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Abstract and Figures

A network of reliable and efficient electricity depends on an acquisition system and data transmission in real time. Monitoring the dynamic performance of large areas of the transmission systems is based on Phasor Measurement Units (PMUs). The advantage of using PMUs is on a high rate of acquisition and synchronization measurements using Global Positioning System (GPS). This paper presents the development of a low cost PMU prototype, based on IEEE C37.118 standards using Digital Signal Processor (DSP).
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A Low Cost Prototype of a Phasor Measurement
Unit using Digital Signal Processor
Rafael Nilson Rodrigues #1, Juliano Kasmirski Zatta #2, Pedro Cesar C. Vieira *3, Luis Carlos M. Schlichting#4
# Smart Grids Laboratory – Labsmart
Federal Institute of Santa Catarina
Florianópolis, Brazil
1 rafael@ifsc.edu.br, 2 julianokzatta@gmail.com, 4 schlicht@ifsc.edu.br
*Sincroplan Engenharia
Florianópolis, Brazil
3 pedro.vieira@sincroplan.com.br
Abstract A network of reliable and efficient electricity
depends on an acquisition system and data transmission in real
time. Monitoring the dynamic performance of large areas of
the transmission systems is based on Phasor Measurement
Units (PMUs). The advantage of using PMUs is on a high rate
of acquisition and synchronization measurements using Global
Positioning System (GPS). This paper presents the
development of a low cost PMU prototype, based on IEEE
C37.118 standards using Digital Signal Processor (DSP).
ResumoUna red de energía eléctrica confiable y eficiente
depende de un sistema de adquisición y transmisión de datos
en tiempo real. El monitoreo del rendimiento dinámico de
grandes áreas de los sistemas de transmisión se basa en
unidades de medición de fasores (PMU). La ventaja es el uso
de PMU en una alta tasa de mediciones de adquisición y
sincronización utilizando GPS. En este trabajo se presenta el
desarrollo de un prototipo de PMU de bajo coste, basada en el
estándar IEEE C37.118 e en Digital Signal Processor (DSP).
I. INTRODUÇÃO
O objetivo principal de um sistema de energia elétrica é
prover aos consumidores energia elétrica de boa qualidade
com custo razoável, além de mitigar os impactos sociais e
ambientais decorrentes da produção de energia. Ademais, é
necessário garantir a continuidade no fornecimento de
energia e obedecer a padrões de desempenho, flexibilidade e
manutenabilidade. Tipicamente, as redes de energia elétrica
tradicionais são utilizadas para transportar energia de
poucos geradores para um grande número de consumidores
fluxo unidirecional. Em contraste, as Redes Elétricas
Inteligentes (Smart Grids SG) utilizam fluxos
bidirecionais de eletricidade e informações para criar uma
rede de energia elétrica automatizada e distribuída [1]. Com
a inserção de novas fontes de energia na matriz energética, o
aumento da geração distribuída e a possibilidade dos
consumidores se tornarem agentes ativos na rede elétrica, a
antiga concepção dos sistemas elétricos torna-se obsoleta e
um novo paradigma se instaura para garantir que o sistema
elétrico continue a operar de forma ininterrupta.
Uma rede de energia elétrica inteligente, confiável e
eficiente depende de um sistema seguro de aquisição e
transmissão de dados em tempo real [2]. Em destaque, as
principais grandezas são medidas através de Unidades de
Medição Fasorial (Phasor Measurement Units PMU) e de
Medidores Inteligentes (Smart Meters SM). As PMUs
fazem parte dos Sistemas de Medição Fasorial Sincronizada
(Synchronized Phasor Measurement Systems SPMS),
utilizados no monitoramento do desempenho dinâmico de
grandes áreas dos sistemas de transmissão [3-7]. A
vantagem em relação à atual estrutura de monitoramento de
sistemas elétricos parte da aquisição de dados em elevada
taxa de aquisição e da sincronização das medições efetuadas
em locais distantes geograficamente por meio da tecnologia
GPS (Global Positioning System). Dessa maneira, a
tecnologia de SPMS possibilita monitorar com precisão o
desempenho dinâmico do sistema elétrico nos períodos em
regime normal de operação e, sobretudo, nos períodos de
perturbações e transitórios. Além das PMUs, a tecnologia de
SPMS é composta pelo Concentrador de Dados Fasoriais
(Phasor Data Concentrator – PDC), que recebe, organiza e
disponibiliza os dados para aplicativos de monitoramento e
análise. Para realizar a comunicação entre as PMUs e os
PDCs, são utilizados links de comunicação – internet, fibra
ótica etc. A Fig. 1 ilustra a composição de um SMPS.
Fig. 1. Diagrama esquemático de uma SPMS.
A PMU foi concebida, inicialmente, no Virginia
Polytechnic Institute em 1991 [6-8]. A grande difusão desta
tecnologia se deu com a aplicação destes equipamentos no
sistema de transmissão, sendo comercializada por diversos
fornecedores, tais como:
ABB: Apenas função de PMU (Modelo: RES 521)
Arbiter: Agrega as funções de PMU e medidor de
qualidade de energia (Modelo: 1133A)
GE: Agrega as funções PMU e relé multifuncional
(Modelo: N60)
SEL: Agrega as funções PMU e relé multifuncional
(Modelos: SEL - 421 e SEL - 451)
Siemens: Agrega as funções de PMU e registrador de
perturbações (Modelo: SIMEAS R-PMU)
Reason: Fabricada no Brasil, agrega funções PMU e
registrador de perturbações (Modelos: RPV-304, RPV-
310, RPV-311)
Uma etapa importante na disseminação da tecnologia de
Medição Fasorial Sincronizada está ligada a sua inserção
nas redes de distribuição [9]. O monitoramento da
frequência e ângulo usando PMUs é um dos passos para
melhorar a observabilidade [10]. A inserção de fontes
eólicas e fotovoltaicas Geração Distribuída (GD)
diretamente na rede de distribuição leva a um efeito mais
dinâmico da rede e a necessidade de conhecer esse
comportamento estabilidade da rede, fluxo de potência,
etc. O uso de PMUs permite a aquisição e envio de
informações para o estudo posterior das causas de distúrbios
– análise Post Mortem. O monitoramento da estabilidade de
tensão de redes de distribuição traz informações importantes
em relação ao fluxo de potência reativa. A estimação de
estado pode ser conseguida de forma rápida e precisa
utilizando-se PMUs na rede de distribuição e a recuperação
do sistema após contingências pode ser auxiliada pelo
SPMS, pois dão informações importantes para o
religamento dos disjuntores, mostrando a situação dos
ângulos de fase, da frequência, da tensão e da corrente.
A aplicação de PMUs em sistemas de distribuição ainda é
um desafio, pois na maioria dos casos o equipamentos
fabricados voltados para sistemas de transmissão, contendo
um número elevado funcionalidades. Tal característica
exige grandes dimensões do equipamento e custo final
elevado. Além disso, a produção de PMUs é um
conhecimento que, no Brasil, ainda é detido por poucos.
Este trabalho visa apresentar o desenvolvimento de um
protótipo de PMU, com ênfase em custos reduzidos e que
atendesse dentro do possível as normas relevantes.
Neste caso, as normas IEEE C37.118.1 – 2011 Standard for
Synchrophasor Measurements for Power Systems [11] e
IEEE C37.118.2 2011 Standard for Synchrophasor Data
Transfer for Power Systems [12].
II. UNIDADE DE MEDIÇÃO FASORIAL
A PMU é um dispositivo projetado para a aquisição de
medidas de tensões e de correntes alternadas, sendo estas
medidas etiquetadas por uma referência temporal comum,
obtida através de sinas via satélite (GPS). As medidas de
são processadas pela PMU, convertidas em fasores e
enviadas a um concentrador de dados a taxas que variam de
1 a 60 fasores por segundo. Na Fig. 2 é mostrada a estrutura
básica de uma PMU, destacando a existência de três blocos
principais: aquisição de dados, sincronismo temporal e
processamento [6].
Filtro
Anti-aliasing
Conversor
A/D
Receptor
GPS
Unidade de
Processamento
Entradas
Analógicas Canal de
Comunicação
Aquisição de Dados
Fig. 2. Diagrama esquemático de uma PMU.
No sistema de aquisição de dados há uma filtragem anti-
aliasing do sinal elétrico proveniente da rede de distribuição
por filtro RC passa-baixa ou filtro digital. Esses passos
visam adaptar o sinal para o processo de conversão
analógica-digital, reduzindo a amplitude para um nível
compatível com a entrada do chip e retirando os
componentes harmônicos do sinal.
O conversor AD (Analogic-Digital Converter ADC)
transforma o valor analógico da grandeza física em
informação digital. A qualidade da conversão depende da
resolução, da amplitude de tensão de entrada e da taxa de
amostragem do chip conversor. Segundo o teorema de
Nyquist, a frequência de amostragem deve ser, pelo menos,
o dobro da frequência do sinal amostrado [6].
A unidade de processamento realiza a estimação do valor
de sequência positiva de todos os sinais de tensão e corrente.
Neste bloco também deve ser realizada a adequação da
informação para transmissão de dados no formato
especificado nas normas IEEE C37.118 [11,12]. O sistema
de sincronismo fornece a referência temporal para a
aquisição e adequação da etiqueta de tempo do sinal medido.
Este bloco provê a informação temporal tanto para o
conversor A/D, que consiste em um Pulso Por Segundo
(PPS) bem como para a unidade de processamento, que
consiste na informação da etiqueta de tempo no formato
SOC (Seconds Of Century) [6]. Além da determinação da
informação do fasor da forma de onda da tensão e corrente,
a PMU necessita de uma interface para o envio destas
informações a um concentrador de dados. Grande parte
destes equipamentos realizam a comunicação através de
interface de rede utilizando protocolos de internet.
III. DESENVOLVIMENTO BASEADO EM DSP
A proposta de protótipo deste trabalho é fundamentada
em plataformas de processamento digital de sinal (Digital
Signal ProcessorDSP), pela facilidade de montagem e de
programação.
Para definir a plataforma de desenvolvimento é
necessário definir alguns requisitos mínimos de hardware
para o protótipo:
Taxa de amostragem: a conversão analógica-digital deve
possuir pelo menos 256 amostras por ciclo. Para uma
frequência de 60 Hz, esta taxa de amostragem corresponde a
15.360 amostras/segundo, ou seja, 15,36 ksps.
Canais de conversão sincronizável e simultânea: uma
PMU necessita efetuar as amostras das tensões (15,36 ksps)
sincronizadas via PPS de cada uma das três fases
simultaneamente.
Timers: o GPS fornece um pulso de sincronização por
segundo. Portanto, torna-se necessário um timer para gerar
os múltiplos pulsos dentro de um segundo necessários para
sincronizar todas as amostras de tensão. Adicionalmente,
outro timer é necessário como contador de tempo para o
rótulo de tempo de cada fasor estimado.
Acesso direto à memória (Direct Memory AccessDMA):
o DMA permite que periféricos acessem diretamente a
memória RAM do DSP sem ocupar o processador. Isso
permite que o processador não se ocupe copiando dados de
amostragem nem se submete às interrupções do ADC.
Interface ethernet: após o processo de aquisição de
amostras e estimação de fasores, os dados são enviados a
um PDC via internet. Neste estágio de desenvolvimento do
protótipo é desejável que a plataforma de desenvolvimento
tenha uma interface ethernet.
A Tabela I apresenta uma comparação entre cinco
plataformas de desenvolvimento largamente conhecida no
mercado: Arduino Due ATSAM3X8E [13,14], STM32F4
Discovery [15,16], Intel Galileo Gen 2 Quark SoC x1000
[17], Texas Instruments C2000 TMS320F28377SS [18,19],
Texas Instruments Hercules RM57L843 [20,21].
A STM32F4 Discovery é a única que atende os requisitos
mínimos deste projeto, possuindo um ADC que efetue 256
amostras por ciclo de 60 Hz (15,36 ksps). O processo de
conversão funciona com uma interrupção (timer) operando
os três canais simultaneamente, sendo um mestre e os outros
dois escravos. As amostras são armazenadas na memória
RAM através do DMA. Nos testes efetuados, a plataforma
demonstrou capacidade de processamento suficiente para os
cálculos e envio de pacotes ao PDC. Ainda possui interface
ethernet, que é substancialmente mais veloz que a interface
serial (Serial Peripheral Interface SPI) e permite a
transferência dos pacotes de dados acessando diretamente a
memória via DMA sem ocupar o processador [16].
Com exceção do Arduino Due, as demais plataformas
possuem FPU e elevada capacidade de processamento e
memória, em especial o Intel Galileo Gen 2 com
processador de 400 MHz e 256 MB RAM. Porém, essas
opções não atendem o número mínimo de canais para
efetuar leituras trifásicas. Particularmente, embora tenha
elevada capacidade de processamento e memória, o Intel
Galileo Gen 2 decepciona na baixa taxa de amostragem
aproximadamente 0,5 Hz.
IV. ALGORITMO DE ESTIMAÇÃO DE FASORES
Os algoritmos de estimação de fasores são em sua
maioria baseados na transformada discreta de Fourier
(Discrete Fourier transformDFT) [22-24]. A Equação (1)
expressa o cálculo do fasor Xk para uma frequência fk,
através da DFT
=1
2
1
=0
(1)
sendo N é o número total de amostras do sinal na janela
analisada, e xn é a amplitude do sinal na amostra n.
A DFT produz bons resultados quando a frequência de
amostragem é um número inteiro, múltiplo da frequência do
sistema. Porém quando ocorrem variações da frequência do
sistema, os resultados tendem a se degradar. Isto é resultante
do fenômeno denominado vazamento espectral (Spectral
leakage), ou “janelamento”, que ocorre devido ao uso de
janela de tempo de período constante, que acarreta no
truncamento do sinal.
A maioria dos desenvolvimentos de PMU se baseiam no
uso de algoritmos de taxa de amostragem constante [24]. No
cálculo N é o número de amostras do sinal, na janela de
tempo utilizada para obtenção o fasor. Ou seja:
=

(2)
sendo do ∆t é o tempo entre as amostras, o qual é constante.
T é o período da janela. Considerando o cálculo de um fasor
por ciclo, T deve ser tal que:
=1
(3)
Quando a frequência se desvia em ∆f do valor nominal, o
período do sinal passa a ser:
=1
+
(4)
Modelo
Arduino Due
ATSAM3X8E
STM32F4 Discovery
STM32F407VGT6
Intel Galileo Gen 2
Intel Quark SoC x1000
TI C2000
TMS320F28377S
TI Hercules
RM57L843
Frequência
84 MHz
168 MHz
400 MHz
200 MHz
330 MHz
Núcleo
ARM Cortex-M3
RISC 32 bits
ARM Cortex-M4
RISC 32 bits
32 bits Intel Pentium ISA
CTMS320C28X
RISC 32 bits
ARM Cortex-R5F
RISC 32 bits
FPU
Não
Sim
Sim
Sim
Sim
Memória
512 kB Flash
96 kB SRAM
16kB ROM
1 MB Flash
196 kB SRAM + 64 kB
CCM RAM
256 MB DRAM
8 MB Flash
8 kB EEPROM
164 kB RAM
1 MB Flash
4 MB Flash
512 kB RAM
128 kB Flash
Ethernet
10/100 Mbps
10/100 Mbps
10/100 Mbps
RJ-45 - PoE
Não
10/100 Mbps
RJ-45
Timers
9 (32 bits)
12 (16 bits), 2 (32 bits)
3 (16 bits), 2 (32 bits), 1
(64 bits)
3 (32 bits)
64 (32 bits)
ADC
1 (16 canais)
12 bits 1 MSPS
3 (24 canais)
12 bits 2,4 MSPS
1 (6 canais)
10 bits 0,5 kSPS
2 (12 canais)
16 bits 1,1 MSPS
2 (57 canais)
12 bits 5 MSPS
Sincronismo
Sim
Não
Sim
Sim
DMA (ADC)
6 canais
2 canais
Não disponível
6 canais
32 canais
Como o período da janela de cálculo de fasor se mantem
constante, isto provoca o truncamento do sinal, e
consequentemente erros de vazamento espectral.
Neste trabalho é utilizada uma rotina que corrige o
tamanho da janela de tempo, reduzindo os erros causados
pela variação de frequência. Considerando que a taxa de
cálculo de fasores é elevada, a frequência de um fasor Xk,
com ângulo
k e período tk pode ser obtida por:
=0+1
360󰇛1󰇜
(5)
A correção da janela de tempo é feita pela Equação (6) e
o número de amostras do sinal pela Equação (7):
=0
(6)
=0
(7)
O diagrama de blocos correspondente a este processo está
ilustrado na Fig. 3.
Fig. 3. Diagrama de blocos do algoritmo de cálculo de fasor.
O algoritmo apresenta melhor exatidão quando
comparado ao uso da DFT tradicional. Porém ainda persiste
um problema referente ao número de amostras da janela. De
acordo ainda a Equação (7), a correção realizada implica
que o número de amostras corrigido N' não necessariamente
será um número inteiro. Isto pode ser observado na
representação do sinal na Fig. 4. Para evitar o problema de
vazamento espectral o somatório da Equação (1) deve ser
feito sobre um ciclo completo da senóide. Nestas condições,
e supondo o sinal da Fig. 4, isto implica no conhecimento
do valor de xN'-1. Como o índice N'-1 tende a ser decimal,
não sendo mais possível aplicar a Equação (1) na sua forma
original, estende-se a equação da DFT para considerar o
caso em que o número de amostras do sinal não é inteiro.
A DFT tem origem na Transformada de Fourier, que
quando calculada para um intervalor de tempo T é definida
pela Equação (8).
󰇛󰇜=1
()2
0
(8)
No caso do sinal apresentado na Fig. 4, pode-se
reescrever a Equação (8) da seguinte forma:
󰇛󰇜=1
 ()2

0
(9)
1
1
Fig 4. Representação da amostragem de um sinal fora da frequência
nominal.
A transição da Transformada de Fourier de tempo
contínuo para a Transformada de Fourier de tempo discreto
pode ser realizada através da aproximação por Somas de
Riemann.
Considerando o número de amostras N'=N+δ, onde δ é a
parte decimal de N', aplicando as Somas de Riemann na
Equação (9), obtém-se a aproximação em tempo discreto,
dada pela Equação (10).
=1
󰇯󰇛󰇜21
1
=0 +󰇛1󰇜212󰇰
(10)
Considerando a Equação (11), na frequência nominal
tem-se a Equação (12).
=
×1+2
(11)
=1
󰇯󰇛󰇜21
11
1
=0 +󰇛1󰇜21
122󰇰
(12)
Assim, é possível a aplicação da DFT para uma janela
com número de amostras não inteiro:
=1
󰇯󰇛󰇜2
1
=0 +󰇛1󰇜2󰇛1󰇜
󰇰
(13)
Pode-se ainda reescrever (13) na seguinte forma:
=1
󰇟+󰇠
(14)
sendo
=󰇛󰇜2
1
=0
(15)
=󰇛1󰇜2󰇛1󰇜
(16)
A equação obtida permite separar o somatório A, que
contém somente índices de valor inteiro, e a parte B, que
considera o índice decimal fora do somatório. O último
detalhe é a obtenção da amplitude da onda no instante tN'-1.
Considerando que o intervalo de tempo entre uma amostra e
outra é muito pequeno, o valor de x(tN'-1) é obtido traçando-
se uma reta linear entre os pontos x(tN'-2) e x(tN'-δ+1), ou seja:
󰇛1󰇜= 󰇛2󰇜+󰇟󰇛1󰇜󰇛2󰇜󰇠×
(17)
V. RESULTADOS
O protótipo em desenvolvimento encontra-se em um
estágio mais inicial e algumas simplificações são
necessárias. Os resultados são obtidos utilizando o
STM32F4 Discovery com 256 amostras por ciclo de 60 Hz.
As leituras são baseadas em um sinal monofásico em 3 Vpp
e offset de 1,5 Volts. Como sinal de entrada é utilizado o
gerador de funções Tektronix AFG1022 com precisão de
±(1 % + 1mVpp) [25].
A Fig. 5 apresenta os valores das estimativas de
frequência considerando o valor teórico de 61 Hz e
diferentes números de iterações no processo DFT. No
primeiro ciclo, o ponto de partida é 60 Hz. Nos demais
ciclos, o ponto de partida é o valor de frequência estimado
no ciclo anterior. Na Fig. 5 (a) verifica-se que a partir de
três ciclos de frequência a estimativa possui valores
menores de 0,1 Hz de erro. Em particular, pela Fig. 5 (b) se
observa que os menores erros são verificados entre 15 e 25
iterações da DFT. Por sua vez, a Fig. 6 apresenta a máxima
diferença percentual ao longo dos últimos sete ciclos de 61
Hz para os diferentes números de iterações. O menor valor
verificado quando utilizadas 20 iterações, com 0,0069%.
60,5
60,6
60,7
60,8
60,9
61
61,1
12345678910
Frequência ( Hz)
ciclos (61 Hz)
510 15 20 25
(a)
60,98
60,99
61
61,01
5 6 7 8 9 10
Frequência (Hz)
ciclos (61 Hz)
510 15 20 25
(b)
Fig. 5 Estimativas de frequência para diferentes números de iterações (a)
10 ciclos de frequência (61 Hz) (b) últimos 5 ciclos
0
0,005
0,01
0,015
0,02
510 15 20 25
Diferenç a percentual (61 Hz)
Número de iterações
Fig. 6 Diferença percentual da estimativa de frequência (61 Hz)
A Fig. 7 ilustra os valores de estimativas de frequência
em 10 ciclos de 58 Hz a 62 Hz. Em todos os casos as
estimativas mantiveram-se próximas aos valores teóricos,
com erros menores que 0,02 Hz. Particularmente, em 10
ciclos na frequência de 60 Hz, os resultados apresentam
TVE máximo de 0,57 %, como ilustra a Fig. 8.
57,98
58
58,02
58 HZ
58,48
58,5
58,52
58,5 HZ
58,98
59
59,02
59 HZ
59,48
59,5
59,52
59,5 HZ
59,98
60
60,02
60 HZ
60,48
60,5
60,52
60,5 HZ
60,98
61
61,02
61 HZ
61,48
61,5
61,52
61,5 HZ
61,98
62
62,02
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
62 HZ
cicl os
Fig. 7 Estimativas para diferentes níveis de frequência
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
1 4 7 10
TVE % (60 Hz)
ciclos
Fig. 8 TVE % em 10 ciclos de 60 Hz
A Fig. 9 apresenta os valores estimados de frequência
para uma rampa de 60 Hz até 65 Hz a uma taxa de 1 Hz/s.
Neste caso, são 301 estimativas, totalizando o ponto de
partida mais cinco segundos. Neste caso, o maior erro
observado é 0,032% em 64,033 Hz. Nas demais frequências,
os erros são menores que 0,030 %.
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
59
60
61
62
63
64
65
66
126 51 76 101 126 151 176 201 226 251 276 301
Erro %
Frequên cia (Hz)
ciclos
Erro % Frequência
Fig. 9 Erro de estimativas de frequência para entrada em rampa de 1 Hz/s
VI. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho apresentou um protótipo de PMU baseado
em DSP. O STM32F4 Discovery é utilizado como
plataforma do protótipo por atender os requisitos mínimos
do projeto. O algoritmo de estimação de frequência é
baseado na DFT com ajustes para frequências não-nominais.
Os resultados apresentados são baseados em uma versão
preliminar do protótipo, com sinal de tensão monofásico em
3 Vpp com offset de 1,5 V, por meio de um gerador de
funções. O algoritmo DFT apresenta resultados satisfatórios,
calculando os valores de frequência com erros menores de
0,2 Hz. Em 10 ciclos de 60 Hz, o máximo TVE verificado é
0,57 %. Em testes de rampa de frequência, com taxa de 1
Hz/s, os erros de estimação de frequência são menores que
0,032 %. Esses valores demonstram que é viável o uso de
DSP para um protótipo de PMU de baixo custo.
Como trabalhos futuros, está em desenvolvimento um
atenuador de tensão para uso em 220 Volts. Adicionalmente,
também está em implementação a interface Ethernet o a
conexão com GPS.
Melhorias são necessárias para melhorar o desempenho
da DFT. Avaliar a implementação de 512 amostras por ciclo
de 60 Hz e aumentar o número de ciclos anteriores
utilizados na estimação da frequência são ações importantes.
Outro aspecto relevante é relacionado ao ADC da
SMT32F4 Discovery. A frequência do processador de 168
MHz não é um múltiplo inteiro da frequência de
amostragem de 15,36 ksps. Neste caso, uma possibilidade é
utilizar um clock externo múltiplo da frequência de
amostragem para o ADC.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro do CNPq
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico.
Os autores também agradecem a Trimble pela doação do
módulo GPS utilizado no desenvolvimento deste protótipo.
REFERÊNCIAS
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Improved Power Grid: A Survey”. IEEE Communications Surveys
& Tutorials, Vol. 14, pp. 944-980, Oct. 2012
[2] M. Qiu, H. Su, M. Chen, Z. Ming, L. T. Yang, “Balance of security
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IEEE Communications Magazine, vol. 50, pp. 142-149, May 2012.
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clocksprinciple and applications,” IEEE Transactions on Power
Apparatus and Systems, vol. PAS-100, no. 12, pp. 5036–5043, Dec.
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[4] A. G. Phadke, J. S. Thorp, and M. G. Adamiak, “A new
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frequency, rate of change of frequency,” IEEE Transactions on
Power Apparatus and Systems, vol. PAS-102, no. 5, pp. 1025–1038,
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[5] A. G. Phadke and J. S. Thorp, “History and applications of phasor
measurements,” in IEEE PES PSCE Power Systems Conference and
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[6] A. G. Phadke, J. S. Thorp, Synchronized Phasor Measurements and
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Phasor Measurement Estimation,” IEEE Transactions on Power
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[25] Arbitrary/Function Generator AFG1000 Series Datasheet,
Tektronixonics 2016. Disponível: http://goo.gl/HLZcaV
... Weighted least squares (WLS) is one of the traditional techniques used for state estimation, which depends on quality measurements taken from a system through phasor measurement units (PMUs) [20]. However, in a distribution system, which consists of a large number of buses, incorporating PMUs at each individual bus, it is not feasible for accumulating measurements for state estimation, although recent research has focused on developing PMUs with low-cost [21]. ...
Article
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For the optimal utilization of power generation resources, load forecasting plays a vital role in balancing the load flow in a power distribution network. There are several drawbacks associated with the existing forecasting techniques for load flow balancing. The neural network (NN) based forecasting techniques are unable to consider the actual states of a power system, while the weighted least square state estimation (WLS) fails to counter non-linearity in the demand profile. In this paper, a hybrid approach is proposed for the short term load forecasting. The hybrid technique, comprises of WLS, NN, and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), is called as WLANFIS. ANFIS itself is the combination of NN and fuzzy logic. It takes a refined dataset obtained through NN and WLS, which helps in determining the optimal number and types of membership function. It also helps in determining the effective fuzzy set ranges for an individual membership function that is utilized by the fuzzy system. The WLS provides estimated states in the realworld scenario while NN models the non-linearity in the demand profile and is tested on IEEE 14 and 30 bus systems as well on real-world collected datasets. Results show that the proposed algorithm has a higher generalization capability and provides accurate forecasting results even in the case of medium-term load forecasting. It outperforms other methodologies by achieving the mean absolute percentage error as low as 2.66%.
... It has a high data rate acquisition and uses a GPS in order to synchronize its measurements. The SPMS allows the dynamic performance assessment of an EPS [2][3][4], enabling the detection of disconnected transmission lines or islanded subsystems, supervision of voltage stability, and assisting system analysis and restoration in the event of more severe disturbances [1]. Many systems based on the Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) scheme are used for monitoring dynamic conditions of the EPS, but are not capable of detecting fast events due to their low data acquisition rate. ...
Article
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In this manuscript we propose a hybrid Visible Light Communication and Radio Frequency (VLC-RF) scheme for the implementation of a portable Phaser Measurement Unit (PMU) for deep underground tunnels. Through computer simulations and laboratory measurements we are capable to provide Coordinated Universal Time (UTC) to the PMUs, as well as high accuracy positioning in a Global Positioning System (GPS) denied environment. The estimated PMU position, time stamp, and electrical power system measurements are sent to a central monitoring station using a radio frequency uplink with a data rate of hundreds of Kbps. Simulations and experimental measurements show that the proposed scheme can be used to control a large number of VLC-RF PMU devices inside a tunnel. The tests demonstrate the viability of the hybrid prototype, which will improve performance compared to commercial PMUs that lack these features.
... Albeit easy in terms of concept, their adoption is subject to the availability of low cost to the DSOs. Different low-cost and micro-PMU (µPMU) [5] [6] solutions have been proposed in this regard, in which the central elaborating unit PMU, the phasor processor, is for example a powerful microcontroller that incorporates DSP capabilities [7] or FPGA ones [8]. All their functionalities, from the low-level device management to the higher application level of phasors elaboration, are carefully embedded in a custom designed firmware, which is flashed in its memory during the manufacturing stage. ...
Conference Paper
Next generation of distribution grids will be equipped with automatic control functionalities that require an advanced knowledge of the system state. In this context, PMUs are one of the enabling technologies to support a smart development of such functionalities, but at the same time an economical burden for Distribution System Operators (DSOs). In this paper, we present the novel architecture of highly reconfigurable low-cost PMUs able to adapt to the future monitoring needs. Leveraging on the extremely high performance and low cost of Single Board Computers (SBC), we describe a measuring approach in which the hardware is reduced to the bare essentials, cutting costs and limitations, while moving the complexity on the software side. The core of the new PMU is the OS-based working mode, which enables an easy and rapid development of new algorithms and the automatic deployment of updated services based on package repositories. Besides providing a TVE performance compliant with the IEEE Std C37.118.1, the proposed device also opens the way to new technologies, like GPU-based parallel data elaboration and fog computing in distributed measurement.
... This approach is however very costly and not scalable. Nevertheless, utilities are increasingly monitoring the operations of their system using distribution system state estimation (DSSE), based on sparse bus voltage measurements from phasor measurement units (PMU) [7,42,52]. PMUs are devices capable of measuring the voltage magnitude and angle at a given bus. More and more countries have also rolled out smart-meters, that can provide periodic energy consumption data at the consumer level. ...
Conference Paper
Electricity theft is a serious issue for distribution companies around the world. Often linked to criminal activities, it is dangerous for the grid and the neighborhoods. While placing measurement points at each bus would allow an easy detection, it is not a practical approach. In this paper, a multi-timescale theft estimation (MISTE) method that takes advantage of smart-meters as well as the sparse grid sensing infrastructure that is being envisaged for state estimation is proposed. It combines power and voltage measurement across time to detect any inconsistency caused by electricity theft. Contrary to existing approaches which are snapshot-based and assume smart-meters to be able to measure instantaneous power consumption, the proposed method models smart-meters as energy measurement devices and combines the measurement timescales of the smart-meters and the PMUs in the computations. The detection performance of the proposed approach is compared to the state of the art theft detection methods. Both the true positive rate as well as the false negative rate are considered, which few papers have discussed previously. Insights on the impact of theft location on theft detection are also given.
... In addition, the PMU allocation at all buses is also be practically viable because of the development of low cost PMUs [14]- [15]. ...
... On the other hand, distribution systems comprise a large number of buses with little to no measurements available. While several recent studies have focused on developing low-cost, easy to deploy PMUs [5], [6], it is not practical to install PMUs at every distribution bus. If PMUs were to be placed at selected buses only, there would be infinitely many solutions to the DSSE problem. ...
Article
State estimation in power distribution systems is a key component for increased reliability and optimal system performance. Well understood in transmission systems, state estimation is now an area of active research in distribution networks. While several snapshot-based approaches have been used to solve this problem, few solutions have been proposed in a dynamic framework. In this paper, a Past-Aware State Estimation (PASE) method is proposed for distribution systems that takes previous estimates into account to improve the accuracy of the current one, using an Ensemble Kalman Filter. Fewer phasor measurements units (PMU) are needed to achieve the same estimation error target than snapshot-based methods. Contrary to current methods, the proposed solution does not embed power flow equations into the estimator. A theoretical formulation is presented to compute a priori the advantages of the proposed method vis-a-vis the state-of-the-art. The proposed approach is validated considering the 33-bus distribution system and using power consumption traces from real households.
Article
The highly precise synchrophasor measurements obtained from the phasor measurement unit (PMU) are important for an effective implementation of a wide-area monitoring, protection, control, and self-healing (WAMPCAS) power system. The overall performance of the WAMPCAS power system can be improved if the PMUs are installed at all the buses in a transmission network. However, the multistage PMU installation is obligatory as PMU installation at all network buses is a matter of large-scale investment. Priority should be given to the important buses during the initial and intermediate stages to obtain relatively better observability. The optimal PMU installation (OPI) should be determined at the preliminary stage to measure the voltage phasors of all buses with the least number of PMUs. To evaluate the OPI problem, an improved binary shuffled frog leaping algorithm (IBSFLA) was proposed for the IEEE 118-bus test system. To enhance the overall performance of the IBSFLA and to obtain possible multiple optimal solutions (MOSs), an improved initialization and similarity-checking assessment were developed. A bus-observability maximization was mathematically modeled to select the best solution from MOSs, and the efficacy of the proposed algorithm was verified by comparing its performance with other algorithms. IEEE
Conference Paper
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This paper describes a research project to develop a network of high-precision phasor measurement units, termed micro-synchrophasors or μPMUs, and explore the applications of μPMU data for electric power distribution systems.
Article
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The Smart Grid, regarded as the next generation power grid, uses two-way flows of electricity and information to create a widely distributed automated energy delivery network. In this article, we survey the literature till 2011 on the enabling technologies for the Smart Grid. We explore three major systems, namely the smart infrastructure system, the smart management system, and the smart protection system. We also propose possible future directions in each system. colorred{Specifically, for the smart infrastructure system, we explore the smart energy subsystem, the smart information subsystem, and the smart communication subsystem.} For the smart management system, we explore various management objectives, such as improving energy efficiency, profiling demand, maximizing utility, reducing cost, and controlling emission. We also explore various management methods to achieve these objectives. For the smart protection system, we explore various failure protection mechanisms which improve the reliability of the Smart Grid, and explore the security and privacy issues in the Smart Grid.
Conference Paper
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Synchronized phasor measurements are traced from their origins in computer relaying to present applications in power system operation, protection, and control. The principle behind the measurement technique is reviewed along with the details of phasor measurement units (PMUs). Two IEEE standards, applicable to PMU technology, the 'COMTRADE' standard, and the 'SYNCHROPHASOR' standards are summarized. Applications of PMUs to state estimation, measurement based control, adaptive protection, and a new generation of remedial action schemes are described
Book
This book builds on the cutting edge research presented in the previous edition that was the first of its kind to present the technology behind an emerging power systems management tool still in the early stages of commercial roll-out. In the intervening years, synchrophasors have become a crucial and widely adopted tool in the battle against electricity grid failures around the world. Still the most accurate wide area measurement (WAMS) technology for power systems, synchronized phasor measurements have become increasingly sophisticated and useful for system monitoring, as the advent of big data storage allows for more nuanced real-time analysis, allowing operators to predict, prevent and mitigate the impacts of blackouts with enhanced accuracy and effectiveness. This new edition continues to provide the most encompassing overview of the technology from its pioneers, and has been expanded and updated to include all the applications and optimizations of the last decade. · The seminal work in the essential field of synchophasor power system applications, from the renowned researchers who invented the technology; · Now updated to include the newest applications and optimizations supporting more accurate analytics and prediction, and therefore more certain prevention of blackouts; · Presents a coherent account of the development of the technology, and of the emerging applications of these measurements.
Article
This paper discusses the design and usage of a Simulink-based phasor measurement unit (PMU) simulator package. The simulator and PMU data is available upon request from the first author. The motivation for developing the package is to provide a flexible environment for teaching phasor measurement and frequency estimation to advanced undergraduate and graduate students, and providing a knowledge base to students for research. This software allows for the exploration of the algorithms and phenomena involved in the phasor estimation process. The package is built on the Simulink platform and is able to process simulated signals as well as measured point-on-wave data. The popularity and relevance of the proposed package is evaluated using formal questioners.
Conference Paper
In this paper the results of a study on automatic detection, identification and location of systemic disturbances are described. The signal used for detection is the frequency obtained by phasor measurement units installed at Universities (SPMS MedFasee BT). Problems associated with frequency behavior are discussed, and three filtering methods are used in order to generate signals suitable for signaling detection of disturbances. The disturbances are classified in transient, loss of generation and load interruption. The estimation of the events location is performed by triangulation using Newton's method. Actual events that occurred in the Brazilian Interconnected Power System are analyzed. The results show that SPMS allow the use of the described applications in real time operation.
Article
A consecutive DFT method for instantaneous oscillating phasor measurement is proposed in this paper. The proposed method is based on one cycle DFT and applies three consecutive DFT values for phasor measurement. First, an analysis of standard DFT based phasor measurement method under low frequency oscillations is given. Then a method to eliminate the phasor measurement errors is proposed based on the relation among three consecutive DFT values. Due to its high precision and low required processing effort, the proposed algorithm is a good candidate for online phasor measurement under low frequency oscillation transient conditions.
Article
Synchrophasor estimation accuracy is a well-known critical issue in systems for smart grid monitoring and control. This paper deals with an in-depth analysis of the effect of both steady-state and dynamic disturbances on single-cycle and multicycle windowed discrete Fourier transform (DFT)-based synchrophasor estimators. Unlike other qualitative or simulation-based results found in the literature, this work provides two accurate and easy-to-use analytical expressions that can be used to determine the worst case range of variation of the total vector error (TVE) due to off-nominal frequency deviations. In such conditions, estimation accuracy is limited by two factors, i.e., the infiltration caused by the input signal image frequency and the scalloping loss associated with the spectrum main lobe of the chosen window. Starting from the aforementioned general analysis, a new two-term window minimizing the detrimental effects of image frequency tone is proposed. The accuracy of the related DFT-based synchrophasor estimator is evaluated under both static and dynamic conditions, which is the most interesting scenario for future smart grids. Moreover, the effect of waveform frequency measurement uncertainty on scalloping loss compensation is quantified. Several simulation results (including the effects of noise, harmonic distortion, and amplitude and phase modulation) confirm that the proposed window can significantly improve the accuracy achievable with a simple single-cycle DFT estimator. Indeed, TVE values much smaller than 1% can be achieved even in the worst case conditions reported in the standard IEEE C37.118.1-2011, when the frequency waveform deviations are within ±4% of the nominal value. In addition, the proposed solution could be useful to improve the performance of more complex dynamic phasor estimators, e.g., those in which the first- and second-order terms of the phasor Taylor series expansion result from the differences of consecutive DFT-based phas- r estimates.
Article
An efficient dependable smart power grid relies on the secure real-time data collection and transmission service provided by a monitoring system. In such a system, the measuring units, such as phasor measurement units (PMUs) and smart meters (SMs), are critical. These measuring equipments function as sensors in the smart grid. Data exchanges between these sensors and the central controller are protected by various security protocols. These protocols usually contain computationally intensive cryptographic algorithms that cause heavy energy overhead to the sensor nodes. Since PMUs and SMs are mostly energy-constrained, the problem of how to ensure the secure communication with minimum energy cost becomes a critical issue for the functionality of the whole smart grid. In this article, we focus on the low power secure communication of the PMUs and SMs. We take two wireless sensor platforms as examples to experimentally investigate the approaches and principles of reconciling the two conflicting system requirements¿communication security and low energy consumptions. The proposed methods are general ones and applicable to other energyconstrained yet security sensitive systems.