o desde líneas menores a 12kV y hasta líneas de 500 kV o más. En la Figura N° 7 se presenta la instalación en terreno del sistema, en donde se observa un segmento típico de una postación eléctrica caracterizada por un poste eléctrico (90), líneas de distribución de energía eléctrica (92). La instalación del sistema puede ser realizada en una torre de alta tensión, postación del tendido eléctrico (91) o simplemente en su propio soporte a cierta distancia (94) de cualquier red de energía (93).
Etapa de Amplificación y Filtrado (29 a 36) permite amplificar y filtrar la señal proveniente de los sensores de modo de adecuarla para ser procesada posteriormente por un microprocesador (43); El multiplexor (38) se encarga de reunir toda esta información proveniente de sensores, para luego enviarla al Conversor CAD (transforma señal análoga en digital) (40) según ordene el microprocesador (43) por medio del control del multiplexor (39); Chequeo de Parámetros Internos de Funcionamiento (42) es un circuito que permite chequear parámetros internos del módulo RF50 necesarios para su óptimo funcionamiento. Por ejemplo, permite chequear el voltaje de alimentación, voltaje de referencia del CAD (40) (Conversor Análogo Digital) y funcionamiento de referencias de voltaje utilizadas para la calibración del invento. De esta forma se asegura que las mediciones sean electrónicamente siempre confiables; Comunicación Serial (44) y Comunicación UCR (45) permiten al módulo RF50 comunicarse con periféricos externos como un PC, MODEM, Módulo UCR, equipo de comunicación GPRS, celular u otro dispositivo de modo de poder leer la información obtenida de forma remota, tomar control manual o setear parámetros internos del equipo medidor; Micro Procesador n°2 (46) permite monitorear de forma continua y exclusiva la frecuencia de los canales de entrada de modo de detectar transientes y perturbaciones en las líneas de redes eléctricas, brindando de esta forma calidad de servicio. Esta información es enviada al micro procesador principal (43), el cual se encarga de analizar dicha información; Power (41) suministra la energía necesaria al módulo RF50 para su funcionamiento; Alarmas (47) es el sistema de alarmas del equipo para lo cual existen de dos tipos. Las alarmas de eventos de seguridad, son aquellas que aseguran que el equipo una vez instalado no sea abierto o movido de su lugar de instalación. Para ello se utiliza un tamper en la tapa principal de modo de activar una alarma si esta es abierta y además se utiliza un acelerómetro configurado como sensor de inclinación de modo que si el equipo es movido del lugar de instalación sin autorización, este movimiento active una alarma. Por otro lado están las alarmas de eventos técnicos, las cuales se activan si hay cambios significativos en las señales o parámetros que se requiera supervisar como por ejemplo voltaje, corriente, dirección de corriente, frecuencia, factor de potencia, potencia aparente, potencia activa y reactiva. Cabe mencionar que todas las alarmas mencionadas pueden ser enviadas por medio del módulo UCR a un equipo remoto para su supervisión y control a distancia; Ruido EM (48) permite medir el ruido electromagnético presente en el interior del sistema de modo de validar las mediciones de parámetros que determina el sistema. Método para dar Confíabilidad a la Medición de Parámetros de Redes Mediante la Detección de Contaminación o Ruido Electromagnético (48):
En general, los equipos de medición que se ubican cerca de grandes campos electromagnéticos pueden presentar alteraciones en sus mediciones, perdida de precisión e incluso presentar daños en su electrónica debido a la influencia desde el exterior de estos campos. Para equipos medidores de campos electromagnéticos se define como ruido o contaminación electromagnética a todo aquel campo electromagnético que ingrese al equipo medidor por una vía distinta a la antena receptora destinada para medir estos campos. Por ejemplo el ruido electromagnético podría entrar al equipo a través de los cables que van a la batería, a través de los cables que vienen del panel solar, por los campos que traspasan el gabinete que contiene al equipo, etc.
Una de las soluciones que se emplea actualmente para solucionar esto es la utilización de blindajes electromagnéticos, que por lo general funcionan, pero siempre hay algo de esta contaminación que ingresa al interior, contaminando la electrónica, en otras palabras, estos campos pueden ser atenuados pero no eliminados.
Debido a que el sistema descrito en esta memoria estará ubicado por lo general muy cerca de líneas de alta tensión, sometido a fuertes campos electromagnéticos, se ha incorporado al sistema un método y dispositivo (48) que se implementa a través de un software que corre en el procesador principal para medir el ruido electromagnético interno que este presente en la electrónica y asi asegurar la confiabilidad de la medición de parámetros de redes. Para ello, el método se basa en que cada antena receptora de campos electromagnéticos, tanto bobinas como condensadores de placas paralelas que utiliza el sistema, posee por su construcción física y materiales una ganancia propia que le permite captar las señales electromagnéticas en estudio. Si se cortocircuita a cada antena, esta ganancia propia será prácticamente nula, por lo que no podrá captar señales electromagnéticas y en consecuencia el sistema arrojará como resultado un valor de medición que debiera ser cercano a cero, valor que representará al nivel de ruido presente en la electrónica del sistema. Si se cancela el cortocircuito mencionado, las antenas recuperaran su ganancia propia y el sistema quedará habilitado nuevamente para medir señales y arrojará valores medidos de parámetros de líneas. Si la diferencia existente entre el resultado que arroja el sistema cuando esta presente el cortocircuito en las antenas y cuando no lo esta es significativo (Valor medición parámetro » Valor medición Ruido), se puede decir que los valores que arroja el sistema de medición son confiables, en caso contrario, el sistema deberá ser reubicado, es decir, trasladado a otro lugar en donde los campos electromagnéticos sean de menor intensidad.
Para realizar con éxito el cortocircuito mencionado se ha utilizado un dispositivo que puede ser un switch digital o relé, el cual debe presentar una baja resistencia de contacto, de preferencia cercana a 1 Ohm, asegurando que la resistencia que presenta el cortocircuito sea lo menor posible y de esta forma que el cortocircuito sea efectivo y logre llevar a valor nulo la ganancia propia de cada sensor de campo electromagnético del sistema.
Módulo UCR:
El módulo UCR es la unidad de control remoto, o de transmisión de datos, la cual se utiliza en aplicaciones donde es necesario poder controlar a distancia variables, procesos, realizar lectura de sensores, etc. Para ello cuenta con su principal característica que es su extremo bajo consumo, lo cual se logra debido a la elección de materiales de última generación, programación y diseño electrónico que le permite ahorrar energía manteniendo apagados los procesos y periféricos mientras no se utilicen, lo cual es muy útil a la hora de utilizar paneles solares o baterías como medio de suministro de energía.
Siguiendo con su diseño eléctrico, este módulo posee una tecnología que le permite mantener estable el desempeño del microprocesador, haciéndolo inmune al ruido eléctrico. Para ello, divide la fuente de alimentación de energía y filtros en dos, una de ellas exclusiva para la electrónica y microprocesador y la segunda para la etapa de potencia y manejo de periféricos externos de gran consumo, asegurando de esta forma que la capacidad equivalente que observa la electrónica sea siempre la adecuada.
En cuanto a programación, este módulo se caracteriza por ser altamente configurable y programable de modo de adecuarse a la mayor cantidad de usos y situaciones posible en donde se requiera obtener comunicación o acceso remoto. Posee software interno que hace que las comunicaciones sean eficientes, ahorrando con ello tiempo, dinero y energía.
En cuanto a su función principal, este módulo se comporta como un dataloger en donde recibe la información del módulo RF50 (Figura N° 3), almacena dicha información y le asocia a una estampa de tiempo que proviene de un clock interno del microprocesador UCR (55) o puede provenir de un clock de GPS externo conectado en alguna de sus entradas, destacando su gran capacidad de memoria que le permite guardar datos por tiempo prolongado en caso de no existir comunicaciones frecuentes. En cuanto a comunicaciones, este módulo posee la capacidad de manejar entre otros un MODEM GPRS estableciendo comunicación remota con otro equipo a distancia para enviar la información retenida en su memoria, o proveniente directamente del módulo RF50 (Figura N° 3) o para realizar control a distancia y seteos del equipo.
Aparte de lo mencionado, el equipo UCR posee amplia variedad de entradas y salidas de modo que pueda adaptarse a una gran cantidad de tareas.
La figura N° 4, muestra el diagrama funcional del módulo UCR, en donde se aprecia que la UCR posee distintos tipos de salida para controlar periféricos externos, como por ejemplo, la salida regulada (50) que es una salida a voltaje fijo; una salida DC (51) que permite que el voltaje de salida sea igual al de la entrada pero filtrado; un Relé S itch (52) que permite activar periféricos externos; Relés Externos (53) que permite controlar variados tipos de relés externos.
Temperatura Externa (54) permite medir la temperatura de un proceso externo a la UCR como por ejemplo supervisar una batería; Temperatura Interna (57) es la temperatura de la UCR; Microprocesador UCR (55) es el encargado de realizar y controlar todas las tareas y procesos programados en la UCR mediante software; Power AC y DC (56) es el ingreso de la corriente de alimentación de la UCR; Retorno DC (59) es un retorno del ingreso de corriente a la UCR de modo de poder alimentar otros módulos que trabajen en conjunto con la UCR.
En cuanto a salidas de información, la UCR por medio de un multiplexor (58) permite comunicarse con otros microprocesadores por medio de los puertos COMI USART (60) y COM2 USART (61); Posee comunicación mediante Shift Registers (62) con el módulo RF50, y comunicación con puertos RS232 mediante COMI RS232 (63) y COM2 RS232 (64).
Armado del Sistema:
En la Figura N° 5, se presenta la vista general del sistema descrito en esta memoria, el cual se constituye al integrar todos los módulos mencionados anteriormente, es decir, módulo ANT50, módulo RF50, módulo UCR. Cabe mencionar que en la práctica y a modo de pruebas se ha utilizado un prototipo confeccionado en base a un tubo de PVC para integrar el sistema descrito, pero que por motivos de blindaje electromagnético y robustez en la instalación, se sugiere la utilización de lo que se presenta en la figura N° 5, en donde la estructura superior (80) representa el lugar donde se instala el módulo ANT50. La estructura vertical (81) representa la unión existente entre el módulo ANT50 (80) y la caja principal o gabinete (82), la cual contiene en su interior los módulos RF50, UCR, batería, cargador solar, etc. La estructura inferior (83) representa el panel solar necesario para suministrar energía a todo el sistema. Finalmente la estructura lateral (84) representa la unión metálica que sujeta el panel solar (83) con la caja contenedora o gabinete (82).
Descripción Teórica:
En la actualidad, las redes de energía y en especial los equipos eléctricos que se utilizan para la generación y transmisión de energía eléctrica emiten en mayor o menor intensidad ondas de radio de baja frecuencia, centradas en 50 o 60 Hz. Estas ondas irradiadas al ambiente, denominadas como ondas de radio de baja frecuencia presentan componentes eléctricas y componentes magnéticas denominadas por las letras E y B respectivamente, donde las ondas eléctricas E son generadas por la existencia de una fuente de voltaje y las ondas magnéticas B son generadas por la circulación de una corriente eléctrica.
Dado lo anterior, si se ubica un punto en el espacio denominado por P, a una cierta distancia de una línea eléctrica (red de energía), equipo de generación o transmisión de energía eléctrica denominado por O, es posible medir en dicho punto P las ondas eléctricas y magnéticas emitidas por el punto O atenuadas por un cierto factor debido a la distancia (106) (11 1).
Según lo descrito, si en el punto O, al realizar mediciones con un instrumento medidor de conexión física se obtienen los parámetros de voltaje, corriente, dirección de corriente, frecuencia, etc, es de esperar que al utilizar el sistema descrito en esta memoria, ubicado en el punto P, puedan obtenerse los mismos parámetros.
Determinación y Calibración de los Parámetros de Voltaje y Corriente:
Según lo descrito anteriormente, para transformar estos campos eléctricos y magnéticos en su correspondiente voltaje y corriente de una línea de la red de energía, de modo que estos a su vez permitan la obtención de otros parámetros de la línea como frecuencia, dirección de la corriente, potencia aparente, potencia activa y reactiva, etc, es necesario la utilización de un parámetro físico que indique la distancia (94) existente entre los puntos O y P descritos con anterioridad (106) (11 1). En la actualidad, determinar la distancia entre estos puntos puede resultar complejo, ya que las líneas de la red por estar energizadas, no permiten que se las pueda tocar y en muchos casos no es posible acercarse a ellas.
Un método tradicional para determinar esta distancia (94) consiste en utilizar instrumentos de medición como los medidores de distancia láser, utilizados en topografía, los cuales presentan el inconveniente de que en un día soleado es bastante complicado y a veces imposible determinar distancias mayores a 25 metros, suponiendo que se debe apuntar con el láser al cable o línea eléctrica en estudio.
Cálculo de Distancia mediante Diferencial de Campo Eléctrico:
Como una forma de dar solución al problema planteado, se crea un método innovador que se incorpora al sistema mediante un software que se ejecuta en el microprocesador principal, el cual determina la distancia (o factor de atenuación) existente entre los puntos O y P (94) mediante la diferencia del campo eléctrico medido en dichos puntos.
Para ello, este método se basa en el hecho de que en la actualidad existen diferentes tipos de líneas de una red eléctrica caracterizadas cada una de ellas por presentar voltajes específicos y para efectos prácticos constantes. Por ejemplo, existen líneas de 12 kV, líneas de 110 kV, líneas de 220 kV, de 500 kV, etc. Además, estos tipos de línea son identificables a simple observación por una persona entendida en el tema o por planos del sistemas de transmisión, sub transmisión o distribución, es decir, son identificables sin realizar ninguna medición eléctrica en la línea en estudio y sin entrar en contacto con ella.
El método propuesto para este sistema, supone que cada tipo de línea de una red eléctrica presenta un voltaje característico y de amplitud máxima constante, y por consiguiente presenta un campo eléctrico definido y de amplitud máxima constante, el cual experimenta una atenuación conocida en la medida que nos alejamos de la línea (109). Dado lo anterior, basta con medir las amplitudes máximas de los campos eléctricos en los puntos en estudio O y P para obtener la distancia entre ellos o el factor de atenuación. Posteriormente, y dado que el campo magnético también experimenta una atenuación en la medida que nos alejamos de la línea (103), se utiliza la distancia calculada (o factor de atenuación) mediante el campo eléctrico para ajustar la razón de transformación de campos magnéticos en corriente (de red de energía) con que se calibro el sistema en el laboratorio.
Finalmente, este método permite ubicar al sistema en cualquier punto cercano a una línea de red de energía y mediante el solo ingreso de información del tipo de línea que se esta midiendo (12 kV, 100 kV, 220 kV, 500 kV), es decir, sin medir, ni conocer, ni ingresar la distancia existente entre el sistema y la línea en estudio (94), lograr calibrar y determinar los parámetros eléctricos de la línea referidos a corriente, voltaje, frecuencia, factor de potencia, potencia aparente, potencia activa y reactiva, dirección de corriente, etc.
Campo Magnético Producto de un Conductor:
La ley de Ampere, relaciona la componente tangencial del campo magnético alrededor de una curva cerrada C con la corriente (i) que atraviesa dicha curva, lo que matemáticamente se expresa según la siguiente formula.
Figure imgf000020_0001
Si se supone que el cable es infinitamente largo y rectilíneo por el cual circula una corriente (i), entonces se obtiene que.
Β - 2 - n - r = μ0 - i (102)
Donde r es la distancia del cable al punto donde se desea medir campo magnético B.
Si además se supone que hay más de un cable, se puede expresar que.
BT = ^- - l (103) Campo Magnético Producto de una Inductancia:
Si se considera el campo magnético de una inductancia se obtiene que.
Donde N es el número de vueltas de espiras de la bobina, L es el largo de la bobina e iB es la corriente que circula por la bobina.
Considerando que en el punto medido el campo magnético es el mismo y que además se cumplen las ecuaciones (103) y (104) se obtiene que.
^.¿i=^ (105)
Despejando un poco la ecuación, queda lo siguiente.
BT = = 2^ - iB (106)
Arreglando la ecuación anterior se obtiene que.
IL = a - iB (107)
Donde la corriente que circula por la línea IL es directamente proporcional a la corriente que circula por la inductancia iB y poseen la misma forma de onda.
Campo Eléctrico Producto de un Conductor:
El campo eléctrico es un campo físico, representado por la interacción entre los cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Matemáticamente se lo describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor q es afectada por una fuerza eléctrica F.
Para cables eléctricos de gran longitud, cuya densidad lineal de carga esta dada por λ, el campo eléctrico resultante es perpendicular al cable.
Si se considera un punto en el espacio separado a una distancia R perpendicular al cable en donde cada carga del cable presenta un ángulo de mira a dicho punto en el espacio dado por Θ y distancia r, se puede calcular el campo E en el punto en el espacio dado por la siguiente ecuación.
E = ¡dE * cos0 = ¡^ * *r = 2 * k * ¿ * ^ = 2^ *^ (108)
Dado que hay más de un conductor, el campo eléctrico total de los conductores es.
" λ
ET = 2 * k *∑^- (109) Campo Eléctrico Producto de un Condensador de Placas Paralelas:
Para determinar los parámetros de voltaje de la red, se utiliza el modelo de condensador de placas paralelas, el cual presenta una superficie S y una separación entre las placas dado por una distancia d. Además supone la existencia de un medio dieléctrico entre las placas donde ε es la permitividad del vacío. Según lo anterior, la tensión entre las placas del condensador (V) se define como la integral de línea del campo eléctrico existente entre las placas según se detalla en la siguiente ecuación.
d
V = ¡Edz = E * d (1 10) o
Voltaje Inducido por un Conductor:
Considerando los supuestos (109) y (110) y dado que el campo eléctrico en el punto medido es el mismo, se obtiene que,
ET = 2 * k *∑^- = - (111)
M Kj d
Arreglando la ecuación anterior se obtiene que.
VL = a - V (1 12)
Donde el voltaje de la línea VL es directamente proporcional al voltaje existente en el condensador de placas paralelas V y poseen la misma forma de onda.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Sistema que permite determinar parámetros y dar observabilidad a una red de energía sin realizar contacto y a distancia variable de ella, a partir de la detección de ondas de radio de baja frecuencia que emite dicha red. Utiliza como medio de energía un panel solar, cargador y baterías, CARACTERIZADO porque incluye:
a) Un sensor de aceleración ubicado en la base de las antenas de campos electromagnéticos, configurado como sensor de inclinación (13) y que en conjunto con filtros activos y software de procesamiento digital de señales que se ejecuta en microprocesador (43) del sistema, permite determinar el horizonte y el ángulo de exposición de las antenas a la radiación electromagnética.
b) Un sensor de aceleración ubicado en la base de las antenas de campos electromagnéticos, configurado como sensor de vibración (13) y que en conjunto con filtros activos y software de procesamiento digital de señales que se ejecuta en microprocesador (43) del sistema, permite evitar que las vibraciones de las antenas mencionadas alteren las mediciones de campos electromagnéticos.
c) Un sensor de temperatura (14) ubicado en la base de las antenas de campos electromagnéticos que en conjunto con un software que se ejecuta en microprocesador (43) del sistema, permite corregir los efectos de la temperatura en las antenas.
d) Arreglos de amplificadores operacionales configurados como filtros activos limitadores, pasa bajo y pasa alto de modo de lograr detectar, sintonizar y filtrar a la señal electromagnética y eliminar los efectos de las vibraciones de las antenas electromagnéticas.
e) Arreglos de antenas magnéticas y eléctricas de diversas configuraciones, formas, disposiciones y materiales, según ubicación del sistema, tipo de red de energía en estudio y ondas electromagnéticas de interés. Para líneas de energía de distribución trifásicas dispuestas en fila de forma horizontal (Figura N° 6) y para otras aplicaciones antenas magnéticas dispuestas de forma perpendicular entre ellas y en el mismo plano (Figura N° 2).
f) Arreglo de resistencias interconectadas mediante un switch digital para generar una resistencia equivalente variable la cual es utilizada para modificar la ganancia de un amplificador operacional y así controlar la ganancia de amplificación de cada antena de ondas electromagnéticas (28). g) Filtros de campo eléctrico formado por una jaula metálica de mínimo espesor, de formas, configuraciones y materiales específicos como papel de aluminio o cobre, pinturas metálicas o conductoras, conectada a tierra y que envuelve a los sensores magnéticos.
h) Un microprocesador (43) encargado de realizar todas las tareas de filtrado de señales, procesamiento digital de señales provenientes de las antenas electromagnéticas y determinación de parámetros de redes de energía, i) Un segundo microprocesador n°2 (46) del sistema, de uso exclusivo para brindar calidad de servicio eléctrico al analizar los transientes y perturbaciones de la red eléctrica a través de información recibida de las antenas de ondas electromagnéticas y otros sensores de vibración, inclinación y temperatura. Adicional a esto, envía alarmas de eventos y resultados obtenidos al microprocesador (43) principal del sistema.
j) Alarmas de eventos técnicos, monitorea los parámetros de redes en estudio y envía alertas de forma remota, basado en un software que corre en microprocesador (43) del sistema y que analiza dicha información,
k) Alarmas de eventos de seguridad, que detecta el robo del sistema y envía eventos (alertas), basado en un software que corre en microprocesador (43) del sistema y que recibe información de un dispositivo switch tipo tamper ubicado en tapa principal del gabinete que contiene al sistema y de un sensor de aceleración configurado como sensor de inclinación (movimiento).
1) Software que corre en microprocesador (43) del sistema y que en conjunto con dispositivo formado por un switch digital o relé de mínima resistencia de contacto (48) y las antenas de ondas electromagnéticas, permite detectar el ruido y contaminación electromagnética que afecta a la electrónica interna del sistema.
m) Software que corre en microprocesador (43) del sistema y que en conjunto con la información proveniente de las antenas de ondas electromagnéticas y otros sensores de inclinación, de vibración, temperatura y actuación de dispositivo utilizado para medir el ruido y contaminación electromagnética en interior del sistema (48), permite analizar las ondas de radio de baja frecuencia determinando el lugar óptimo para instalar el sistema.
n) Software que corre en el microprocesador (43) de sistema y que en conjunto con las antenas de ondas electromagnéticas, sensores de vibración, inclinación y temperatura, permite calibrar y determinar parámetros eléctricos de la red de energía sin utilizar para ello el parámetro distancia (94), es decir, lográndolo a través de la diferencial de campo eléctrico detectada por la antena de campo eléctrico (12).
ñ) Unidad de control remoto UCR que mediante software que corre en microprocesador UCR (55) permite datalogear datos y realizar comunicaciones remotas vía GPRS u otro medio. Además posee apagado de periféricos que no estén en uso, permitiendo un desempeño óptimo con sistemas de energía solar, o) Chequeo de parámetros internos de funcionamiento (42) como voltaje de alimentación, voltaje de referencia del CAD (40) y estado de referencias de voltaje utilizadas para la calibración del sistema.
p) Diversos softwares y procesamiento digital de señales para realizar tareas específicas.
2. - Arreglo de resistencias según la reivindicación N°l, CARACTERIZADO por permitir ubicar al sistema a distancia variable de la red de energía en estudio y brindar la posibilidad de trabajar con distintos tipos de redes que van desde valores inferiores a 12kV y hasta 500 kV y más.
3. - Unidad de control remoto UCR que permite datalogear datos y realizar comunicaciones remotas según la reivindicación N°l, CARACTERIZADO por dividir la fuente de alimentación de energía en dos, una de ellas exclusiva para la electrónica y microprocesador y la segunda para la etapa de potencia y manejo de periféricos externos de gran consumo, asegurando de esta forma que la capacidad equivalente que observa la electrónica sea siempre la adecuada y permita el filtrado de ruido eléctrico en todo punto del circuito e instante.
4. - Sistema según la reivindicación N°l, CARACTERIZADO por poseer gran cantidad de entradas y salidas opcionales para a futuro permitir realizar múltiples estudios en redes de energía tanto aéreas como subterráneas.
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