DESARROLLO DE UNA RED DE MEDIDORES … · El medidor debe ser capaz de operar como medidor de...
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Diciembre 2014
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y EléctricaSección de Estudios de Posgrado e Investigación
DESARROLLO DE UNA RED DE MEDIDORES INTELIGENTES PARA CUANTIFICAR LAS PÉRDIDAS ELÉCTRICAS E IDENTIFICAR EL ROBO DE ENERGÍA REALIZADO POR USUARIOS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN.
InvestigadoresDr. David Sebastián BaltazarDr. Ricardo Mota Palomino
Proyecto SIP 20144682
Objetivos
• Desarrollar y probar una técnica de correlación de datos, usando formas de onda de corriente en tiempo real para la detección de robo de energía, aplicables a medidores inteligentes.
• Crear una maqueta piloto de medidores inteligentes con comunicación inalámbrica y supervisados en tiempo real.
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INTRODUCCIÓN
• La medición inteligente se refiere almonitoreo y control de variables eléctricas através de una red de comunicaciones.
• El objetivo es administrar y registrar elconsumo en tiempo real, transfiriéndoseesta información a través de alguna redhacia un centro de control de la compañíasuministradora del servicio.
Medición inteligente
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Características de los medidores comerciales
• Clave de licitación por la CFE: MES 15-1F-2H-1E-120-S-KWH-PP-F12H.
Watthorímetro monofásico de estado sólido, 1 fase, 2 hilos, 1 elemento, 120 V, 15(100) A, 60 Hz, forma 1S, clase de exactitud de 0,5%, con capacidad de autogestión.
Los medidores con estas características están: IUSA, ABB, ELSTER
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Capacidades del medidor IUSA (referencia)
• Interrupción por falta de saldo.• Interrupción por superar la demanda contratada.• Interrupción por retirar el medidor de su base.• Interrupción por fecha de corte programada y
falta de pago.• Interrupción por bajo voltaje de (90 V) y alto
voltaje (140).• Reporte de falla en el medidor.• Eventos de recarga de saldo.• Monto de las recargas en KWh• Inversiones en el sentido del flujo de energía.
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Capacidades del medidor IUSA (referencia)
Capacidad de Autogestión. El medidor debe ser capaz deoperar como medidor de prepago o medidor de pospago.• Desconectar la carga del usuario cuando el saldo se
agote.• Reconectar la carga cuando se le ingrese un nuevo saldo.• Interrumpir por fecha de corte programada y falta de
pagoOtros medidores incluyen características sugeridas por lanorma G000048 CFE• Distorsión armónica hasta la 31ava armónica • Sags/Swells• Desbalance de corriente y voltaje.• Variaciones de frecuencia.• Registro de forma de onda.• Eventos de corta y larga duración• Servicio Web en formato XML
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Capacidades de los medidores con infraestructura de medición avanzada (AMI)
• Desplegados en algunos puntos de esta Ciudad
• Capacidades adicionales.• Comunicación bidireccional.• Detección de Inclinación.• Tres niveles de seguridad a través del puerto óptico.• Desconexión de energía.• Detección de cambio de sentido en el flujo de energía.
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Técnicas usadas en el robo de energía
• Diablitos.• Modificación de circuitos de alimentación.• Cambio de faseo (trifásico).• Alteración física de los medidores (digitales y analógicos).• Alteración de registros vía puertos ópticos.
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Formas de detección de robo de energía
• Inspección física de la instalación• Alarmas tradicionales
• Sensores de inclinación (temblores, golpes)• Inversión de flujo de corriente (Celdas PV)• Pérdida de potencial (fallas en el suministro)• El 90% de estas alarmas son falsas
• Métodos de análisis• Historial de consumo (cambios de usuarios)• Balance de energía a nivel de alimentadores (cuál de
todos los usuarios incurre al robo)
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Nuevas formas de detección del robo
• Balance de energía• En kWh• La suma de lo entregado por el transformador debe ser
igual a lo facturado.• Las técnicas empleadas deben considerar las pérdidas
en los conductores que unen al consumidor.
• Balance de corriente (Método propuesto)• Basada en la ley de Kirchhoff.• Utiliza las componentes armónicas para identificar a
los usuarios • Requiere mecanismos de sincronización muy precisos
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CFE
IEM
IEM
IEM
Agente observador
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El algoritmo propuesto utiliza el registro del agente observador
Medidor sin alteraciones
Medidor con alteraciones
Colgados
Consumo registrado por el agente observador
Monto Facturado Monto robado
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Generación de patrones de consumo
MARTES MIERCOLES JUEVES VIERNES SABADO DOMINGO LUNES
L-V
S-D
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Formas de onda de i(t) de distintos usuarios, en un periodo
Radianes
Ampl
itud
en A
mpe
res
Forma de Onda
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Resultados de la simulación con distintos escenarios.
Propiedad Perfil de dia laboral Perfil de fin de semana Clientes facturados 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 Medidores alterados 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 #Colgados 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 Medidor 1 0.0000 0.1698 0.6358 0.0000 0.1948 0.0000 0.0000 0.0000 0.6459 0.0000 0.0000 0.0000 Medidor 2 0.0000 0.2707 0.0000 0.0000 0.0000 0.0024 0.2905 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.5269 Medidor 3 0.0377 0.1241 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 Medidor 4 0.0000 0.0000 0.0000 0.1609 0.0000 0.0183 0.0000 0.3843 0.0000 0.9077 0.0000 0.4628 Medidor 5 0.0000 0.1969 0.1868 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 Medidor 6 0.0000 0.0000 0.0000 0.3078 0.2766 0.0000 0.0000 0.1474 0.0000 0.0376 0.7847 0.0000 Medidor 7(𝛽𝛽 = 0.6) 1.0000 1.0000 0.7258 1.0000 1.0000 0.3263 0.1738 0.1458 1.0000 1.0000 0.0000 0.6649 Medidor 8 0.5612 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.1543 0.0000 0.1848 0.3231 0.0000 0.0000 Medidor 9 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0703 0.0000 0.1037 0.3932 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 Medidor 10 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0146 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 Medidor 11 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.0011 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 Medidor 12 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.1366 0.4805 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.6355 0.0000 Medidor 13 0.3729 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.2275 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0055 Medidor 14(𝛽𝛽 = 0.5) 0.5038 0.5565 0.2495 0.9423 0.1287 1.0000 1.0000 1.0000 0.4242 0.7587 0.8501 1.0000 Medidor 15 0.3503 0.0000 0.0000 0.0130 0.1013 0.0496 0.2879 0.0000 0.0000 0.0596 1.0000 0.0000 Perdidas de energia (PU) 0.3064 0.2051 0.1748 0.1626 0.1351 0.0415 0.3045 0.2061 0.1757 0.1632 0.0905 0.0419
Nivel de alarma 0.1884 0.1545 0.1865 0.1616 0.1272 0.1404 0.1340 0.1390 0.1503 0.2058 0.1352 0.1773
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Reportes de alteraciones en medidores inteligentes
Terminater
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Características de seguridad adicionales en el medidor propuesto
• Almacenamiento de credenciales que permite almacenarnombres de usuario o contraseñas para acceder a los serviciosde una red.
• Específicamente en medidores inteligentes estos son conocidoscomo certificados de seguridad, los cuales permiten validar laautenticidad de la conexión y realizar conexiones seguras, y sonalmacenados en la unidad FLASH del microcontrolador.
• En el medidor se incorporó un sistema de almacenamiento decredenciales bajo el principio de una función física noreproducible (PUF).
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Funciones físicamente no reproducibles (PUF)
Su funcionamiento recae en el uso de propiedades físicas comoson:• ruido eléctrico,• variaciones a nivel silicio, o• inserción de partículas que afecten la respuesta eléctrica que
son únicas en cada dispositivo.
Esto permite obtener IDs únicas, que no pueden ser “reproducidas”..
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Conteo del número de bits (0)
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Núm
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Segmento de memoria (byte)
Bytes usables en un segmento de memoria, Dispositivo 0
Minimum count Maximum count Average count
Con
dici
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Conteo del numero de bits (1)
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Núm
ero
de b
its
Segmento de memoria (byte
Bytes usables en un segmento de memoria, Dispositivo 1
Minimum count Maximum count Average count
Con
dici
ón d
e fr
onte
ra
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ID parcial extraída de cada dispositivo
Bit Byte position Value0 1 01 3 12 14 03 16 14 23 15 30 0
Bit Byte position Value0 4 11 12 02 15 13 19 04 21 05 22 06 23 0
Dispositivo 0 Dispositivo 1
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Pruebas visuales
Unión D0 y D1 Unión D0 y D1 separada por colores
Secuencia PRNG
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Arquitectura de medidor propuesto
Medición
Controlador de relevador
Alimentación
Puerto Óptico
Detección de Movimiento
Seguridad
Control digital de muestreo
ADC
DFT
Estimación de frecuencia
Módulo GPS
Medición de energía
Comunicación
Puertos Seguridad
ETHERNET 802.15.4
Puertos
Display
Memoria Memoria
Módulos de radio
TCP/IP
Acondicionad. de señal
Acondicionad. de señal
Puerto Ethernet
Componentes de precision
Referencia de voltaje
Cristales de precisión
Sensores de Corriente/
Voltage
Medición de frecuencia
Unidades funcionales Interfaces de señalesSoftware
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Estado Físico (Sistema previo)
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Vista frontal (LCD + puertos ópticos)
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Tarjeta de CPU´s (medición + comunicación)
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Sistema de adquisición de señales
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Módulos de hardware
Radio 802.15.4g Módulo GPS
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Estado actual del medir inteligente
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Desarrollos alcanzados en el medidor
• Obtención de mediciones fasoriales de acuerdo a IEEE C37.118,clase M, Estado Estable
• Obtención de DFT, hasta la 51 armónica, en cada ciclo, deacuerdo a la norma IEEE 1459-2000
• Encriptación Advanced Encryption Standard (AES) 128 bits
• Seguridad Transport Layer Security (TLS) 1.2 (RSA 1024bits)
• Comunicación Punto A Punto IEEE 802.11.15g
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Desarrollos alcanzados en el medidor
• El medidor opera en dos modos (usuario final y concentrador) ,mismo hardware*, distinta versión de software.
• Cuenta con un puerto de Ethernet que puede ser usado en losconcentradores de datos (permite la interconexión a la LANempresarial).
• El medidor en modo concentrador permite transferir los datoshacia los servidores de la empresa eléctrica a través de TCP/IPv4.
Cliente HTTP(usuario, CFE)
Medidor configurado como concentrador
Medidor inteigente configurado en modo
usuario
Router inalambrico(Modo puente)
Medidor inteligente configurado en modo
usuario
Servidor de datos (CFE)
Wired
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Sistema de monitoreo vía puerto óptico
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Página principal del medidor a través de la WEB
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Características del hardware vía remota
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Servicios web
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Desarrollos del medidor- Servicios Web
•Monitoreo de consumo mediante una página web•Autentificación de medidores.•Conexión segura (TLS 1.2/ HTTPS)
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Servicios de geolocalización
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Conclusiones
• Se presentó el método para identificar a los medidores conalteraciones y el robo de energía, en el estudio se considerandistintos escenarios con respecto al número de usuarios“colgados”. Los resultados identifican correctamente a losmedidores alterados y cuantifica las pérdidas de energía en pu.
• Se implementaron en el medidor varios mecanismos deseguridad. Los cuales permite validar la autenticidad de laconexión y tener conexiones seguras, bajo el principio de unaFunción Física no Reproducible (PUF).
• Se presentó el avance de hardware del medidor sobre un PCB,que muestra una pantalla LCD, puertos ópticos, CPU, ADC,módulos de radio y receptor de GPS, entradas de Ethernet, entreotras.
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Conclusiones
• Se presentaron algunas características del software instalado enel medidor, como son:
• Servicios web (obtención remota de parámetros eléctricos)
• Control de varias interfaces de red.
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Agradezco su atención…