II CONGRESO LATINOAMERICANO DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA II CONGRESO LATINOAMERICANO DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA. CLADE 2012   EMPRESA U ORGANISMO: LABORATORIO ELÉCTRICO DE METROLOGÍA (LEM)-(lem@fi.uba.ar)- Departamento de Electrotecnia - Facultad de Ingeniería - Universidad de Buenos Aires PAIS - Argentina TÍTULO DEL TRABAJO: “INTERACCIÓN EN PRESENCIA DE CARGAS ALTAMENTE CONTAMINADAS EN SISTEMAS DE GENERACIÓN DISTRIBUIDA DE UN MEDIDOR PATRON DE ENERGÍA POLIARMÓNICO DE EXACTITUD MENOR AL 0,1 %” Trabajo relacionado con el Proyecto de Investigación Acreditado del LEM: UBASCyT Código Nº 20020100100876

Autores: 1.-CARLOS ALBERTO PEREZ, INGENIERO ELECTRICISTA (FIUBA), DIRECTOR DEL LABORATORIO ELÉCTRICO DE METROLOGÍA (LEM-FIUBA)- INVESTIGADOR UBACYT CATEGORIZADO (Cat. 2) 2.-GABINO ENRIQUE COLANGELO MATTIA, INGENIERO ELECTROMECANICO OR. ELECTRÓNICA (FIUBA) - AREA DE DESARROLLO DEL LEM , FIUBA – INVESTIGADOR UBACYT CATEGORIZADO (Cat. 3) 3.-RAFAEL JOSÉ ALBARRACÍN VALENCIA – INGENIERO ELECTRÓNICO (FIUBA)- AREA OPERACIÓN Y PROGRAMACIÓN (LEM)- INVESTIGADOR UBACYT CA TEGORIZADO (Cat. 5) 4.-CARLOS HORACIO SALZMAN-INGENIERO ELECTROMECÁNICO OR. ELECTRICIDAD (FIUBA)- INTEGRANTE DE PROYECTO – DIRECTOR DEL DEPARTAMENTO DE ELECTROTECNIA (FIUBA) -INVESTIGADOR UBACYT CATEGORIZADO ( Cat. 3)

RESUMEN: El objeto de este estudio es el de analizar el comportamiento de los medidores de inducción monofásicos y polifásicos electrónicos en sistemas de Generación Distribuida eventualmente vinculados con redes tradicionales del sistema interconectado de Generación Centralizada Convencional. Se analiza la interacción de los medidores y la carga que por su naturaleza originan poliarmónicas de tensión y corriente que modifican las mediciones que se realizan con tensión fundamental. Basta recordar que las redes de distribución tienen los usuarios diseminados y con uso creciente de dispositivos deformantes de las ondas de tensión y corriente, iluminación con lámparas de bajo consumo, reactancias electrónicas, cibers cafés, otros dispositivos de electrónica industrial como ser soldadoras por arco eléctrico, centros de cómputos, etc. Se han realizado mediciones sobre curvas de carga de alto contenido de armónicos originadas por sistemas de iluminación de bajo consumo y otros dispositivos simulados en el osciloscopio. En particular en el LEM se efectuó el desarrollo de ondas poliarmónicas en forma digital para tensión y corriente, similares en aspecto a las que se observan en las redes de distribución Al realizar el estudio en redes de Generación Distribuida de baja potencia la capacidad de cortocircuito de la red no es suficiente para mitigar el efecto de las armónicas como ocurre en redes de alta y media tensión del sistema de Generación Centralizada Convencional. Esta presentación continúa y amplía los trabajos iniciados, realizados y presentados por el LEM durante el CLADE 2008 donde se describió al Patrón Poliarmónico tanto en el software como en el hardware. El Patrón Poliarmónico (PLP) estudiado y desarrollado en el LEM FIUBA que fue concebido en forma digital se analiza en este “paper” y con ello la aptitud del Medidor Patrón, actuando en presencia de las tensiones y corrientes poliarmónicas similares a las presentes en el sistema eléctrico de distribución masivo. El objeto de este estudio es el de analizar el comportamiento de los medidores de inducción monofásicos y polifásicos electrónicos en sistemas de Generación Distribuida eventualmente vinculados con redes tradicionales del sistema interconectado de Generación Centralizada Convencional. Se analiza la interacción de los medidores y la carga que por su naturaleza originan poliarmónicas de tensión y corriente que modifican las mediciones que se realizan con tensión fundamental. Basta recordar que las redes de distribución tienen los usuarios diseminados y con uso creciente de dispositivos deformantes de las ondas de tensión y corriente, iluminación con lámparas de bajo consumo, reactancias electrónicas, cibers cafés, otros dispositivos de electrónica industrial como ser soldadoras por arco eléctrico, centros de cómputos, etc. Se han realizado mediciones sobre curvas de carga de alto contenido de armónicos originadas por sistemas de iluminación de bajo consumo y otros dispositivos simulados en el osciloscopio. En particular en el LEM se efectuó el desarrollo de ondas poliarmónicas en forma digital para tensión y corriente, similares en aspecto a las que se observan en las redes de distribución Al realizar el estudio en redes de Generación Distribuida de baja potencia la capacidad de cortocircuito de la red no es suficiente para mitigar el efecto de las armónicas como ocurre en redes de alta y media tensión del sistema de Generación Centralizada Convencional. Esta presentación continúa y amplía los trabajos iniciados, realizados y presentados por el LEM durante el CLADE 2008 donde se describió al mismo tanto en el software como en el hardware. El Patrón poliarmónico estudiado y desarrollado en el LEM FIUBA fue concebido en forma digital. Se analiza en este “paper” la aptitud del Medidor Patrón actuando en presencia de las cargas del sistema.

Recordemos que las normas actuales para la Verificación de Medidores de Energía, cuando se efectúan los ensayos en el Laboratorio para la verificación de la Clase de Exactitud del medidor de energía, que la tensión de alimentación nominal debe tener un contenido armónico inferior al 1 %, no así con las corrientes que sí deben estar distorsionadas por métodos electrónicos y que en nada se parecen a las corrientes poliarmónicas que son registradas en las redes. Por ello cuando el instrumento opera en la red de alimentación, en los sistemas de generación distribuida de baja tensión, se encuentra excitado tanto por tensiones y corrientes distorsionadas, en particular los factores de distorsión para la tensión superan aquel valor alcanzando cifras del 6 % al 8 % de THD (total harmonics distortion) en tensión y más elevadas en la corriente, introduciendo errores en la energía medida a valores inadmisibles sobre el costo de la energía consumida, afectando la calidad del servicio es decir afectando la forma de onda “senoidal” de la tensión de distribución dado que las corrientes deformadas vuelven y circulan por las fases respectivas del secundario de los transformadores de distribución, distorsionando a las tensiones de fase y comprometiendo a los contratos de concesión de las empresas distribuidoras. En ese sentido se hace necesario analizar el comportamiento de los medidores en el Laboratorio, bajo distintos factores de distorsión similares a los obtenidos realmente en el servicio prestado, tanto desde el punto de vista de la tensión como de la corriente. Este análisis en el Laboratorio, conduciría a establecer magnitudes de influencia de las distorsiones, tanto en los medidores de energía del tipo de inducción o electrónicos con valores de referencia que puedan ser previstos en las respectivas normas. El LEM se puso en contacto con el Director del Comité Nº 13 del IEC (Comité Electrotécnico Internacional), el cual se mostró interesado en la labor emprendida, manifestando que desean volver a tomar contacto sobre el particular, con la Dirección del LEM.

Introducción: Es bien conocido que la Generación Distribuida (GD), representa un cambio en las reglas de la interconexión de un sistema eléctrico de potencia en sus áreas de generación y redes de transporte con las redes de distribución y en particular para la alimentación de grandes clientes con generación propia (cogeneración) y centros urbanos casi “aislados”. En la generación distribuida se utilizará aporte del estado y del mercado para lograr soluciones de problemas viables, como puede ser la interconexión del sistema centralizado con sistemas distribuidos eólicos y solares. La concepción tradicional de la producción eléctrica son grandes plantas generadoras que transmiten la energía hasta las distribuidoras que la proveen al consumo. Sin embargo en muchas áreas electrificadas sobre todo de distribución rural o semi-rural nacen sistemas parcialmente aislados que a medida que se expanden se interconectan con la red del SADI. Es en estos sistemas donde se trata de implementar cargas de bajo consumo porque la demanda energética no puede ser totalmente satisfecha y donde los generadores aportan baja capacidad de cortocircuito a estos sistemas a través de interconexiones débiles o sistemas aislados. Se requiere en estos casos el estudio tendiente a verificar el funcionamiento de los medidores de energía, sometidos a señales de alto contenido armónico frente a la comparación de un patrón poliarmónico , para que no se produzcan errores importantes en la facturación de sistemas con alto contenido armónico por errores introducidos por los medidores. En ese sentido se hace necesario analizar el comportamiento de los medidores en el Laboratorio, bajo distintos factores de distorsión, similares a los obtenidos realmente en el servicio prestado distribuido, tanto desde el punto de vista de la tensión como de la corriente.

Patrón del Laboratorio Eléctrico de Metrología (LEM) Poliarmónico - [PLP]: Este patrón totalmente desarrollado en nuestro laboratorio LEM, fue calibrado contra un Medidor Patrón “Radian Research” Digital de clase 0,02%, propiedad del LEM, para disponer de un “banco automatizado destinado al Contraste de Medidores de Energía Clase 1 y 2, excitados en condiciones Poliarmónicas, tanto en tensión como en corriente y de aplicación simultánea”, de manera de poder verificar medidores de tipo de Inducción y Electrónicos, monofásicos y polifásicos en conexión “económica” o también llamada en conexión de “carga fantasma”, con la particularidad de ensayar esos medidores en condiciones similares a las que se dan “in situ”, es decir, afectados de tensiones y corrientes poliarmónicas, sin considerar otras magnitudes de influencia dado que como se desarrolla en los ambientes del LEM la temperatura y humedad son las que corresponden por norma a todo Laboratorio Nacional de Calibración, las restantes magnitudes están acotadas según la respectiva norma. El diagrama correspondiente al esquema de medida se puede apreciar en la Fig.: Nº 1 donde se presenta el sistema de adquisición de datos formado por la PC y dentro de ella una placa de 16 bits de alta exactitud 0,012% KPCI3108 de la firma Keithley utilizándose un canal para la muestra de tensión de Línea aplicada al medidor y otro para la muestra de corriente que circula por el o los circuitos amperimétricos, ya sea en el medidor monofásico o trifásico respectivamente sujeto a ensayo. Las curvas poliarmónicas de Tensión y corriente fueron grabadas en DVD usando para ello un generador patrón multifunción marca Agilent con su software para tal fin y de esta forma se interpretaron formas muy similares a las que se observan en las redes eléctricas de distribución masiva de BT. Al Factor de Potencia se lo garantizó mediante un medidor YEW 2039. Cabe agregar que también almacenamos en DVD ondas senoidales de 50Hz para el ensayo en condiciones senoidales de tensión y corriente y factor de potencia unitario. Justamente estos ensayos a 50 Hz con THD < 0,2% (menor que lo especificado por norma: <1%) permitió confirmar que los medidores utilizados para los ensayos del presente trabajo se encontraban dentro de sus Clases de Exactitudes especificadas por los respectivos fabricantes y así poder ser verificados en condiciones poliarmónicas.

Para el caso de los medidores de Inducción se debió desarrollar un dispositivo adicional, que junto con un receptor óptico en el espectro visible, también desarrollado en el LEM, permite contar vueltas enteras del medidor de disco a Inducción y que está sincronizado con el tiempo de duración del ensayo, para garantizar que la energía del instrumento a verificar, el medidor de vueltas enteras y el valor obtenido mediante la constante del medidor para esas vueltas enteras se compara con el entregado por el software del PLP cuando concluye el tiempo del ensayo dando la energía en Wh del ensayo correspondiente. No solo da la energía sino da también la THD de la tensión y la corriente. Presenta además el diagrama temporal de la forma de las ondas de tensión y corriente, aplicadas al medidor bajo ensayo: los gráficos de los espectros en frecuencia en forma de “histogramas” de las variables eléctricas tensión y corriente aplicadas al medidor bajo ensayo. Cuando se ensayan medidores totalmente electrónicos digitales, la comunicación se efectúa con el medio externo por medio de la lectura de pulsos en el espectro infrarrojo y o ultra-violeta , donde la cantidad y rapidez de aparición de los mismos es función de la energía que este midiendo, se requiere además un contador de pulsos de alta exactitud, los cuales se totalizan durante la duración del ensayo. Esta cantidad de pulsos, y constante del medidor de por medio del medidor bajo ensayo, permite obtener el valor de la energía medida, la cual se compara con la dada por el [PLP]. El lector visible de vueltas de los discos de los medidores de inducción, fue diseñado para que sea sensible a la radiación infrarroja (IR) por lo que es apto también para la lectura de pulsos de los medidores totalmente electrónicos digitales. Cuando el hardware correspondiente a la figura Nº 1 esta listo para ser usado con los periféricos mencionados arriba, y asignado un tiempo de ensayo que puede ser de algunos segundos hasta 5 minutos (300 s), límite éste solo producido por la capacidad de almacenamiento de datos de la PC utilizada, se inicia el ensayo, el cual puede ser abortado por medio del software en caso de que ocurra algún imprevisto en el hardware.

Figura Nº 1: Figura Nº 1:

Ensayos realizados: Se debe aclarar que el algoritmo del software utilizado, una vez adquiridos los datos de las señales de entrada y guardado en matrices de datos, son procesados para reconstruir las formas de las ondas que luego del ensayo, son presentadas en pantalla y pueden ser impresas, como así también los histogramas de las THD correspondientes (espectro en frecuencia) de dichas señales de tensión y corriente apareciendo la traza de la fundamental de 50Hz y los armónicos constitutivos de la respectivas poliarmónicas de U e I, la duración del ensayo, el factor de potencia indicado (0.998 típico para este sistema), la cantidad de lazos de programa, el tiempo de adquisición de datos y toda otra variable que sea necesaria para el control del Status del sistema. Presentará además los Wh del ensayo efectuado, contra el cual se verificará el del medidor bajo ensayo. Los lazos de programa del software, permiten tomar, durante el tiempo del ensayo, los datos de adquisición de tal forma que haya intervalos de no adquisición dentro del tiempo total (batchs) esto fue desarrollado así para lograr no rebasar la memoria temporal del sistema aritmético y lógico (ALU) y la memoria RAM, y así evitar el “bloqueo“ del computador. Cabe mencionar que para esos ensayos cuyas tablas de valores finales damos a continuación en las tablas para medidor Tipo Nº:1 y medidor Tipo Nº:2, surgieron de datos tomados en la siguiente forma: LP (lazo de programa) =5 o sea que si el tiempo de ensayo es de 50 segundos, se tomarán datos de U y de I durante 5 segundos 10 veces, por lo que tendremos 10 valores de energía en ese ensayo de 50 segundos, a los que se les aplica la estadística clásica obteniendo el valor promedio de esos 10 valores, o sea que el computador presenta como valor final de energía y en ese ensayo, el valor medio de esos diez valores y si a su vez se ejecutaran 3 ensayos uno a continuación del otro de 50 segundos Cada uno, con un mismo medidor, a esos tres valores presentados en pantalla se los volvió a promediar ya en forma manual, a fin de poder minimizar aún más las posibles dispersiones de valores.

Mediciones efectuadas-Valores de Energía obtenidos: Explicado en el punto anterior, como el software promedia las mediciones del computador, hay que agregar que se efectuaron tres ensayos para un medidor monofásico de tipo de disco a inducción y tres ensayos para un medidor totalmente electrónico digital trifásico en conexión económica. Cada ensayo responde a una THD de U y una THD de I en aplicadas en forma simultánea. En excitación senoidal para ambos medidores (con distorsión de U THDU: 0.12% menor al 1% Fijado por norma y con distorsión de I de THDI: 0.14% ambos medidores utilizados se encuentran en Clase. Los datos de los medidores son:

Nº1: Medidor de tipo Inducción de Disco: Nº2: Medidor Electrónico Digital Marca:XXX – Monofásico 2 hilos Marca:XXX – Trifásico 220 V – 3 x 380 / 220 V -- 3 x 110 / 63,5 V Constante: K=375 r / kWh Constante: 1 kWh – 1666 y 2/3 pulsos Clase: Cl. 2 Clase: Cl. 1 Nº: 65914385 Nº: 055636 Año: 1994 Año: 1995

Valores de Energía en cada ensayo y para cada tipo de medidor: Tensión eficaz en cada ensayo: 220 V ± 0,5 % --Corriente eficaz en cada ensayo: 4 A ± 0,5 % Medidor Tipo Nº:1 Ensayo Nº: 1 THDU: 5 % THDI: 8 % Medidor: 5.3334 Wh PLP: 5.4599 Wh Error relat. %: - 2.325 Ensayo Nº: 2 THDU: 5 % THDI: 14 % Medidor: 5.3333 Wh PLP: 5.46763 Wh Error relat. %: - 2.457 Ensayo Nº: 3 THDU: 10 % THDI: 19 % Medidor: 5.3333 Wh PLP: 5.49463 Wh Error relat. %: - 2.94

Medidor Tipo Nº:2 Ensayo Nº: 1 Medidor: 37.800015 Wh PLP: 38.02037 Wh THDU: 5 %-- THDI: 8 % Medidor: 37.800015 Wh PLP: 38.02037 Wh Error relat. %: - 0.58 Ensayo Nº: 2 THDU: 5 % THDI: 14 % Medidor: 37.20001 Wh PLP: 37.4578 Wh Error relat. %: - 0.688 Ensayo Nº: 3 THDU: 10 % THDI: 19 % Medidor: 36.6001 Wh PLP: 36.7349 Wh Error relat. %: - 0.3672

Conclusiones: Puede observarse en los valores de los errores relativos porcentuales, que los correspondientes al medidor de energía de tipo de Inducción, con relativos bajos valores de distorsión en tensión y corriente simultáneas, se van ligeramente de Clase 2 y el apartamiento de la Clase va aumentando con el aumento de las THD aplicadas Para el medidor electrónico digital trifásico ensayado, el error relativo máximo obtenido, no alcanza el valor de su Clase 1, con las distorsiones de THD aplicadas, por lo que los medidores electrónicos digitales son más exactos en condiciones poliarmónicas que los de Inducción.

Bibliografía : 1- DIX C H 1975 CALCULATED PERFOMANCE OF SAMPLING WATTIMETER, NPL DIVISION MEMORANDUM. 2- IEEE TRANS POWER APPARATTUS AND SYSTEMS, ON DEFINITION OF REACTIVE POWER UNDER NON -SINUSOIDAL CONDITIONS.KUSTERS N L AND MOORE W J M. 1980 3- STOCKTON J R 1980 PROPOSED QUARTER-SQUARES DOUBLE DUAL-SLOPE DIGITAL WATTMETER. ELECTRO. LETT. 16 819-20. 4- STOCKTON J R AND CLARKE F J J 1981 ON THE BASIC THEORY OF WATTIMETERS SAMPLING AT REGULAR INTERVALS. NPL DES REPORT Nº71 (AUG.1981) 5-“CONTINUOUS AND SAMPLED DATA FEEDBACK TYPE PRECISION CURRENT AMPLIFIER FOR TESTING WATT AND WATTHOUR METTERS”- ELECTRICAL ENGINEERING IN JAPAN VOL. 104. PP. 130 – 135, JULY 1984. 6- “SINGLE DVM SAMPLING POWER METTER FOR LOW FRECUENCIES”- LAPUH- VISCOCNIK - ARNSEK- SLOVENIAN INST. OF QUALITY AND METROLOGY, LJUBLJANA, SLOVENIA. 7- “HARMONIC POLLUTION METERING: THEORETICAL CONSIDERATIONS”- DAVIS - EMANUEL - PILEGGI. WORCESTER POLYTECHNIC INST, WORCESTER, MA, USA 8- “DESIGN AND PERFORMANCE OF A MULTICHANNEL MULTISAMPLING ANALOG TO DIGITAL CONVERTER BOARD FOR ENERGY MEASUREMENT”- MUSICO – NOSTRO. INSTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE, GENOVA, Agradecimientos: Agradecemos a las Empresas Argentinas Representantes de Instrumentos de Medición que figuran en nuestra cartera de Clientes quienes gentilmente nos han provisto de estos medidores en forma desinteresada, para poder cumplir nuestro deseo de Ampliar la Capacidad Metrológica de nuestro Laboratorio Eléctrico de Metrología y contar desde 2008 con un banco poliarmónico para el ensayo de medidores de energía eléctrica, sumado al que ya disponíamos en condiciones senoidales.