Desenvolvimento de um sistema modular e flexível de baixo custo para a monitorização da qualidade da energia eléctrica e gestão da energia consumida. O sistema funcionando em aquisição contínua regista em ficheiro os eventos que resultam da detecção de anomalias relacionadas com a qualidade da energia eléctrica. A informação adquirida pode ser visualizada em tabelas e/ou em gráficos, e a partir daí gerar relatórios no formato HTML (HyperText Markup Language). Neste formato, os relatórios, além de poderem ser enviados directamente para a impressora ou inseridos noutras aplicações do Windows, podem também ser acedidos através da Web utilizando um browser. O monitorizador desenvolvido pode ser incluído num sistema integrado de gestão de energia, aproveitando as potencialidades que o LabVIEW possui para criar aplicações associadas à tecnologia Internet, como por exemplo, implementar acesso remoto a sistemas de aquisição de dados, emitir alarmes em situações criticas, ou mesmo utilizar tecnologia sem fio.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - POCTI/ESE/41170/2001

Afonso, João L.

Batista, José

Martins, Júlio S.

Universidade do Minho: RepositoriUM

LabVIEW Monitoriza a Qualidade da Energia Eléctrica Sistema de Monitorização da Qualidade da Energia Eléctrica  Baseado em PC José Batista *              Júlio S. Martins **             João L. Afonso ** 1.  Produtos Utilizados NI LabVIEW 7.1 Express Professional Development Version, NI-DAQ 6.9.2f, Internet Toolkit, Carta de Aquisição de Dados MIO-PCI-6024E, cabo SH68, conector SCSI 2. 2.  O Desafio Desenvolvimento de um sistema modular e flexível de baixo custo para a monitorização da qualidade da energia eléctrica e gestão da energia consumida. O sistema funcionando em aquisição contínua regista em ficheiro os eventos que resultam da detecção de anomalias relacionadas com a qualidade da energia eléctrica. A informação adquirida pode ser visualizada em tabelas e/ou em gráficos, e a partir daí gerar relatórios no formato HTML (HyperText Markup Language). Neste formato, os relatórios, além de poderem ser enviados directamente para a impressora ou inseridos noutras aplicações do Windows, podem também ser acedidos através da Web utilizando um browser. O monitorizador desenvolvido pode ser incluído num sistema integrado de gestão de energia, aproveitando as potencialidades que o LabVIEW possui para criar aplicações associadas à tecnologia Internet, como por exemplo, implementar acesso remoto a sistemas de aquisição de dados, emitir alarmes em situações criticas, ou mesmo utilizar tecnologia sem fio. 3.  Solução O sistema de monitorização foi desenvolvido na plataforma LabVIEW utilizando um PC, um sistema DAQ e um módulo de hardware desenvolvido para atenuar e isolar electricamente os sinais da rede eléctrica a medir. A emissão de relatórios no formato HTML foi desenvolvida recorrendo às funções “Report Generation” disponibilizadas pelo LabVIEW. Existe ainda a possibilidade de executar as aplicações remotamente recorrendo à ferramenta “Web Publishing Tool”, também do LabVIEW. PC com Carta deAquisição de DadosSensores deTensão eCorrenteRelatóriosHTMLe E-mailsRSTNGAplicaçõesem LabVIEWInternetImpressora Fig.1 - Diagrama de blocos do sistema de monitorização 4.  Introdução A qualidade da energia eléctrica é, actualmente, um assunto de grande interesse, que envolve tanto as empresas produtoras de energia, quanto os consumidores e fabricantes de equipamentos. Normas internacionais relativas ao consumo de energia eléctrica, tais como IEEE 519, IEC 61000 e EN 50160, limitam o nível de distorção harmónica nas tensões com os quais os sistemas eléctricos podem operar, e impõem que os novos equipamentos não introduzam na rede harmónicos de corrente de amplitude superior a determinados valores. Mas os problemas de qualidade de energia não se restringem aos harmónicos. Outros fenómenos electromagnéticos nos sistemas eléctricos estão directamente associados à qualidade da energia eléctrica: transitórios, variações de curta e longa duração (sags, swells, interrupções, subtensões e sobretensões), desequilíbrios de tensão, distorção na forma de onda, flutuações de tensão e variações de frequência.  National Instruments – Portugal – publicação online 5.  Hardware do Sistema A base de trabalho do sistema desenvolvido assenta na utilização de um PC vulgar (Pentium III com SO Windows XP), uma carta de aquisição de dados e o software LabVIEW, da NI. Para a interface entre a rede eléctrica e a carta de aquisição de dados foi desenvolvido um módulo de hardware em duas versões. Uma versão do módulo destina-se a ser utilizado em laboratório. Neste módulo foram utilizados sensores de efeito Hall (LEM LV 25P para as tensões e LEM LTA 50P para as correntes). Para ligar o cabo da carta de aquisição ao módulo foi incluído um conector SCSI 2. A outra versão do módulo destina-se a ser utilizado na indústria. Este difere do outro apenas nos sensores de corrente utilizados, pois em vez dos sensores LTA 50P, são utilizados os medidores de corrente LEM ~flex II com escalas de 30 a 3.000 A. Na pratica, utilizando o primeiro módulo é necessário interromper o circuito, enquanto que o segundo módulo permite efectuar as medidas sem interromper o circuito.        Fig.2 - Sistema para utilizar em laboratório         Fig.3 - Sistema para utilizar em industria O sistema de aquisição de dados é baseado numa carta MIO-PCI-6024E (com o cabo blindado SH68), e no NI-DAQ 6-9.2f (actualmente as aplicações já foram testadas com o NI-DAQmx e a carta de série M PCI 6220 da NI). As principais características da carta de aquisição da dados utilizada são: 16 canais analógicos (8 em modo diferencial), resolução de 12 bits, taxa de amostragem de 200 ksamples/s, 8 linhas digitais de I/O, DMA, Interrupts ou I/O, tamanho da FIFO de 512 amostras [1]. 6.  Software do Sistema Depois de definidas as características e especificações gerais do sistema, seguiu-se uma metodologia top-down e modular no desenvolvimento do software, utilizando a linguagem de programação gráfica LabVIEW. O sistema assenta em quatro módulos de software desenvolvidos para o efeito, designados neste trabalho por aplicações, designadamente: “Eventos PQ”, “Grandezas Clássicas”, “Scope e THD“ e “Teoria p-q”. Foi ainda desenvolvida uma aplicação para configurar todo o sistema. 6.1  Aplicação “Eventos PQ” (Power Quality)  Esta aplicação executa, em modo contínuo, a aquisição dos 3 sinais de tensão fase-neutro (Van, Vbn e Vcn), do sinal de tensão neutro-terra (Vng) e de 4 sinais de corrente (Ia, Ib e Ic e In). Em simultâneo é executado todo o processamento necessário para elaborar os strip charts, detectar sags e swells, e detectar anomalias do tipo waveshape (medição da forma de onda), sendo a análise efectuada ciclo a ciclo, com 500 amostras por ciclo. Toda a informação importante é registada em ficheiro. Os períodos de monitorização do sistema eléctrico podem ser programados (de 1 minuto a 30 dias). No final das sessões, o sistema envia automaticamente dados via e-mail para vários destinatários. 6.2  Aplicação “Grandezas Clássicas” A designação “Grandezas Clássicas” deve-se ao facto de nesta aplicação serem analisadas as grandezas eléctricas que tipicamente são tratadas nos sistemas eléctricos. Estas grandezas são: valores RMS, fasores das tensões e das correntes (valores True RMS), desfasamentos, impedâncias (por fase), desequilíbrios de tensão e de corrente, factor de potência total e de deslocamento, factor de distorção, potências por fase e total (activa, aparente, reactiva e harmónica), energia activa (kWh) consumida e a “energia” reactiva (kVArh) em transito. A potência activa e reactiva são calculadas e os seus valores apresentados individualmente para cada fase e a soma das três, segundo a análise das potências para sistemas monofásicos com tensões sinusoidais e cargas não lineares. Os fasores e impedâncias são apresentados online (numericamente e em vectores), sendo calculados com a componente fundamental dos sinais. Uma das características interessantes desta aplicação consiste nos dois modos distintos de funcionamento: modo “Simulação” e modo “Aquisição”. No modo “Simulação” todas as grandezas em jogo são calculadas e visualizadas tendo como base sinais gerados em LabVIEW. Os parâmetros destes sinais (amplitude, frequência, e fase) são configurados pelo utilizador, podendo ser introduzidas as componentes harmónicas pretendidas para cada sinal. No modo “Aquisição” o tratamento é o mesmo, mas com sinais medidos através da carta de aquisição de dados, portanto sinais reais.  6.3  Aplicação “Scope e THD” Esta aplicação é um exemplo típico de instrumentação virtual, pois “imita” um osciloscópio digital com as suas principais funções básicas: base de tempo, escala vertical, trigger (slope, level e source) e readouts (frequência dos sinais, valores True RMS, valor DC, valor de pico a pico, etc). Tem a possibilidade de visualizar até 8 sinais simultaneamente, com uma taxa de amostragem de 25 kHz por canal. A este instrumento foi adicionada a função de cálculo e visualização da THD (Total Harmonic Distortion), incluindo todas as componentes harmónicas do sinal (amplitude, frequência e fase). Tem também a capacidade de gerar relatórios no formato HTML e registar dados (amostras dos sinais e componentes harmónicas) em ficheiros que podem ser manipulados directamente por outras ferramentas em Windows, como por exemplo o Matlab e o Excel.  Fig.4 - Painel Frontal principal da aplicação “Scope e THD” 6.4 Aplicação “Teoria p-q” Esta aplicação calcula os valores da Teoria p-q (Teoria da potência instantânea), que são extremamente úteis na análise de sistemas de potência trifásicos com problemas de qualidade de energia (nomeadamente harmónicos, reactivos e desequilíbrios de cargas). São ainda calculados os valores que seriam obtidos pela aplicação de um filtro activo paralelo ao sistema [2]. O software implementa em termos de simulação todos os cálculos envolvidos para o controlo deste filtro e pode visualizar simultaneamente todos os sinais em causa. Os sinais processados e visualizados são de três tipos: tensões, correntes e potências, e podem ser vistos na fonte, na carga e no filtro activo, nas coordenadas a-b-c ou α-β-0. Este sinais podem ser visualizados num instrumento semelhante ao indicado na Figura 2. A aplicação possui três modos distintos de funcionamento: − Modo Aquisição: todas as grandezas em jogo são processadas e visualizadas com sinais reais adquiridos pela carta de aquisição de dados. − Modo Simulação LabVIEW: possui as mesmas funcionalidades do modo aquisição, mas utiliza sinais gerados (simulados) com VIs do LabVIEW. Nestes sinais podem ser incluídas as componentes harmónicas desejadas.  − Modo Simulação Matlab/Simulink: neste modo a simulação e visualização dos sinais é efectuada em ambiente Matlab sem fechar a aplicação em LabVIEW. A simulação é executada através de um ficheiro desenvolvido em Simulink do tipo mdl. A principal utilidade desta aplicação é que permite compreender melhor alguns dos conceitos básicos da Teoria p-q aplicados à qualidade da energia eléctrica, aproveitando as grandes potencialidades da aquisição de dados, instrumentação virtual e representação gráfica de dados em LabVIEW. 7.  Conclusões  Com o desenvolvimento deste sistema, os autores identificaram as potencialidades da aquisição de dados associada à instrumentação virtual, utilizando a plataforma LabVIEW, no âmbito da monitorização da qualidade da energia eléctrica. Desde logo se constatou que uma plataforma deste tipo permite definir a interface com o utilizador, adaptar e configurar o sistema de modo personalizado, e sobretudo, tratando-se de um sistema com grande flexibilidade, pode ser facilmente readaptado e implementadas novas funções. No mercado existe um leque bastante variado de equipamentos para monitorizar a qualidade da energia eléctrica e/ou monitorizar o fluxo das potências em trânsito. Normalmente esses equipamentos apresentam-se com diversos modelos e módulos opcionais. Existem modelos portáteis e/ou fixos, sendo necessário em alguns casos utilizar um PC para fazer download e efectuar pós-processamento. Contudo, estes equipamentos são normalmente caros, e ao seleccionar-se um equipamento com altas performances e múltiplas funções, o seu preço cresce consideravelmente. Conclui-se com o desenvolvimento deste projecto que utilizando uma plataforma de custo reduzido é possível implementar um monitorizador de qualidade da energia eléctrica com as funcionalidades adequadas e muito útil para utilizar em ambientes industrias, comerciais e domésticos. 8- Contactos José Batista *  Júlio S. Martins **  João L. Afonso ** jbatista@ipb.pt  jmartins@dei.uminho.pt  jla@dei.uminho.pt  * Escola Superior de Tecnologia e de Gestão Instituto Politécnico de Bragança Campus de Stª. Apolónia, Apartado 134 Tel. +351 273 303183; Fax +351 273 313051 5301-857 Bragança - Portugal ** Departamento de Electrónica Industrial Universidade do Minho  Campus de Azurém Tel. +351 253 604705; Fax +351 253 604705 4800-058 Guimarães - PortugalAgradecimentos Os autores agradecem à FCT (Fundação para a Ciência e a Tecnologia), financiadora do Projecto POCTI/ESE/41170/2001. Referências [1] National Instruments, “DAQ 6023E/6024E/6025E User Manual - Multifuntion I/O Boards for PCI, PXI, and CompactPCI Bus Computers”, December 2000 Edition. [2] João Afonso, Carlos Couto, Júlio Martins, “Active Filters with Control Based on the p-q Theory”, IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, vol. 47, nº 3, Set. 2000, pp. 5-10. 

LabVIEW monitoriza a qualidade da energia eléctrica : sistema de monitorização da qualidade da energia eléctrica baseado em PC

http://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/1495/1/NI-05.pdf

LabVIEW monitoriza a qualidade da energia eléctrica : sistema de monitorização da qualidade da energia eléctrica baseado em PC

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Universidade do Minho: RepositoriUM