Equipamento para Teste Automático de Qualidade de
Energia e Harmônicos
Johnny J. Mafra Jr.
Rodrigo Netto Lacerda
Pedro Rodrigues Silva
Fundação para Inovações Tecnológicas - FITec
Belo Horizonte, Brazil
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[email protected]
[email protected]
Resumo  É apresentado um equipamento automático para a
geração de sinais de potência com a possibilidade de fazer
scripts para testes funcionais, de confiabilidade e de resistência
para a validação de hardware e software de equipamentos
eletro-eletrônicos. Ou seja, o equipamento desenvolvido permite
testar além dos ensaios de conformidade normalmente feitos,
para os quais existem diversos equipamentos disponíveis
comercialmente. A fonte do equipamento permite gerar sinais
de qualidade de energia especificados na IEC 61000-4-11 e de
harmônicos especificados na IEC 61000-4-13, além dos
harmônicos especificados na IEC 62053-21. Esse tipo de teste é
fundamental para determinar a sensibilidade e suportabilidade
de equipamentos.
Palavras-chaves  Equipamento de teste automático, teste
sistêmico, qualidade de energia, harmônicos no sistema de
potência.
I. INTRODUÇÃO
A introdução das Redes Inteligentes de Energia, ou Smart
Grid, gerou a necessidade de testar as diversas novas
tecnologias presentes nos equipamentos. Equipamentos que
tradicionalmente eram eletromecânicos, agora tiveram
introduzidas as tecnologias eletrônica e de telecomunicações.
Garantir que esses equipamentos tenham um bom
desempenho em campo é uma tarefa complexa. Foram
desenvolvidos testes de conformidade e confiabilidade
através de normalizações nacionais e internacionais, mas isso
se revelou insuficiente. Características fundamentais para o
bom funcionamento em campo ainda não eram avaliadas,
como funcionalidades e resistência [1].
Este projeto desenvolveu, portanto, um simulador de
protocolos de comunicação usados no programa de Smart
Grid da Cemig D, denominado Cidades do Futuro. Esse
simulador é controlado através de um script, para exercitar as
diversas características do protocolo, como é tradicional
nessa área [2]. Mas além de tratar os protocolos, o script per Este trabalho foi financiado pelo Programa de P&D ANEEL da CEMIG D,
através do Projeto D424.
Daniel Senna Guimarães
Carlos Alberto Monteiro Leitão
CEMIG D
Belo Horizonte, Brazil
[email protected]
[email protected]
mite controlar uma fonte de potência e realizar testes
funcionais, de confiabilidade, de resistência, tanto de
software quanto de hardware. Os protocolos já
implementados são o ABNT NBR 14522 [3] para medidores
de energia elétrica, o DNP3 [4] para equipamentos de
automação da distribuição, o Zigbee SEP (Smart Energy
Profile) 1.1 para a HAN (Home Area Network) [5] e [6].
O simulador foi projetado de forma modular e flexível, de
maneira a facilitar a inclusão de novos protocolos.
Testes de funcionalidade são implementados nos scripts
através de exercício de tensão e corrente, envio de comandos
e leitura de registradores com os resultados dos testes para
comparação com valores teóricos esperados. Assim, podem
ser testadas funcionalidades de hardware e software. As
primeiras focadas no exercício que se faz na tensão e na
corrente, como variação de amplitude e frequência ou a
adição de transitórios, por exemplo. As segundas através da
avaliação dos registradores.
Testes de confiabilidade e resistência são implementados
através de scripts que repetem os testes funcionais um grande
número de vezes. Esses testes podem envolver o exercício de
fenômenos de qualidade de energia, como variações de
tensão, frequência e harmônicos. Podem ser gerados sinais de
qualidade de energia especificados na IEC 61000-4-11 [7] e
de harmônicos especificados na IEC 61000-4-13 [8], além
dos harmônicos especificados na IEC 62053-21 [9]. Mas
pode-se ir além do especificado nessas normas para testes de
avaliação feitos internamente pelos fabricantes dos
equipamentos com o objetivo de determinar a sua real
sensibilidade e suportabilidade.
A fonte selecionada para uso no equipamento foi escolhida
para atender aos testes de variação de tensão e corrente em
regime permanente e harmônicos. Em versões futuras pode
ser incluída uma fonte adicional de transitórios que atenda
ensaios como o impulso de descargas atmosféricas (1,2 x
50µs) ou o Electrical Fast Transient (EFT) (5ns x 50ns), que
são de grande importância para determinar a robustez de
equipamentos eletrônicos.
II. O SIMULADOR
O diagrama de blocos do simulador é mostrado na Fig. 1.
Ele apresenta de forma esquemática toda a infra-estrutura
fornecida pelo equipamento de teste, na qual está incluída
uma bancada para montar os equipamentos em teste, ou DUT
(Device Under Test), interfaces físicas de comunicação e
conectores de tensão e alta corrente, que pode atingir até
120A. A fonte pode fornecer diretamente 20A trifásicos e a
corrente de 120A é obtida através de três transformadores de
corrente 6:1 conectados na saída da fonte.
O simulador contém os seguintes módulos de software:
• Interpretador de Scripts: módulo de software
responsável pela leitura e validação do arquivo de
script, baseado em padrão XML [10], que descreve o
cenário de teste. O módulo recebe como entrada o nome
do arquivo de script e produz como saída um conjunto
de listas de comandos consistentes a serem executadas
pelo executor de comandos.
• Executor de Comandos: módulo de software
responsável pela execução das listas de comandos
criadas pelo módulo interpretador de scripts. O módulo
interage com os módulos de protocolo e de controle da
fonte requisitando o envio e recebimento de mensagens.
O módulo é responsável também por coletar estatísticas
e gerar um log em disco durante a execução das listas de
comandos.
construir as mensagens descritas nos comandos
recebidos do executor de comandos para que elas
possam ser enviadas para as interfaces físicas. Os
módulos são também responsáveis por decodificar as
mensagens recebidas nas interfaces físicas de acordo
com as regras de cada protocolo. As mensagens
decodificadas são então repassadas para o executor de
comandos.
A. Estrutura do Script
O script deve ser um arquivo XML programado com o
formato apresentado abaixo, que apresentam os comandos
básicos para a execução de um script de controle da fonte.
<transport>
<transportdef name="..." type="..." init="...">
</transportdef>
</transport>
<channel>
<channeldef name="..." transport="..."
protocol="..." open="..."> </channeldef>
</channel>
<init>
<send> </send>
<pause milliseconds=”XXXX” />
</init>
O funcionamento do equipamento se baseia na
programação de uma configuração inicial de condição de
tensão e corrente para então enviar comandos de
modificação, incluindo variações de tensão e harmônicos.
Assim, ao final de cada comando de modificação a fonte
retorna ao estado inicial. Após o envio de um comando para a
fonte deve ser definida uma pausa no script, o tempo de
pausa deve ser definido com base no tempo de atuação do
comando enviado.
A condição inicial define se a ligação é monofásica,
bifásica ou trifásica, se é delta ou estrela, o fator de potência,
os valores de tensão e corrente e em quais fases elas estarão
presentes e frequência entre outros parâmetros para permitir
grande flexibilidade de testes.
B. Tipos de Teste
Fig. 1. Diagrama de Blocos do Equipamento de Teste.
• Controle da Fonte: módulo de software responsável pela
comunicação com a fonte. O módulo interage com o
módulo executor de comandos, recebendo comandos
que serão mapeados para o protocolo proprietário de
comunicação com a fonte. Respostas de comandos e
eventos da fonte recebidos através do protocolo
proprietário da fonte são mapeados pelo módulo em
eventos para serem processados pelo módulo executor
de comandos.
• Módulos de Protocolo: módulos de software, sendo um
para cada protocolo suportado, que são responsáveis por
mapear os comandos recebidos do executor de
comandos em mensagens específicas dos respectivos
protocolos. Os módulos têm a responsabilidade de
A seguir são descritos os tipos de testes que podem ser
realizados no equipamento de teste:
• Teste de variação de tensão: Esse teste permite ser
configurado para atender a todos os requisitos da IEC
61000-4-11 e além. Os testes descritos nessa norma
incluem os chamados VTCD (variações de Tensão de
Curta Duração), também conhecidos como SAG e
SWELL. Nele se programa a amplitude para a qual a
tensão deve variar, a duração dessa variação, a
quantidade de repetições da variação, o tempo entre
repetições e o tempo de descida e de subida para a
variação. A fonte utilizada permite programar tensões
de até 300V trifasicamente ou 600V na configuração
monofásica. As figuras a seguir mostram alguns
exemplos de formas de onda de tensão possíveis de se
obter. Assim, os ensaios especificados na norma podem
ser feitos, além de muitos outros necessários para
verificar a confiabilidade e resistência, bastando
elaborar o script. A Fig. 2 mostra três faltas de 1
segundo de duração com 50ms entre elas. A Fig. 3
mostra uma sub-tensão de 50% da tensão nominal com
1 minuto de duração. Observe que nela está apresentada
apenas a envoltória, devido ao grande tempo de
aquisição de dados. A Fig. 4 mostra faltas de energia de
300ms de duração com 1 segundo entre elas. A Fig. 5
mostra sub-tensão de 30% da tensão nominal com
duração de um ciclo e tempo de recuperação de 30
ciclos e intervalo entre as faltas de 10 segundos, ou seja,
há uma rampa de subida da tensão com 30 ciclos de
duração. Também é apresentada apenas a envoltória.
• Teste de harmônicos: É possível fazer ensaios de acordo
com a IEC61000-4-13 como os mostrados a seguir. Na
Fig. 6 temos o ensaio com terceiro e quinto harmônicos
na tensão e na Fig.7 a chamada forma de onda flat curve
também na tensão. É possível gerar tensão e corrente
com qualquer conteúdo harmônico até 3kHz para tensão
e 1kHz para corrente. Assim, na Fig. 8 é apresentada a
forma de onda dos sub-harmônicos, como especificado
na IEC 62053-21 e na Fig. 9 os harmônicos pares. No
entanto, não é possível gerar harmônicos pares até 120A
porque o TC (Transformador de Corrente) satura. Nesse
caso, o limite de corrente é de 20A.
O equipamento pode gerar os sinais de tensão e corrente
descritos acima com precisão melhor que 0,2%.
Fig. 4. Faltas de 300ms com 1s entre elas.
Fig. 5. Rampa de tensão.
Fig. 2. Faltas de 1s e 50ms entre elas.
Fig. 6. Tensão com 3° e 5° harmônicos.
Fig. 3. Sub-tensão.
Fig. 7. Tensão flat curve.
]]>
</recv>
<send channel="channelSerial">
<![CDATA[
cmd : 06
]]>
</send>
Fig. 8. Corrente com sub-harmônicos.
Fig. 9. Corrente com harmônicos pares.
C. Testes Funcionais, de Confiabilidade e de Resistência
Uma vez dominados esses blocos básicos de ensaios com
tensão e corrente, nos quais pode se incluir falta de energia e
de harmônicos, podem ser feitos com facilidade testes
funcionais, de confiabilidade e de resistência. Testes
funcionais podem ser feitos, por exemplo, injetando-se
corrente em um medidor de energia e depois de algum tempo
se verificando se o contador de energia incrementou
corretamente. No exemplo abaixo é mostrado parte de um
script XML para programar a fonte com 120V, 10A e Fator
de Potência 1 durante 10 minutos. Então é enviado um
comando de leitura do protocolo ABNT NBR 14522, com a
respectiva sinalização, para verificar o correto registro dos
dados.
<send channel="channelDll">
<![CDATA[
cmd : vi
tipo : estrela
fios: 4
energia : ativa
tensao : 120 : 120 : 120
corrente : 10 : 10 : 10
carga : ABC
freq : 60
angulo : 0 : 120 : 240 : 0 : 120 : 240
]]>
</send>
<pause milliseconds="600000" />
<recv channel="channelSerial" cmd="05"
optional="true" />
<send channel="channelSerial">
<![CDATA[
cmd : 23
leitor : 123456
null : 00 : 60
crc : calc
]]>
</send>
<recv channel="channelSerial" cmd="05"
optional="true" />
<recv channel="channelSerial" cmd="23">
<![CDATA[
$(energiaFinal) : 05
Testes de confiabilidade e resistência podem ser feitos da
mesma maneira. Por exemplo, o script a seguir mostra um
ensaio simples de resistência para falta de energia,
envolvendo poucas ocorrências. Ele repete dez vezes a
seguinte sequência de ocorrências, apenas para exercitar as
possibilidades: 3 faltas de 500ms espaçadas de 2s, 2 faltas de
1s espaçadas de 2s e 1 falta de 2s.
<init>
<send channel="channel1">
<![CDATA[
cmd
: vi
tensao
: 127
corrente : 0
carga
: A
rampa
: 0
]]>
</send>
<pause milliseconds="500" />
</init>
<traffic repeat="10">
<send channel="channel1">
<![CDATA[
cmd
: vvar
percent
: 0
duracao
: 500 : ms
repet
: 3
tdes
: 1
: ms
tsub
: 1
: ms
tentre
: 2000 : ms
]]>
</send>
<pause milliseconds="6000" />
<send channel="channel1">
<![CDATA[
cmd
: vvar
percent
: 0
duracao
: 1000 : ms
repet
: 2
tdes
: 1
: ms
tsub
: 1
: ms
tentre
: 2000 : ms
]]>
</send>
<pause milliseconds="5000" />
<send channel="channel1">
<![CDATA[
cmd
: vvar
percent
: 0
duracao
: 2000 : ms
repet
: 1
tdes
: 1
: ms
tsub
: 1
: ms
tentre
: 1
: ms
]]>
</send>
<pause milliseconds="2500" />
</traffic>
III. CONCLUSÕES
Scripts desse tipo podem ser feitos com grande número de
repetições para tentar encontrar pontos fracos tanto no
hardware quanto no software de equipamentos. Esses
circuitos podem ser sensíveis a falta de energia, de diferentes
durações ou sensíveis à presença de harmônicos em
diferentes frequências. O primeiro devido a latências ou
interrupções concorrentes no firmware ou constantes de
tempo de hardware. O segundo devido à resposta de
frequência de circuitos analógicos, incluindo a fonte. Esses
ensaios podem ser feitos pelos fabricantes, durante o
desenvolvimento, para depurar o produto ou podem ser feitos
durante a etapa de homologação do produto em laboratórios
de certificação.
IV. REFERÊNCIAS
[1]
Y. Mashiach, E. Abramowitz, N. Calamaro. “Metering system
engineering. The discipline of functional acceptance testing (FAT) and
metrological test Approval,” Metering International, Issue 4, pp. 108111, 2010.
[2] Protocol Testing. (2005). Network Protocol Testing Overview.
[Online]. Available: http://www.protocoltesting.com/iwl1.html.
[3] ABNT Intercâmbio de informações para sistemas de medição de
energia elétrica, NBR 14522. 2007.
[4] DNP Users Group. (2000). A DNP3 Protocol Primer. [Online].
Available: http://www.dnp.org.
[5] Zigbee Alliance. (2008, Jan.). Zigbee Specification. [Online].
Available: http:// zigbee.org.
[6] Zigbee Alliance. (2008, Dec.). Zigbee Smart Energy Profile
Specification. [Online]. Available: http:// zigbee.org.
[7] IEC Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-11: Testing and
measurement techniques – voltage dips, short interruptions and voltage
variations immunity tests. IEC 61000-4-11, 2. ed. 2004.
[8] IEC Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-13: Testing and
measurement techniques – Harmonics and inter-harmonics including
mains signaling at a.c. power port, low frequency immunity tests. IEC
61000-4-13, ed. 1.1. 2009.
[9] IEC Electricity metering equipment (a.c.) – Particular requirements –
Part 21: Static meters for active energy (classes 1 and 2). IEC 6205321, 1a ed. 2003.
[10] T. Bray, J. Paoli, C. M. Sperberg-McQueen, E. Maler, F. Yergeau.
(2008, Nov. 26). Extensible Markup Language (XML) 1.0 (Fifth
Edition). [Online]. Available: http://www.w3.org/TR/REC-xml/.