Maestría en Potencia Eléctrica · 2004
Prototipo de rele digital multifuncional basado en microcontroladores 87c196kc
Este trabajo de investigación comprende el diseño y la construcción de un modelo de relé numérico de funciones múltiples para la protección de sistemas eléctricos de potencia. Se utiliza un microcontrolador 87C196KD de Intel de 20 MHz para la realización de las operaciones de adquisición, conversión analógica-digital y tratamiento digital de señales. También se encarga de la lógica de protecciones y el comando de un microcontrolador PIC 168 que actúa como esclavo para el manejo de los dispositivos de entrada/salida e interfaz del usuario. El diseño del hardware incorpora además del módulo del procesador los módulos de: transformadores de tensión y corriente; acondicionamiento de señales analógicas; memorias e interfaz del usuario y entradas/salidas digitales. El módulo de acondicionamiento de señales analógicas se encarga de adaptar las señales provenientes de los transformadores de acople al rango de 0 a 5 V pico compatible con el conversor analógico-digital. Cuenta con un banco de filtros, amplificadores de ganancia programable, sumadores de offset, detectores de ventana y protectores del puerto análogo. El microcontrolador PIC esclavo controla la interfaz del usuario que incluye un visualizador de cristal líquido, un teclado matricial, un reloj en tiempo real y los interruptores de solicitud de configuración local y solicitud de reinicio general. Este PIC también controla las salidas de disparos y alarmas del sistema de protección. Se emplea memoria EPROM para almacenar código de programas y tablas, mientras que las configuraciones de parámetros se almacenan en memoria EEPROM. Para almacenamiento temporal de los datos se emplea la memoria RAM disponible en el microcontrolador 87C196KD (1 KByte).
Texto completo 187 páginas con texto de 193
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 15
- ELÉCTRICOS DE POTENCIAp. 18
- GENERALIDADES DE LAS PROTECCIONES DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIAp. 18
- Funciones de las proteccionesp. 18
- Elementos de una protecciónp. 18
- Requisitos que debe cumplir una protecciónp. 19
- CLASES DE RELÉSp. 20
- Según su construcciónp. 20
- Comparación entre relés analógicos, digitales y numéricosp. 21
- Clasificación de relés según la señal de entradap. 21
- DESARROLLO HISTÓRICO DE LOS RELÉS DE PROTECCIÓNp. 22
- Relés electromecánicosp. 22
- Relés estáticosp. 23
- FUNDAMENTOS DE RELÉS NUMÉRICOSp. 24
- Arquitectura de un relé numéricop. 24
- Ventajas y desventajas esperadas del uso de los relés numéricosp. 26
- Particularidades de los relés numéricosp. 27
- Capacidad de autodiagnósticop. 29
- ESTADO DEL ARTE DE LA INVESTIGACIÓN EN PROTECCIONES NUMÉRICAS EN LA EEETp. 30
- FUNCIONES DE PROTECCIÓNp. 32
- PROTECCIONES DE TENSIÓNp. 32
- Protecciones contra subtensión rms y sobretensión rms. Funciones ANSI 27 y 59p. 32
- Protección contra sobretensión pico. Función ANSI 59 Pp. 33
- PROTECCIONES DE POTENCIA DIRECCIONALp. 33
- Protección de potencia inversa. Función ANSI 32 Rp. 33
- Protección de potencia directa trifásica. Función ANSI 32 Fp. 34
- FUNCIÓN 81_U Y CON RESTRICCIÓN DE TENSIÓNp. 34
- PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTEp. 35
- 50 y 50Np. 36
- SISTEMAp. 19
- TRANSFORMADA DISCRETA DE FOURIERp. 38
- DFT en tiempo realp. 40
- Efectos del muestreo en la DFTp. 42
- OBTENCIÓN DE MAGNITUDES A PARTIR DE LA DFT DE LA SEÑALp. 44
- Fasor de frecuencia fundamentalp. 44
- Fasor de corriente de secuencia negativap. 45
- Valores rms de tensión y corrientep. 45
- PARÁMETROSp. 67
- Acondicionamiento de las señalesp. 49
- Conversión analógica-digitalp. 51
- Estimación de la Transformada Discreta de Fourierp. 54
- tensión o corrientep. 59
- Cálculo de la frecuencia del sistemap. 61
- DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROTOTIPO DE RELÉ MULTIFUNCIONALp. 66
- PARÁMETROS DE CONFIGURACIÓN DE LAS FUNCIONES DE PROTECCIÓNp. 67
- Configuración de las funciones del grupo 1. Tensiónp. 68
- Configuración de las funciones del grupo 2. Potenciap. 69
- Configuración de las funciones del grupo 3. Frecuenciap. 69
- Configuración de las funciones del grupo 4. Sobrecorrientep. 70
- SEÑALES DE ENTRADA/SALIDAp. 71
- Señales de entrada analógicasp. 71
- Señales de entrada de estadop. 72
- Salidas de estado de funciones de protecciónp. 72
- Señales de estado de autodiagnósticop. 74
- Salidas digitales de operaciónp. 74
- INTERFAZ DEL USUARIOp. 17
- Operación en modo de ajustep. 76
- RECONFIGURACIÓN Y AUTODIAGNÓSTICO PERIÓDICOSp. 81
- REGISTRO DE EVENTOSp. 82
- NÚCLEO DEL PROTOTIPO DE RELÉ MULTIFUNCIONALp. 85
- Microcontrolador 87C196KDp. 85
- Tarjeta de desarrollo 196 KD de Intelp. 89
- POTENCIAp. 18
- Circuitos de tensiónp. 93
- Circuitos de corrientep. 94
- MÓDULO DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES ANALÓGICASp. 96
- Banco de filtros antialiasing (pasabajos)p. 97
- Amplificadores de ganancia programable (AGP)p. 101
- MÓDULO DE CONTROL DE MEMORIA E INTERFAZ DEL USUARIOp. 106
- Mapa de memoria del sistemap. 107
- Submódulo de control de interfaz de usuariop. 108
- Módulo de entradas y salidas digitalesp. 111
- SOFTWARE DEL PROTOTIPO DE RELÉ MULTIFUNCIONALp. 113
- GENERALIDADES DEL SOFTWAREp. 113
- SOFTWARE PARA EL MODO DE OPERACIÓN NORMAL : MODO_OPERACIÓNp. 116
- Rutinas de control de la conversión analógico digitalp. 116
- Rutina de tratamiento digital de señales: DFTp. 117
- Software de verificación de la lógica de proteccionesp. 120
- Software del lazo principal del modo de operaciónp. 128
- Otras subrutinas del submenú operaciónp. 129
- SOFWARE PARA EL MODO DE INICIOp. 129
- Rutinas de reconfiguración y autodiagnóstico REINICIA_Rp. 129
- Subrutinas de normalización de tablas de configuraciónp. 130
- SOFTWARE PARA EL MODO DE CONFIGURACIÓNp. 132
- Rutina de control de despliegues de menú DES_MENUp. 132
- Rutina de control del despliegue de menú actual DSPLG_0p. 134
- Subrutinas del submenú de configuraciónp. 137
- Subrutinas del submenú de mediciónp. 138
- Subrutinas del submenú de archivop. 138
- SOFTWARE PARA EL CONTROL DEL VISUALIZADOR LCD PG1223-2ARSp. 139
- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESp. 141
- CONCLUSIONESp. 141
- RECOMENDACIONESp. 143
- BIBLIOGRAFIAp. 145
- Figura 1. Elementos de un sistema de protecciónp. 19
- Figura 2. Diagrama en bloques de un relé numéricop. 25
- Figura 3. Curvas ANSI características de corriente inversap. 37
- Figura 4. Señal continua x(t) y señal discreta x(n) correspondientep. 39
- Figura 5. Algoritmo de cálculo de la frecuencia del sistemap. 49
- Figura 6. Aplicación del algoritmo de estimación de la frecuenciap. 63
- Figura 7 Ventana de operación normalp. 75
- Figura 8. Ventanas presentadas en estado de fallap. 75
- Figura 9 Menú principalp. 76
- Figura 10. Ejemplo de secuencia de ventanas del submenú de configuraciónp. 78
- Figura 11. Submenú Multímetrop. 79
- potencia y frecuenciap. 80
- Figura 13. Opciones del submenú de Autopruebasp. 80
- Figura 15. Bloques del módulo de conversión analógico-digital del MCS-196p. 86
- sistema eléctrico de potenciap. 95
- Figura 18. Diagrama de pines y diagrama de bloques del filtro MF6CN-50p. 97
- Figura 19. Circuitos de entrada equivalente y real de entrada del filtro MF6CN-50p. 98
- Figura 22. Esquema de conexiones para el filtro MF6-CN50p. 101
- Figura 23. Circuito Amplificador de ganancia programablep. 102
- Figura 24. Generador de señales de control para los AGPsp. 103
- Figura 25. Circuito sumador de offset de 2,5 Vp. 104
- Figura 26. Circuito de referencia de – 2,5 V DCp. 105
- Figura 27. Circuito de protección para el puerto 0p. 106
- Figura 28. Estructura del módulo de memoria e interfaz del usuariop. 106
- Figura 29. Diagramas de pines y lógico de una memoria 27C256Bp. 108
- Figura 30. Diagrama de pines de la memoria 28C64p. 108
- Figura 31. Diagrama de pines del microcontrolador PIC 16F873p. 109
- Figura 32. Diagrama de pines del reloj en tiempo real DS1302p. 109
- Figura 33. Diagrama lógico del visualizador LCD PG12232ARp. 110
- Figura 34. Diagrama esquemático de un circuito de puerto digitalp. 111
- Figura 35. Circuito de conversión de salidas TTL en tipo contactop. 112
- Figura 36. Estructura modular del softwarep. 114
- Figura 37. Relación entre los módulos del softwarep. 115
- Figura 38. Diagrama de flujo rutina de servicio fin de conversión A/D FIN_ADp. 117
- Figura 39. Rutina de Procesamiento Digital de Señales: DFT 1ª partep. 118
- Figura 40. Rutina de Procesamiento Digital de Señales: DFT 2ª partep. 119
- Figura 41 Estructura general del bloque de Lógica de Proteccionesp. 121
- Figura 42. Macro para protecciones que verifican un límite superiorp. 122
- Figura 43. Macro para protecciones que verifican un límite inferiorp. 123
- Figura 44. Macro para las funciones de sobrefrecuenciap. 124
- Figura 45. Macro para las funciones de subfrecuenciap. 124
- Figura 46. Diagrama de flujo para la macro FUNCION_51p. 126
- Figura 47. Diagrama de flujo para la macro TEMPORIZARp. 127
- Figura 48. Diagrama de flujo del lazo principal del modo de operaciónp. 128
- Figura 49. Diagrama de flujo de la rutina REINICIA_Rp. 131
- Figura 51. Tabla de configuración y despliegue de ventanas para el Menú Principalp. 134
- Figura 52. Diagrama de flujo rutina de despliegue de menú actual DSPLG_0p. 135
- Figura 53. Diagrama de flujo de la rutina de SCAN_TECLAp. 136
- SCAN_TECLA y los vectores de rutinas para las teclasp. 137