DESARROLLO DE UNA RED DE MEDIDORES … · El medidor debe ser capaz de operar como medidor de prepago o medidor de pospago. ... • Desbalance de corriente y voltaje. • Variaciones

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.


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


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


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.


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


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.


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.


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)


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


CFE

IEM

IEM

IEM

Agente observador


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


Generación de patrones de consumo

MARTES MIERCOLES JUEVES VIERNES SABADO DOMINGO LUNES

L-V

S-D

0:00

0:50

1:40

2:30

3:20

4:10

5:00

5:50

6:40

7:30

8:20

9:10

10:0

010

:50

11:4

012

:30

13:2

014

:10

15:0

015

:50

16:4

017

:30

18:2

019

:10

20:0

020

:50

21:4

022

:30

23:2

0


Formas de onda de i(t) de distintos usuarios, en un periodo

Radianes

Ampl

itud

en A

mpe

res

Forma de Onda


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


Reportes de alteraciones en medidores inteligentes

Terminater


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).


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”..


Conteo del número de bits (0)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Núm

ero

de b

its

Segmento de memoria (byte)

Bytes usables en un segmento de memoria, Dispositivo 0

Minimum count Maximum count Average count

Con

dici

ón d

e fr

onte

ra


Conteo del numero de bits (1)

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

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


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


Pruebas visuales

Unión D0 y D1 Unión D0 y D1 separada por colores

Secuencia PRNG


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


Estado Físico (Sistema previo)


Vista frontal (LCD + puertos ópticos)


Tarjeta de CPU´s (medición + comunicación)


Sistema de adquisición de señales


Módulos de hardware

Radio 802.15.4g Módulo GPS


Estado actual del medir inteligente


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


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


Sistema de monitoreo vía puerto óptico


Página principal del medidor a través de la WEB


Características del hardware vía remota


Servicios web


Desarrollos del medidor- Servicios Web

•Monitoreo de consumo mediante una página web•Autentificación de medidores.•Conexión segura (TLS 1.2/ HTTPS)


Servicios de geolocalización


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.


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.


Agradezco su atención…

Documents

DESARROLLO DE UNA RED DE MEDIDORES … · El medidor debe ser capaz de operar como medidor de prepago o medidor de pospago. ... • Desbalance de corriente y voltaje. • Variaciones