1. Grupo de investigación PAIDI-TIC-240 de la Universidad de Córdoba
Departamento de Ingeniería Electrónica y de Computadores
Escuela Politécnica Superior de Córdoba.
Convocatoria 2019 Proyectos de I+D+i - RTI Tipo Coordinado. Desde Junio 2020 hasta Junio 2023. Concedida prórroga de 9 meses.
Proyecto “Strategies for Aggregated Generation of PhotoVoltaic plants (SAGPV).
Sub-1 : Energy and Meteorological Operational Data for photovoltaic plants (EMOD) con Ref. PID2019-108953RB-C21
IP 1: Juan José González de la Rosa, IP 2: Agustín Agüero Pérez del Grupo (PAIDI-TIC-168)
Sub-2 : Monitoring And Integration of energy data with Seamless Temporal Accuracy for photovoltaic plants (MISTA) con Ref. PID2019-108953RA-C22
IP: Víctor Pallarés López del Grupo (PAIDI-TIC-240)
Proyecto Coordinado:
Estrategias de producción conjunta para plantas fotovoltaicas (SAGPV)
2. PROPUESTA PARA EXACTITUD TEMPORAL: Sincronismo centralizado en PMUs experimentales y extendido al resto de equipos con el estándar TSN
Verificar si cumple con las exigencias del estándar IEEE C37.118.1-2011
Ensayos con TSN (IEEE 802.1AS-2011)
Los ensayos se han realizado con dos cDAQ que se sincronizan con
TSN y analizamos los errores de fase cuando aplicamos a su entrada
una misma señal de referencia.
Según se especifica en el estándar para PMU con una incertidumbre
de ±3,1μs en un sistema de 50 Hz estaríamos cumpliendo con los
requisitos para extender la referencia temporal con PLLs (Lazo de
Seguimiento de Fase).
Sincronismo centralizado en PMUs y exigencias del estándar (IEEE C37.118.1-2011).
El TVE es un parámetro de calidad definido en el estándar para PMU que determina error entre el fasor teórico y los fasores reales que se miden de
forma periódica.
Un error de tiempo de un 1µs corresponde a un error de fase en una PMU de 0,018 grados para un sistema de 50 Hz.
El TVE máximo permitido es de un 1%. Un error de fase de 0,57 grados es equivalente a un error de un 1% de TVE y corresponde con error temporal de
±31μs para un sistema de 50 Hz.
Si los sistemas de medida utilizan un oscilador o un PLL para proporcionar una referencia temporal deberán ser al menos 10 veces mejor que los valores
correspondientes al 1% de TVE. Eso significa que debemos asegurar errores temporales menores de ±3,1μs para un sistema de 50 Hz.
2020
3. PROPUESTA PARA MEDIDA DE MAGNITUDES: Medidas PQM según norma IEC 61000-4-30 CLASE A y
verificar si cumple con las exigencias del estándar IEEE C37.118.1-2011
Medidas de Frecuencias en PQM (IEC 61000-4-30 CLASE A )
La resolución para medición de la frecuencia de la red eléctrica se
establece en 10 segundos con una incertidumbre de 10 mHz en
rangos de medición de 42,5 a 57,5 Hz. Los intervalos de agregación no
son obligatorios para esta sección. En algunas aplicaciones, la
resolución requerida no es suficiente y se requiere una resolución
mayor como 1 ciclo (generación de energía), 10 ciclos (turbinas
eólicas) y 1 segundo (en algún estándar).
Tenga en cuenta que IEEE C37.118.1 sugiere un método diferente para
calcular la frecuencia de la red con una resolución más alta.
Medidas de la magnitud de la tensión de la red (IEC 61000-4-30 CLASE A )
En nuestro proyecto hemos optado en una primera fase por medidas cada 5 ciclos que equivale a 10 fasores por segundo para PMUs.
La magnitud de la tensión de alimentación son los valores RMS en un intervalo de tiempo de 10 ciclos (~200 milisegundos) para sistemas de alimentación
de 50 Hz, respectivamente. También se requieren agregaciones de 150 ciclos (~3 seg), 10 min y 2 horas. La incertidumbre de medición se establece en
0,1% de Udin ( el voltaje de entrada declarada) en el rango de 10 a 150% de Udin .
Estos requisitos son para señales casi estacionarias. Si queremos medir transitorios, caídas o subidas de tensión necesitamos una ventana deslizante de
10 ciclos con refresco de ½ ciclo.
Con este último criterio podríamos compatibilizar PMU y PQM con el envío de 100 fasores por segundo que equivale a un fasor por cada ½ ciclo.
2020
4. PROPUESTA PARA LAS COMUNICACIONES: Experimentar con PMUs a razón de 10, 20, 50 F/s según IEEE C37.118.2-2011 y con 100 F/s para uPMU
Comunicaciones PMU (IEEE C37.118.2-2011) con OPC
TRAMAS: Este estándar de comunicaciones define una trama para la
transmisión de los 3 fasores de tensión y corriente, frecuencia, dF
(desviación de la frecuencia) conocido como ROCOF, estampación
temporal según GPS y con referencia PPS.
CANALES ANALÓGICOS: Inicialmente incluye 4 canales analógicos
para las potencias totales. Este número de canales analógicos se
pueden ampliar indefinidamente siempre que se definan en la
cabecera la configuración los nuevos parámetros.
Esta vía es la que utilizamos para añadir las magnitudes capturadas
en otros centros de transformación CTs y medidas de irraciancia.
Transmisión de Tramas PMU (IEEE C37.118.2-2011)
OBJETIVO: Comunicaciones con mínima latencia hacia OPC (Concentrador de datos fasoriales). El estándar permite transmisiones TCP/IP o UDP.
El estándar permite transmisiones de 50, 25 o 10 fasores por segundo. Lo que equivale a fasores que se trasmiten cada 5, 2 o 1 ciclo de la fundamental.
Las últimas versiones del estándar están permitiendo hasta 100 fasores por segundo y se conocen como microPMU.
RECORDEMOS QUE PARA PQM se especificaba que, si queremos medir transitorios, caídas o subidas de tensión necesitamos una ventana deslizante de
10 ciclos con refresco de ½ ciclo. Con este último criterio podríamos compatibilizar PMU y PQM con el envío de 100 fasores por segundo que equivale a
un fasor por cada ½ ciclo.
2020
5. PROPUESTA PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS EN DIVERSOS NIVELES: diagnóstico simultáneo de Plantas Fotovoltaicas
PROPUESTA EN CUATRO NIVELES
Nivel de análisis en la nube UCO o la UCA (Cloud Computing):
Mantenimiento de una base de datos con el histórico anual de todas
las medidas de energía y meteorológicas de las dos plantas
fotovoltaicas. Preferentemente con FIWARE. Con el objetivo del
análisis a largo plazo y fuera de línea.
Nivel de procesamiento cercano (Edge Computing): Cálculos
secundarios en la base de datos local. Potencias agregadas, energías,
datos irradiancia agregados y detección y almacenamiento de
eventos. Recepción de datos desde OPC (Concentrador de datos
fasoriales.
Nivel de procesamiento en tiempo real (Real Time Computing):
Procesamiento en la CPU de los cRIOs de los Fasores (PMU) y valores
Vrms, Irms, Frecuencia, potencia e irradiancia de forma distribuida
con cDAQ y comunicaciones según norma PMUs
Nivel físico: Medidas de irradiancias de forma alámbricas y con lazos
4-20mA, medidas de corrientes con sondas Rogowsky, y medidas de
tensiones con divisores resistivos.
Red de sensores
Adquisición de datos y
Nivel-1 procesamiento
Nivel-2 procesamiento y
Servidor de datos PV local
Servidor de datos global de varias
fotovoltaicas
Sincronización
GPS
Medida de generación y
calidad de suministro
Monitorización en línea
Agregación de datos
Registro Histórico en base de datos local
Servidor de datos
Transmisión al servidor central en
formato MQTT
SERVER LOCAL PV-A
Actualización cada n segundos
Aplicación WEB
Información gráficas
Informes de históricos y gráficas
Recepción de datos MQTT
PMU
TSN
PQ
GPS
uPC
cDAQ Sensor
PQ
Sincronismo
TSN
TSN
PMU
cDAQ Sensor
BASE DE DATOS LOCAL
SERVER LOCAL BV-B
BASE DE DATOS LOCAL
BASE DE DATOS GLOBAL
Red Ethernet
cRIO cRIO
cRIO cRIO
cDAQ
cDAQ
uPC
Sincronismo
TSN
ACCESO WEB
Tunel VPN con la UCO
Captura de datos meteorológicos
Captura de V, I, Frecuencia y fase.
Procesamiento de datos fasoriales
(PMU) y de calidad de suministro
(PQ).
MQTT
MQTT
1
2
3
4
PROYECTO SAGPV
Irradiancia
Medidas
meteorológicas
4-20mA
Ethernet
Red DC
Red AC
2020
6. Ensayos TSN
Módulo NI-9242
Con 4 entradas hasta 400 Vrms
VMN221 de CADDOCK
PMU (Sigma Delta 24bit)
PQM (Aproximaciones sucesivas 16 bit)
TSN
uPC (Intel NUC)
cDAQ
cRIO
cDAQ
TSN
synchronism
C
HOST LABVIEW
cDAQ-9185-SlaveTSN A y B
router
D
PMU
GPS
cRIO-9054-MasterTSN
ASUS RT-AC66U
NI-9215
20Vpp
100KS/s/canal
Módulo NI-9215
Con 4 entradas
hasta 10 Vpp
2021 Verificamos la calidad del estándar TSN para extender las medidas con varios cDAQ distribuidos.
7. SE CALIBRA TENSIÓN Y CORRIENTE
INDEPENDIENTEMENTE
Módulo NI-9215
Con 4 entradas
hasta 10 Vpp
Dos modelos de sondas Rogowsky bajo prueba
Amplificador de Transconductancia
(FLUKE 52120A)
Verificación y calibración de 18 sondas Rogowsky para medias de hasta 1500A y los divisores resistivos para medidas de tensiones
7
Corriente hasta 20A
Hasta 120A
Hasta 1000A
50mV/kA(50Hz)
333mV/A(50Hz)
Medimos corriente AC
DOS CANALES SIMULTANEOS
Tensión 400V
Calibrado
(FLUKE 552A)
Mutímetro 8 1/2 (FLUKE 8508A)
Integrador
Trifasico
DTP.1
2022
8. INSTALACIÓN DE LOS EQUIPOS en las instalaciones de la empresa. Plantas fotovoltaicas en el Valle de los Pedroches.
Localidad Pozoblanco
Sede de la
empresa
2023
9. Cuatro centros de transformación
“CTs” con una producción de 1MW
cada uno. Un Total 4MW.
ARQUITECTURA HARDWARE DEL SISTEMA DE MONITORIZACIÓN
Dos centros de transformación
“CTs” con una producción total de
1,8MW. 200KW para
autoconsumo
2023
10. A
A
B
B
C
C
D
D
Arquitectura Software
Protocolo
IEEE
Std
C37.118.2
2001
A C
B
Se han instalado 4 miniPC Intel NUC para la captura y gestión de
las bases de datos:
A y B.- Dos mPC con Window y Labview para captura,
procesamiento y comunicaciones desde cRIO. Ubicado en la
caseta principal de CD y CO.
C.- Un mPC con Ubuntu para la gestión de la base de datos local.
Ubicada en caseta principal de CD.
D.- Un mPC en las instalaciones de la Uco para mantener replica
de la base de datos con menor resolución
SCADA
LABVIEW
11. OpenPDC actúa como agente intermediario
Visualizamos resultados almacenados con GRAFANA extraídos de InfluxDB
Gestión de la PMU-1 ubicada en planta Cruz del Doctor CT4
Gestión de la PMU-2 ubicada en planta Cabeza Oliva CT2
A
B
A
C
EJEMPLO -1: Diagnóstico conjunto de las frecuencias de L1 en las dos plantas
13. EJEMPLO -3: Comparación de un día nublado y uno soleado
RESPUESTA EN DOS DÍAS MUY DIFERENCIADOS
Nivel de radiación solar día nuboso: La respuesta en los piranómetros
es diferente en función de la nubosidad variable. El zoom nos muestra
la diferencia en base a la ubicación de las nubes.
Corriente y potencia en L2 para CT1 y CT2: Podemos observar el
comportamiento algo diferente en los dos centros de transformación.
La potencia se genera en string diferentes y las nubes afectan en
diferente grado
Nivel de radiación solar día soleado: La respuesta en los
piranómetros es similar en toda la planta.
Corriente y potencia en L2 para CT1 y CT2: Siguen una curva de
generación de energía uniforme con correlación a la curva de
irradiancia
14. EQUIPOS INTALADOS EN LAS FOTOVOLTAICAS: Cuadros situados en las instalaciones de Solar del Valle
CD_PMU-1 ubicada en planta Cruz del Doctor CT4
CO_PMU-2 ubicada en planta Cabeza Oliva CT2
CD_PQM-1 ubicada en planta Cruz del Doctor CT1 CD_PQM-2 ubicada en planta Cruz del Doctor CT2
EJEMPLO DE UBICACIÓN EN UNA DE LAS CASETAS PROPIEDAD DE LA EMPRESA
CD_PQM-1 ubicada en planta Cabeza Oliva CT1
CT1
CT2
CT2
CT1
CT4
CO
CD
cRIO cDAQ
cRIO
cDAQ
15. EQUIPOS INTALADOS EN Cruz del doctor
CD_PMU-1 Ubicada en planta Cruz del Doctor CT4
CD_PQM-2 Ubicada en planta Cruz del Doctor CT2
CT1 CT2
CT4
CT3
CD_PQM-1 Ubicada en planta Cruz del Doctor CT1
CD_PQM-3 Ubicada en planta Cruz del Doctor CT3
Integrador
salida 1A
cRIO 9054
Medidas de corrientes
hasta un 1A
Medidas
de tensión
GPS
16. CRUZ DEL DOCTOR Y CABEZA OLIVA
Tensiones a 1s o 100ms Irradiancia a 1s o 100mS
SCADA para la supervisión y control de todos los equipos en CD y CO.
CRUZ DEL DOCTOR Y CABEZA OLIVA (PMUs)
Evolución de la frecuencia a 1s o 100ms Derivada frecuencia a 1s o 100mS
CRUZ DEL DOCTOR
Evolución de la
frecuencia en
CT1, CT2 y CT3
en función de la
PMU-1 ubicada en
CT4
CABEZA OLIVA
Evolución de la frecuencia en CT2, en
función de la PMU-2 ubicada en CT1
Potencias a 1s o 100ms Corriente a 1s o 100mS
CRUZ DEL DOCTOR Y CABEZA OLIVA
17. • Los módulos con conversores Sigma-Delta o tipo SAR coordinados con sincronismo TSN son idóneos para desarrollar
aplicaciones de captura con la exigencia del estándar para PMU. Según el diagrama de cajas podemos trabajar con una
incertidumbre de ±85ns para con un intervalo de confianza del 95%. Este análisis solo está garantizado con cDAQ9185.
• Los Ensayos con cables ethernet de 50 o 75 metros nos permitieron analizar la degradación cercana al límite de las
especificaciones de la norma. Nuestro objetivo es poder situar equipos hasta una distancia de 150m para desarrollar un
sistema de medida perimetral en las plantas fotovoltaicas seleccionadas.
• Las sondas RogowSky elegidas y los divisores de tensión resistivo CACDOCK garantizan la calidad de las medidas de
magnitudes Vrms, Irms y potencias.
• El protocolo de comunicaciones para PMUs garantiza la transferencia cada 100ms de todas las magnitudes capturadas en
las plantas y permite la correlación de los eventos en plantes distantes.
Futuro y segunda fase del proyecto:
• Si utilizamos InfluxDB para la gestión de las series temporales rodando en Ubuntu CORE podemos realizar procesamiento
en tiempo real con técnicas Machine Learnig o Deep Learning.
• Si utilizamos InfluxDB con Apache Kafka podemos ejercer un control de flujo de datos de alto rendimiento entre la base de
datos y los algoritmos. Kafka es una Plataforma unificada, de alto rendimiento y baja latencia para manejar fuentes de
datos en tiempo real”
Conclusiones y trabajos futuros
18. Grupo de investigación PAIDI-TIC-240 de la Universidad de Córdoba
Departamento de Ingeniería Electrónica y de Computadores
Escuela Politécnica Superior de Córdoba.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
