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 johnnym@fitec.org.br rnlaceda@fitec.org.br prsilva@fitec.org.br Daniel Senna Guimarães Carlos Alberto Monteiro Leitão CEMIG D Belo Horizonte, Brazil dsenna@cemig.com.br caleitao@cemig.com.br 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. 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> <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"> cmd : 06 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"> 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 <pause milliseconds="600000" /> <recv channel="channelserial" cmd="05" optional="true" /> <send channel="channelserial"> cmd : 23 leitor : 123456 null : 00 : 60 crc : calc <recv channel="channelserial" cmd="05" optional="true" /> <recv channel="channelserial" cmd="23"> $(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> cmd : vi tensao : 127 corrente : 0 carga : A rampa : 0 <pause milliseconds="500" /> </init> <traffic repeat="10"> duracao : 500 : ms repet : 3 tentre : 2000 : ms <pause milliseconds="6000" /> duracao : 1000 : ms repet : 2 tentre : 2000 : ms <pause milliseconds="5000" /> duracao : 2000 : ms repet : 1 tentre : 1 : ms <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. 108-111, 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 62053-21, 1 a 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/.