Arquitetura do Sistema de Teste

O software LabVIEW oferece flexibilidade para aplica¸c˜oes das mais variadas naturezas. No entanto, como esta trata-se de uma aplica¸c˜ao de tempo real, deve ser ob- servado o custo computacional envolvido na aplica¸c˜ao. Naturalmente, o Windows ´e um software de prop´osito geral e n˜ao de tempo real, o que dificulta aplica¸c˜oes com tempo- riza¸c˜ao precisa e previs´ıvel. Al´em disso, as tarefas do aplicativo executadas pelo processa- dor s˜ao compartilhadas com as tarefas do Windows, onde n˜ao h´a como estabelecer n´ıveis de prioridade para garantir a execu¸c˜ao das tarefas no tempo m´ınimo. Apesar disso, o Lab- VIEW oferece ferramentas de processamento em tempo real tradicionais, como sem´aforos e filas, ferramentas exclusivas do software, como sequenciadores de eventos e estruturas temporizadas al´em op¸c˜oes de tratamento em caso de estouro de tempo.

As amostras geradas pelo conversor D/A da placa s˜ao processadas no PC atrav´es do LabVIEW. O software calcula uma quantidade de amostras para gera¸c˜ao do sinal e as envia ao dispositivo DAQ atrav´es da conex˜ao USB. O dispositivo DAQ possui um buffer de dados correspondente ao tamanho da janela configurada no software. Isso corresponde `a um intervalo de gera¸c˜ao de tempo finito. Quando configurado para gera¸c˜ao cont´ınua, o buffer ´e realimentado com as pr´oprias amostras nele contido, a menos que novas amostras sejam enviadas pelo software. A Figura 60 ilustra este processo.

Cálculo das amostras

intervalo 1 intervalo 2 intervalo 3

intervalo 0 para o D/A buffer DAQ LabVIEW canal USB para geração no próximo intervalo

Como ´e necess´ario aplicar sucessivas varia¸c˜oes no sinal, durante a gera¸c˜ao de um intervalo de dados o software est´a calculando o conjunto de amostras para o pr´oximo intervalo. Portanto, para opera¸c˜ao correta dos testes ´e necess´ario processar as amostras antes que o buffer seja esvaziado. Para garantir o processamento e ao mesmo tempo atender os requisitos de amostragem (distribui¸c˜ao de amostras igualit´aria no per´ıodo dos pulsos), optou-se por intervalos de 1 segundo.

Apesar de possibilitar a gera¸c˜ao de sinais com at´e 1,25 MS/s, ´e utilizado uma taxa de 50 kS/s por quest˜oes de processamento. Dependendo do sinal gerado, h´a um custo computacional mais elevado com taxas superiores `a 50 kS/s e o PC n˜ao consegue calcular as amostras a tempo da pr´oxima janela de dados. Assim, s˜ao calculadas 50 mil amostras para gera¸c˜ao `a uma taxa de 50 kS/s. O resultado da estima¸c˜ao ´e o mesmo com taxas superiores.

No entanto, a gera¸c˜ao do sinal n˜ao ´e a ´unica fun¸c˜ao da plataforma, pois ela tamb´em deve receber os dados estimados pela PMU, process´a-los e armazen´a-los no com- putador. Como o pulso de sincronismo ´e gerado pelo dispositivo DAQ, n˜ao h´a etiqueta de tempo para as medidas. A ausˆencia da etiqueta de tempo dificulta a compara¸c˜ao entre as medidas de referˆencia e medidas estimadas pela PMU. Portanto, ´e necess´ario utilizar estrat´egias de sincronismo na opera¸c˜ao do software para que os dados da PMU sejam confrontados com os dados de referˆencia, permitindo a exibi¸c˜ao nos gr´aficos e a grava¸c˜ao dos dados de forma ordenada.

Como a gera¸c˜ao do sinal ´e cont´ınua, assim como a recep¸c˜ao dos dados da PMU, ´e necess´ario que estas fun¸c˜oes estejam alocadas dentro de la¸cos while. Para garantir que haja execu¸c˜ao em tempo real e uma fun¸c˜ao n˜ao interfira em outra, as tarefas relacionadas a elas foram distribu´ıdas em 2 la¸cos while diferentes para permitir o processamento para- lelo. Para isso, s˜ao utilizados la¸cos while temporizados, os quais permitem configura¸c˜oes associadas ao controle de execu¸c˜ao do la¸co. Nesse caso, cada la¸co ´e configurado para execu¸c˜ao em um n´ucleo do processador e portanto, ´e necess´ario no m´ınimo um proces- sador com dois n´ucleos para o funcionamento da aplica¸c˜ao. Assim, a gera¸c˜ao do sinal ´e dedicada ao n´ucleo 0 e a recep¸c˜ao dos dados da PMU dedicada ao n´ucleo 1, permitindo a execu¸c˜ao das tarefas paralelamente. A Figura 61 ilustra a arquitetura do sistema.

Ainda h´a a presen¸ca de um terceiro la¸co, por´em convencional. Este la¸co possui a fun¸c˜ao de calcular os erros de medida dentro de intervalos aproximados de 1 segundo. Como n˜ao se trata de um la¸co temporizado, este ´e executado por qualquer n´ucleo nos mo-

5.5 Software de Testes 103

PMU

DAQ

dados via USB ambiente virtual (PC) ambiente externo sinais elétricos dados via serial Geração de amostras Dados de referência Recepção dos dados Gravação dos dados Cálculo de erros laço convencional laços temporizados clock via USB Leitura das referências

Define os parâmetros do sinal

Figura 61: Arquitetura simplificada da plataforma de testes.

mentos em que est˜ao dispon´ıveis. Tamb´em ´e importante mencionar que as abas principais do aplicativo possuem controle de ativa¸c˜ao. Assim, o la¸co convencional s´o ´e executado quando o usu´ario acessa a aba Real-Time Data, onde os indicadores de erro est˜ao locali- zados.

Outra estrat´egia fundamental ao funcionamento da plataforma ´e uso de um contador do dispositivo DAQ como fonte de clock para opera¸c˜ao do la¸co de recep¸c˜ao dos dados. Assim, ao inv´es de utilizar a fonte de clock digital do PC, utiliza uma fonte de clock precisa do dispositivo DAQ que deve ser configurada no pr´oprio software. Al´em disso, o uso desta estrat´egia for¸ca a reentrada no la¸co na pr´oxima borda de subida do clock, ap´os uma itera¸c˜ao ser conclu´ıda. Isso evita que o processador fique ocioso ou se ocupe com outras tarefas nos instantes entre itera¸c˜oes do la¸co.

No caso do la¸co de gera¸c˜ao de sinais, a dinˆamica de execu¸c˜ao est´a associada a janela de amostras, que possui per´ıodo de 1 segundo. Portanto, a taxa de execu¸c˜ao deste la¸co ´e de 1 Hz. J´a o la¸co de recep¸c˜ao dos dados da PMU, tem a dinˆamica associada a frequˆencia de medidas fornecidas pela PMU. Como a PMU proposta reporta uma taxa de 25 de medidas por segundo, a frequˆencia de execu¸c˜ao do la¸co ´e 25 Hz. Portanto, as medidas de referˆencia s˜ao calculadas no la¸co de gera¸c˜ao de sinais e armazenadas em vetores de 25 posi¸c˜oes. O la¸co de recep¸c˜ao faz a leitura destes vetores uma posi¸c˜ao de cada vez, sincronizando com os dados recebidos da PMU.

5.6 SOFTWARE DE AN ´ALISE DE DADOS E CALIBRAC¸ ˜AO

A calibra¸c˜ao ´e necess´aria para relacionar as medidas da PMU com o sinal de entrada e corrigir os erros inseridos pela instrumenta¸c˜ao. Para calibra¸c˜ao e an´alise dos resultados de teste de forma eficiente, desenvolveu-se um segundo aplicativo apresentado na Figura 62.

Figura 62: Aplicativo de an´alise dados: aba de gera¸c˜ao de curvas de ajuste para calibra¸c˜ao. O aplicativo ´e organizado por abas, contendo 20 gr´aficos com informa¸c˜oes dos resultados dos testes. Al´em dos gr´aficos, no lado direito do aplicativo encontram-se os erros m´aximos, m´edios e m´ınimos entre todas as vari´aveis de interesse para o intervalo selecionado pelo usu´ario.

A aba Synchrophasors apresenta o gr´afico de TVE e os gr´aficos dos valores, erros e erros absolutos de magnitude e ˆangulo. A segunda aba, Frequency e ROCOF, apresenta os gr´aficos dos valores, erros e erros absoluto de frequˆencia e ROCOF.

Na sequˆencia, a aba Curve Fitting apresenta fun¸c˜oes de calibra¸c˜ao. O primeiro gr´afico permite selecionar os conjuntos de dados dos eixos X e Y para gerar curvas de calibra¸c˜ao entre eles. O aplicativo permite selecionar o ajuste pelo m´etodo dos m´ınimos quadrados entre quatro tipos de ajuste (linear, exponencial, logar´ıtmico e polinomial), fornecendo os coeficientes da curva de ajuste para implementa¸c˜ao na PMU, al´em do coeficiente de correla¸c˜ao. Um segundo gr´afico logo abaixo apresenta a diferen¸ca entre o

5.7 Conclus˜ao 105 conjunto de dados e o ajuste pretendido.

A aba Bode diagram apresenta um diagrama de bode (como o diagrama da Figura 49) com escala logar´ıtmica e cursores, para estudos de filtros anal´ogicos atrav´es de testes de varia¸c˜ao de frequˆencia. Finalmente, a aba Histogram apresenta histogramas de erro das medidas magnitude, ˆangulo, frequˆencia e TVE. A Figura 63 apresenta os histogramas gerados pelo aplicativo de an´alise.

Figura 63: Aplicativo de an´alise de dados: histogramas das medidas.

5.7 CONCLUS ˜AO

Este cap´ıtulo apresentou a plataforma de testes desenvolvida para avalia¸c˜ao da arquitetura de PMU proposta no cap´ıtulo anterior. Foram descritos hardware e software empregados no desenvolvimento da plataforma, com aplicativo principal (testes) e aplica- tivos auxiliares (an´alise de sinais e an´alise de dados e calibra¸c˜ao). Apesar da automa¸c˜ao empregada no sistema, a an´alise dos resultados de teste de degrau ainda n˜ao foram 100 % automatizados. Portanto, os tempos de resposta e atraso s˜ao obtidos manualmente com o aux´ılio do aplicativo atrav´es de uma s´erie de procedimentos.

6 RESULTADOS

6.1 INTRODUC¸ ˜AO

Este cap´ıtulo apresenta os resultados de medi¸c˜ao do dispositivo proposto. Pri- meiramente ´e mostrado o desempenho da PMU atrav´es da aplica¸c˜ao de todos os testes previstos pela norma, onde ´e feita a an´alise e discuss˜ao de cada teste. Os testes foram aplicados atrav´es da plataforma apresentada no cap´ıtulo anterior e com isso, ´e poss´ıvel avaliar n˜ao somente a PMU, mas tamb´em a pr´opria plataforma de testes. Finalmente, s˜ao apresentados resultados de monitoramento do sistema el´etrico durante 24h por dia, obtidos atrav´es de duas PMUs conectadas `a rede el´etrica de baixa tens˜ao.

No documento Arquitetura para o desenvolvimento de unidades de medição fasorial sincronizada no monitoramento a nível de distribuição (páginas 104-109)