SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA MEDIÇÃO DE MÉDIA
TENSÃO
Sandy Tondolo de Miranda
Acadêmica do curso Engenharia Elétrica na UNIJUI, bolsista PROBIC FAPERGS
[email protected]
Gabriel Attuati
Acadêmico do curso de Engenharia Elétrica na UNIJUI, bolsista PIBITI CNPQ
[email protected]
Mauricio de Campos
Professor Orientador Me. Eng° Eletricista
[email protected]
Resumo. O objetivo desse artigo é apresentar o desenvolvimento de um sistema de
aquisição de dados com o intuito de analisar
a distorção harmônica de tensão e corrente
da rede elétrica de média tensão. No
hardware do sistema é utilizado o conversor
AD7656 para a aquisição das medidas, conectado a um computador Raspberry PI, que
compreende o software e armazena os dados
em cartões SDs ou HDs externos, permitindo
assim um registro de informações para
acompanhamento e aperfeiçoamento da
qualidade
da
energia
elétrica.
Palavras-chave: Aquisição de dados, Raspberry, Instrumentação.
1.
INTRODUÇÃO
A energia elétrica tornou-se um serviço
fundamental para a humanidade devido à
crescente evolução tecnológica. Antigamente as cargas eram em sua totalidade resistivas
(MEHL, 2011). Entretanto, com o avanço
de equipamentos eletrônicos, cargas não
lineares tem ocasionado um conjunto de
distúrbios, modificando assim a qualidade de
energia. Em função disto, surgiram deformações nas formas de onda de corrente e tensão, também conhecidas como distorções
harmônicas, que podem ocasionar prejuízos
aos consumidores. Assim, torna-se evidente
a necessidade de análise e diagnóstico da
qualidade de energia elétrica, com a finali-
dade de especificar as causas e possíveis
resoluções de seus problemas (SANTOS,
2011).
Na análise da qualidade de energia elétrica (QEE), é imprescindível a aquisição e
armazenamento de dados, principalmente
através do uso de computadores para a automação e medição, o que ao longo dos anos
resultou na evolução dos instrumentos de
aquisição e monitoramento de dados. Neste
contexto, destaca-se a utilização dos dataloggers, um sistema de aquisição de dados que
tem a finalidade de obter dados digitais através de medições de grandezas físicas (analógicas).
Tais grandezas são detectadas através de
transdutores ou sensores conectados a um
conversor analógico digital (AD), o que
permite que um processador ou microcontrolador adquira os dados do conversor AD, e
armazene-os em um módulo de memória.
Através desse sistema é possível coletar e
armazenar dados de outros instrumentos/dispositivos, além da capacidade de armazenar dados automaticamente, 24h por
dia. Dependendo da marca e modelo, o datalogger pode gravar uma grande variedade de
sinais e medidas tais como, pulsos, sinais
AC-DC de corrente e tensão, entre outros
(HOANG, 2011).
Tal dispositivo tem pouca oferta no
mercado e possuí alto custo. Assim, o objetivo deste trabalho, foi desenvolver um sistema de aquisição de dados composto por
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uma Raspberry Pi e um conversor AD7656,
cuja finalidade principal é registrar dados de
corrente e tensão permitindo a analise das
distorções harmônicas da rede elétrica de
media tensão. Esta ferramenta, portanto deve
permitir a análise da qualidade da energia
elétrica.
2.
METODOLOGIA
Nesta seção serão apresentados, o desenvolvimento do sistema de aquisição de
dados, com uma breve introdução sobre os
principais dispositivos e componentes utilizados, além de apresentar testes realizados
para analisar o número de amostras adquiridas do datalogger.
2.1 Proposta
A proposta desse projeto é realizar a
medição e armazenamento de dados, da rede
elétrica de média tensão. Afim de analisar
em tempo real o sinal das distorções
harmônicas.
O projeto esta sendo implementado na
cidade de Ijui, RS, onde a aquisição dos
sensores adequados para a realizar a medição
na rede elétrica de média tensão estão sendo
realizadas.
2.1 Sistema de Aquisição
Para o desenvolvimento do datalogger,
foi preciso solucionar o problema que o sistema poderia apresentar em relação ao armazenamento de dados, devido ao uso de alta
frequência de amostragem, que pode resultar
em muitos GBs de memória.
A solução mais cabível, foi desenvolver
o datalogger, baseando-se por uma Raspberry Pi (Fig. 1), capaz de suportar a conversão
dos sinais em taxas adequadas, e possuir
armazenamento em memórias não voláteis
(cartões SDs e HDs externos).
Figura 1 - Raspberry Pi
Este produto desenvolvido no Reino
Unido tem todos os recursos de um computador, com a vantagem do seu tamanho ser
próximo a um cartão de crédito, sendo assim
portátil e de baixo custo. Ele utiliza como
sistema operacional LINUX, possui um processador com GPU Vídeo Core IV e memória RAM. Ressalta-se que o sistema operacional é instalado no cartão SD. O software foi
desenvolvido em linguagem C, e através
dele que os dados são manipulados e armazenados, apresentando as conversões das
amostras a cada segundo.
No entanto, a Raspberry não possui
conversor AD, que é necessário para adquirir
os dados das conversões a serem realizadas.
Assim foi preciso desenvolver uma placa
com um conversor, e um suporte para ser
conectado ao microcomputador.
Dessa maneira, realizou-se testes afim
de escolher o conversor que melhor se adequasse ao sistema. A análise foi feita entre
dois conversores o MCP3208 fabricado pela
Microchip e o AD7656 fabricado pela Analog Devices. Buscava principalmente a maior
taxa de conversões, necessário para o datalogger armazenar conversões medidas de
uma rede. Desta forma, foi utilizado o conversor AD7656, por ter uma maior taxa de
conversão, e trabalhar com uma frequência
de clock da SPI (Serial Peripheral Interface)
de até 18MHz. Esse conversor possui comunicação serial e paralela, frequência de
amostragem de 250kPs (amostras por segundo), 6 canais ADCs independentes, range
selecionável por pinos entre ± 10V, ± 5V e
resolução de 16 bits.
O hardware desenvolvido (Fig. 2) possui
6 canais, 3 para medição de corrente, e 3
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para tensões. É importante ressaltar que o
AD7656 trabalha de forma que a conversão
ADC é realizada em casais de canais, garantindo que não exista a diferença de tempo
entre a aquisição de dados de tensão e corrente de uma mesma fase.
O sistema tem capacidade de ler dados
de equipamentos ou sensores, realizar conversões e tratamentos, para posteriores análises (OGIBOSKI et al. 2013).
a vantagem de não necessitar alimentação
simétrica.
O circuito de testes conectado ao sistema de aquisição é mostrado na Fig. 3. Além
dos sensores para a medição de tensão e corrente, a plataforma desenvolvida possuiu um
estágio de condicionamento de sinais, responsável por garantir que o sinal dos sensores seja compatível com os níveis de tensão
suportadas pelo conversor AD. Este estágio
é composto por filtros ativos que realizam a
filtragem e dão um ganho adequado ao sinal
proveniente de cada sensor.
Figura 2 - Hardware do Sistema de Aquisição
Houve a necessidade também, de adicionar à
placa um RTC (Real Time Clock), que fornece a data e hora corretamente mesmo ao
longo de um desligamento do dispositivo,
visando que a Rasberry não possuí essa funcionalidade.
2.2 Realizações de testes
Houve a necessidade de testar o sistema,
com o intuito de verificar o funcionamento e
adequar o software. Com a impossibilidade
de se testar o sistema na situação real para a
qual ele foi construído, foi desenvolvido
uma plataforma para aquisição das tensões e
correntes trifásicas da rede elétrica de baixa
tensão. Ela compreende 3 sensores de correntes, e 3 TPs (Transformador de Potencial), obtendo assim a medição de todos os
canais. O TP é um equipamento usual para
sistemas de medição de tensão elétrica, capaz de reduzir a tensão do circuito para a
medição
nos
instrumentos
(WHENDHAUSEN, 2011). O sensor de
corrente escolhido é do modelo HAS-100P,
capaz de medir corrente contínua, alternada
e pulsada com valor nominal de 100A, tendo
Figura 3 - Sistema de Aquisição conectada a placa
de testes
Os testes foram realizados através de
um varivolt trifásico conectado a uma carga
resistiva conectada em estrela. Feita a conexão física, o sistema começará armazenar os
dados mediante comando feito através de
interface remota, que realiza a conexão com
o sistema através de conexão ethernet. O
software é executado na interface LINUX da
Raspberry Pi, responsável por armazenar os
dados em arquivos .txt. O tempo que o software irá ficar armazenando os dados é determinado pelo autor. O total de amostras
por segundo é apresentado na própria interface.
3 RESULTADOS
Como o arquivo originado após a execução contém as amostras dos canais separadamente, é necessário utilizar um software
para gerar os gráficos, e, nesse caso, usou-se
o MATLAB. Os sinais gerados da tensão,
através dos TPs, são apresentados na Fig. 4,
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e os sinais das correntes são representados
na Fig.5.
alta frequência permitindo análise minuciosa
destes sinais. Além disso, seu baixo custo
permite que o mesmo seja desenvolvido em
uma escala maior, aumentado os pontos de
coleta de dados, e permitindo um melhor
modelamento do comportamento característico da rede de distribuição de energia elétrica. Por fim a análise destes dados, podem
ainda contribuir para um diagnóstico preciso
das condições de operação, do sistema elétrico de distribuição de energia.
Figura 4 - Gráfico tensão
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro da concessionária municipal de Ijui
(DEMEI) Através do programa de pesquisa e
desenvolvimento da ANEEL, bem como a
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUI) e o grupo
de pesquisa vinculado à Universidade,
GAIC.
Figura 5 - Gráfico Corrente
A medição apresentou aproximadamente 3780 amostras por segundo. Os testes realizados averiguaram a medição separadamente e simultaneamente dos 6 canais, onde
foi constatado que o número de amostras não
varia de acordo com o método de medição.
Os sinais gerados são corretos, visando
que cada canal está com uma defasagem de
120º em relação aos outros dois canais.
O sistema possui uma rápida capacidade
de registrar dados. Como o datalogger foi
desenvolvido para a análise e melhoramento
da qualidade de energia elétrica, quanto mais
amostras são adquiridas melhor, pois as
amostras têm como objetivo analisar as
distorções
harmônicas,
possibilitando
analisar um determinado ponto, fazendo com
que ações preventivas ou mesmo corretivas,
sejam tomadas.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com o sistema de aquisição desenvolvido, é possível aquisitar sinais elétricos em
REFERÊNCIAS
HOANG (Mike), T. Cp7 and Datalogger
Design and Implementation. California
Polytechnic State University – EUA, 2011.
MEHL, Ewaldo L. M. Qualidade da Energia
Elétrica. UFP. Paraná, 2011.
SANTOS, Michele de N. N. Monitoração e
Análise de Grandezas da Qualidade da
Energia Elétrica em Processos Industriais
Utilizando
Instrumentação
Virtual.
Dissertação de mestrado UFPA. Paraíba,
2011.
WENDHAUSEN, Moacir. Desenvolvimento
de um Sistema de Medição de Corrente
Elétrica para Aplicação em Linhas de
Transmissão de Alta Tensão. Dissertação
de mestrado apresentada a UFSC.
Florianópolis, 2011.
OGIBOSKI L.; PARIENTE A. B.;
MAGRINI L. C.; JARDINI F. Real-Time
System for Remote Data Acquisition in
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Power Station Equipments. IEEE
America Transactions, VOL. 11, NO.2,
2011.
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