ES2973046T3 - Método y sistema para el análisis del consumo de electricidad - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para analizar el consumo eléctrico de un sitio equipado con una pluralidad de equipos eléctricos de diferentes tipos, que comprende al menos un sensor para medir periódicamente la corriente y/o la tensión en al menos una de las fases eléctricas. aguas arriba de la red eléctrica del lugar, y un ordenador para realizar una operación de tratamiento consistente en: - muestrear al menos la señal actual a una frecuencia al menos 30 veces superior a la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación - aplicar un método de Fourier transformar a cada período fundamental de la señal actual, al menos - realizar un suavizado temporal de dicha señal transformada calculando una media temporal durante un período característico de cambio de comportamiento del equipo de la red (un período suficientemente largo con respecto al período de la portadora ; suficientemente breve para no cubrir varios eventos) - formar una base de datos de firmas diseñada para el sitio que se está estudiando durante una primera etapa de implementación, - a continuación, utilizar dicha base de datos de referencia de firmas para calificar los eventos que ocurren en dicha red. La invención también se refiere a un sistema para implementar este método. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método y sistema para el análisis del consumo de electricidad

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo del análisis del consumo eléctrico de un recinto residencial, del sector terciario o industrial, de forma no intrusiva, es decir, que no requiera la instalación de sensores asociados a cada uno de los aparatos que se han de monitorizar. Este análisis permite, en particular, identificar la principal reducción de los costes energéticos.

Técnica anterior

Se conocen en la técnica anterior diversas soluciones que consisten en adquirir información sobre los factores de forma de la corriente y/o de la tensión de alimentación aguas arriba del recinto y deducir información sobre el consumo individual de cada uno de los artículos de equipos eléctricos.

Una primera familia de soluciones consiste en observar las variaciones temporales de la curva de carga y en identificar las firmas en comparación con firmas de referencia registradas para los principales equipos.

En particular, la solicitud de patente europea EP2000780 describe un método de detección y estimación del consumo de usos eléctricos de las instalaciones de un abonado, caracterizado porque consiste al menos en:

- establecer la curva general de consumo de electricidad de las instalaciones del abonado, etapa que consiste en establecer la curva general de consumo de las instalaciones del abonado, incluyendo al menos: un muestreo del consumo de los efluentes consumidos por las instalaciones del abonado, realizándose dicho muestreo aguas abajo del contador de consumo de efluentes conectado al ramal de la red general;

- realizar, mediante segmentación de la curva general de consumo de las instalaciones del abonado, y mediante el seguimiento de los eventos de consumo eléctrico en régimen transitorio, el reconocimiento de los usos eléctricos, y la estimación de su correspondiente consumo.

La solicitud de patente internacional WO 2010106253 también describe un método para analizar el consumo eléctrico de una pluralidad de aparatos eléctricos que funcionan en un recinto de consumo, mediante el filtrado de una curva de carga que representa el consumo eléctrico de dichos aparatos en función del tiempo, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

- antes del filtrado propiamente dicho de la curva de carga;

- registrar y digitalizar la curva de carga, para obtener una curva de carga digitalizada por períodos de tiempo;

- definir un conjunto de clases de aparatos, definiéndose cada clase por ciclos de variación de potencia similares;

- definir, para cada clase de aparatos, un algoritmo de filtrado de la curva de carga dedicado a dicha clase de aparatos, pudiendo dicho algoritmo extraer ciclos de variación de potencia de la curva de carga digitalizada, y asignarlos a dicha clase de aparatos;

- luego, durante el filtrado propiamente dicho de la curva de carga digitalizada, utilizar sucesivamente los algoritmos de filtrado dedicados a cada clase de aparato para identificar y agrupar, a partir de la curva de carga digitalizada, los ciclos de variación de la potencia consumida por los aparatos eléctricos. Una segunda familia de soluciones consiste en tener en cuenta no la variación temporal de la potencia medida aguas arriba de la instalación, sino la forma de onda de la corriente consumida por cada uno de los equipos.

En particular, la solicitud de patente internacional WO 2011012840 se refiere a un método para identificar el funcionamiento de un aparato eléctrico, por ejemplo, un motor de inducción. El método comprende identificar el funcionamiento de un aparato eléctrico cuando una trayectoria trazada por valores de potencia reales con respecto a correspondientes valores de potencia virtuales durante un período particular comprenda uno o más arcos sustancialmente circulares. Los valores de potencia reales están asociados a la potencia real total suministrada a uno o más aparatos eléctricos en función del tiempo, y los valores de potencia virtuales están asociados a la potencia virtual total suministrada a uno o más aparatos eléctricos en función del tiempo. La invención también se refiere a un método asociado para identificar el funcionamiento de un tipo específico de aparato, en donde el funcionamiento de dicho tipo específico de aparato depende del suministro de al menos una fuente de energía, tal como la electricidad, el gas natural o el agua. La invención también se refiere a programas informáticos, medios legibles por ordenador, y productos y aparatos de programa informático correspondientes.

Dentro de la misma familia de soluciones, la patente europea EP1296147 describe un método para la estimación del consumo eléctrico individual de una pluralidad de aparatos eléctricos, consistente en:

- crear un modelo para estimar el consumo eléctrico de cada uno de los aparatos eléctricos a partir de las relaciones entre los datos relativos a los armónicos fundamentales y superiores de la corriente a plena carga y sus diferencias de fase de tensión a partir de la corriente a plena carga y la tensión obtenidas a partir de combinaciones de diferentes estados de uso de una pluralidad de aparatos eléctricos y el consumo eléctrico utilizadas para obtener dichos datos

- y obtener el consumo eléctrico de aparatos individuales en funcionamiento, utilizando dicho modelo para estimar el consumo de cada aparato a partir de dichos armónicos fundamentales y superiores de dicha corriente a plena carga y sus diferencias de fase de tensión mencionadas obtenidas a partir de dicha corriente a plena carga y la tensión medidas en las proximidades de una entrada de servicio.

También se conoce la solicitud de patente internacional WO2012168629 del solicitante que describe la invención de un método para analizar el consumo de electricidad de un recinto equipado con una pluralidad de equipos eléctricos de diferente naturaleza, consistente en:

- medir periódicamente la corriente y la tensión en al menos una de las fases eléctricas aguas arriba de la red eléctrica del recinto

- aplicar sobre una combinación de señales digitalizadas un procesamiento para determinar la distribución del consumo en función de al menos parte de dicho equipo, en función de una firma de cada uno de dichos equipos, caracterizado por que dicho procesamiento consiste en comparar la forma de onda de la corriente medida con una biblioteca de firmas previamente registradas para cada uno de dichos artículos de equipos eléctricos, comprendiendo dichas firmas al menos una función de parámetro de la forma de onda de la tensión de alimentación

- determinar y registrar la firma de cada uno de los equipos durante una etapa preliminar que consiste en aplicar a cada uno de los aparatos una serie predeterminada de secuencias de potencia con señales de tensión cuya forma de onda es representativa de las formas de onda observadas en las instalaciones eléctricas habituales

Desventajas de la técnica anterior

Los métodos que consisten en observar las variaciones temporales de la curva de carga y en identificar firmas en comparación con las firmas de referencia registradas para los principales equipos, no son adecuados para analizar recintos que comprendan un gran número de equipos. De hecho, la periodicidad de las adquisiciones es del orden de un segundo. Cuando varios equipos se detienen o arrancan con un desfase temporal reducido, inferior a la periodicidad de adquisición, se produce un fenómeno de enmascaramiento que impide un reconocimiento pertinente de los equipos en cuestión.

Además, el método tiene en cuenta solo los transitorios (arranque/parada) y no permite tener en cuenta los equipos en funcionamiento continuo.

Estos problemas han llevado a desarrollar la segunda familia de soluciones, basadas en el análisis de las formas de onda.

El problema técnico que plantean estos métodos es el de la solidez de las operaciones de procesamiento. En efecto, estos métodos se basan en la caracterización de un equipo mediante una firma registrada en una situación particular. Cuando el equipo se utiliza en un recinto, esta firma se ve ligeramente alterada, en particular por la calidad de la tensión de alimentación. Por tanto, es necesario prever un margen de error que permita la detección real de los equipos. Sin embargo, este margen de error genera un riesgo de confusión entre diferentes equipos, pero cada uno de ellos caracterizado por firmas cercanas.

Para reducir este riesgo, los métodos conocidos en la técnica anterior requieren una etapa de configuración de parámetros locales que requiere mucho tiempo, y que solo puede realizarla un operador humano presente en el recinto durante un período de tiempo relativamente largo. Esta etapa de parametrización local consiste en generar cada una de las firmas realizando una medición de corriente y tensión en el suministro de energía eléctrica de los equipos, cuando se encuentran en funcionamiento.

Finalmente, se conoce la patente EP2402771, que describe un aparato de monitorización de potencia para identificar el estado de un aparato eléctrico en base a las evaluaciones del usuario, y se proporciona un método para monitorizar la potencia del mismo.

El aparato de control de potencia comprende un módulo de medición, un módulo de detección y búsqueda de variaciones, y una base de datos de firmas del aparato eléctrico establecida den base a las evaluaciones de los usuarios.

Cuando el módulo de medición detecta una variación en una característica de consumo de energía, el módulo de detección y búsqueda de variaciones en la base de la firma del aparato eléctrico, en función de la variación de obtención de aparatos eléctricos similares a la variación y los estados de los mismos.

Un usuario proporciona datos a la base de datos de firmas del aparato eléctrico, confirmando el resultado de la búsqueda o seleccionando el aparato eléctrico correcto, y su estado.

Cuando el usuario confirma el resultado de la búsqueda, el aparato de control de potencia establece una asociación entre el aparato eléctrico y las firmas del aparato eléctrico, y actualiza la base de datos de la firma del aparato eléctrico. En particular, la patente EP2402771 propone utilizar la firma común a todos los usuarios, y no tiene en cuenta el contexto del edificio ni las perturbaciones provocadas por la red.

Solución proporcionada por la invención

Con este fin, la invención se refiere, en su forma más generalmente aceptada, a un método para analizar el consumo de electricidad de un recinto equipado con una pluralidad de equipos eléctricos diferentes, que presenta las características indicadas en la reivindicación 1.

El método consiste en:

- muestrear al menos la señal de corriente a una frecuencia al menos 30 veces mayor que la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación eléctrica

- aplicar una transformada de Fourier sobre cada período fundamental de la señal de corriente al menos

- proceder a un suavizado temporal de dicha señal transformada, calculando una media temporal durante un período característico de cambio de comportamiento de los equipos de la red, siendo dicho período suficientemente largo con respecto al período de la portadora y suficientemente corto como para no abarcar varios eventos,

- formar una base de datos de firmas adaptada al recinto estudiado durante una primera etapa de implementación, consistente en:

° registrar durante un largo período las firmas candidatas que puedan estar asociadas a una variación en el consumo de uno de dichos equipos

° opcionalmente, añadir a dicha base las firmas precalificadas

° cambiar iterativamente los parámetros de las firmas no precalificadas

° registrar en una base de datos de referencia las firmas más representativas de los eventos relacionados con el funcionamiento de dichos equipos

° opcionalmente, calificar cada una de las firmas registradas en dicha base de datos en relación con un evento asociado

- posteriormente, utilizar la base de datos de firmas de referencia para calificar los eventos que ocurren en dicha red. Esta solución permite evitar la intervención de un operadorin situmediante la autoconfiguración del sistema, para formar de manera automatizada una base de datos de firmas perfectamente acorde con los eventos que se desea detectar.Descripción detallada de una realización no limitativa

La presente invención tiene como objetivo proporcionar una solución técnica a los problemas que plantean los métodos de análisis de la técnica anterior.

Para ello, la invención se refiere, en su forma más generalmente aceptada, a un método de análisis del consumo de electricidad de un recinto equipado con varios equipos eléctricos diferentes, consistente en medir periódicamente la corriente y la tensión en al menos una de las fases eléctricas aguas arriba de la red eléctrica del recinto, aplicar a una combinación de las señales digitalizadas un procesamiento para determinar la distribución del consumo, en función de al menos parte de dichos equipos, caracterizado por que dicho procesamiento consiste en comparar la forma de onda de la corriente medida, con un catálogo de firmas correspondientes a los elementos eléctricos presentes en el recinto en cuestión, de las cuales, al menos parte de ellas, consisten en firmas extraídas durante una etapa de configuración a partir de un historial de datos de forma de onda de corriente registrados en el recinto, y otra parte puede provenir de una biblioteca de firmas registradas previamente, siendo finalmente asignadas dichas firmas y las curvas de consumo temporal asociadas a los equipos eléctricos del recinto.

Preferiblemente, después de la extracción de nuevas firmas en la etapa de configuración, se permite que estas firmas varíen ligeramente a fin de permitir la descomposición de las formas de onda de corriente medidas como una combinación lineal de las firmas extraídas alteradas y de las firmas fijas que se registraron previamente, con, para cada firma, consumos asociados que sean positivos. En particular, las alteraciones de las firmas extraídas permiten tener en cuenta la variabilidad de las firmas reales debida a las variaciones de la forma de onda de la tensión de alimentación, así como la variabilidad intrínseca de las firmas reales.

Preferiblemente, la firma de al menos parte de dichos equipos es en función de una combinación de firmas de los elementos eléctricos implementados por el equipo en cuestión. Ventajosamente, un procesamiento tiene en cuenta el ciclo de activación de los elementos eléctricos que constituyen cada uno de los equipos en cuestión.

Preferiblemente, al menos parte de las firmas comprende al menos un parámetro que depende de la forma de onda de la tensión de alimentación observada.

Según una realización particular, al menos parte de los equipos está asociada a un catálogo de firmas, considerándose cada una de las firmas de dicho catálogo de un equipo, teniendo en cuenta la forma de onda de tensión de la señal de alimentación, medida en el momento de la adquisición de la firma.

Según una realización preferida, el procesamiento de análisis consiste en aplicar una primera etapa de cálculo de una transformada rápida de Fourier a las señales de corriente y tensión.

Ventajosamente, el procesamiento de análisis consiste en aplicar una segunda etapa de descomposición del resultado de la transformada rápida de Fourier, en función de las firmas características de cada uno de dichos equipos.

Según una alternativa, el procesamiento del análisis consiste en aplicar una etapa adicional de validación de los resultados de la etapa de descomposición, que consiste en verificar la presencia de variaciones temporales en las formas de onda de corriente de cada uno de los elementos reconocidos. Preferiblemente, el procesamiento de análisis comprende una etapa adicional de asociar los elementos reconocidos para identificar los equipos en cuestión.

La invención también se refiere al método para extraer nuevas firmas de equipos eléctricos presentes en un recinto dado, a partir de un historial de datos de formas de onda de corriente medidos en dicho recinto.

Preferiblemente, la extracción de estas firmas se realiza mediante un algoritmo de optimización matemática destinado a minimizar una función objetivo que depende de dichas firmas en un historial de datos de forma de onda de corriente medidos en el recinto en cuestión. En cada iteración de la optimización, las formas de onda de corriente se descomponen como combinaciones lineales de las firmas estimadas en este momento de la optimización, multiplicando la firma de la forma de onda de corriente por la matriz pseudoinversa de la matriz construida mediante la agregación de las firmas estimadas. Los coeficientes de estas combinaciones lineales proporcionan las curvas temporales del consumo de potencia real asociado a estas firmas en el historial de datos. La función objetivo se calcula directamente a partir de estas curvas de potencia real. El algoritmo actualiza la estimación de las firmas en cada iteración, con el objetivo de minimizar la función objetivo.

Ventajosamente, la función objetivo calculada con las curvas de potencia real asociadas a cada firma, consiste en una suma de tres subfunciones. Una primera subfunción penaliza la negatividad de las curvas de consumo para cada firma. Una segunda subfunción penaliza la correlación entre las derivadas de las curvas de consumo de las diferentes firmas, es decir, penaliza las variaciones de potencia correlacionadas de las diferentes firmas. Finalmente, la tercera subfunción promueve la no gaussianidad de las derivadas de las curvas de potencia real de las diferentes firmas, utilizando el mismo principio que los métodos de análisis de componentes independientes.

En una realización particular, se pueden establecer determinadas firmas a lo largo del proceso de optimización, de modo que la optimización se refiera únicamente a la parte del catálogo de firmas fuera de dichas firmas establecidas. Estas firmas pueden ser firmas de aparatos genéricos, tales como, por ejemplo, firmas de aparatos puramente resistivos. Ventajosamente, estas firmas genéricas han sido registradas previamente con un parámetro dependiente de la forma de onda de la tensión de alimentación, utilizándose esta misma parametrización en cada iteración de la optimización, a fin de incorporar estas firmas al catálogo de firmas, en función de la forma de onda de la tensión de alimentación en cada instante del historial, y a fin de obtener la descomposición de potencia real de las distintas firmas. Las firmas establecidas en el catálogo también podrán ser firmas de aparatos eléctricos propios del recinto estudiado, y medidas en dicho recinto.

Según una variante, el método comprende, además, una etapa de procesamiento adicional, que consiste en descomponer cada firma extraída de una base a firmas conocidas, a fin de determinar si es unitaria o no.

La invención también se refiere a un método para la construcción de una biblioteca de firmas y para modelar los equipos con vistas a implementar el método de análisis anteriormente mencionado, caracterizado porque los diferentes elementos eléctricos que constituyen el equipo son alimentados por una tensión de forma de onda de referencia, y registrar datos digitales representativos de la forma de onda de las señales de medición de tensión y corriente.

Preferiblemente, para cada equipo, se registra un catálogo de firmas para cada pieza de equipo, correspondiendo cada firma a la forma de onda de las señales de tensión y corriente medidas cuando se suministran con una tensión de forma de onda diferente.

Realización ilustrativa detallada

La presente invención se entenderá mejor al leer la siguiente descripción de una realización no limitativa, con referencia a los dibujos adjuntos, donde:

- La Figura 1 muestra una vista esquemática de una instalación equipada con un medio de análisis según la invención

- La Figura 2 muestra el diagrama de las etapas implementadas por el método

- Las Figuras 3 y 4 muestran, para una forma de onda de tensión fija, respectivamente, la forma de onda de corriente de un aparato eléctrico, y el histograma de los armónicos resultantes de la aplicación de una transformada rápida de Fourier a la señal de corriente

- La Figura 5 muestra una vista esquemática del procesamiento aplicado a las señales de corriente y tensión medidas en la entrada de la red de suministro del recinto

- La Figura 6 muestra una vista esquemática del procesamiento aplicado a las señales de corriente y tensión, tras la etapa de extracción de firmas, hasta la etapa final de descomposición del consumo global en consumos según los equipos presentes en el recinto

- La Figura 7 muestra una vista del algoritmo de minimización

- La Figura 8 muestra una forma de onda no unitaria extraída

- Las Figuras 9 y 10 muestran las formas de onda unitarias resultantes de la descomposición de la forma de onda no unitaria.

Descripción general de la instalación

La Figura 1 muestra una realización particular de la invención.

El recinto (1) consiste, por ejemplo, en un edificio residencial individual o comunitario, un edificio de oficinas o un edificio industrial, o de un grupo de varios edificios.

En este edificio hay instalados diversos artículos equipos eléctricos (2 a 4), por ejemplo, un ordenador, una lámpara de iluminación, aparatos electrodomésticos, equipos de calefacción o de aire acondicionado, etc.

Estos distintos equipos están conectados a una red eléctrica privada de arquitectura habitual, estando conectada a su vez esta red privada a la red eléctrica de un distribuidor (5) de energía a través de una subestación (6), por ejemplo, un cuadro general de baja tensión asociado a un punto de entrega.

En esta subestación hay instalados sensores de tensión y corriente.

En cada una de las fases de alimentación de potencia hay instalados lazos de Rogowski que proporcionan una señal en función de la corriente, con gran precisión.

Para la medición de las tensiones se conecta a cada una de las fases un cable conectado a la herramienta (7) de análisis. La herramienta (7) de análisis está conectada a la subestación (6) mediante un haz de cables (8) para la transmisión de las formas de onda de las corrientes y tensiones medidas.

Medición de la tensión

En una red monofásica (un conductor neutro y una fase) o trifásica (tres fases y, opcionalmente, un neutro), la tensión es la cantidad eléctrica suministrada por el distribuidor de energía en cada fase. Cada aparato eléctrico conectado a una toma de corriente se somete a ella.

A fin de conocer el entorno eléctrico de la red observada, medimos la forma de onda de la tensión en cada una de las fases.

En efecto, el comportamiento de un aparato eléctrico puede variar en función de la tensión a la que se someta.

La información de interés es la forma de onda de la tensión durante un período de la señal (20 ms a 50 Hz, por ejemplo), llamado “ período de observación” . Esta forma de onda de la tensión, que puede asemejarse a una onda sinusoidal que haya sufrido alteraciones a lo largo de la red que conecta la central eléctrica con el punto de consumo, se transmite a una tarjeta electrónica, y luego se adquiere mediante un convertidor analógico-digital. Por tanto, se representa en forma digital. El número de muestras por período y la profundidad de la digitalización deben ser lo suficientemente grandes como para permitir una reproducción fiel y una medición con bajo ruido. La experiencia muestra la necesidad de al menos 64 puntos por período y una profundidad de digitalización mínima de 10 bits. Medición de la intensidad de la corriente

Cada aparato conectado a una red eléctrica se someta a una tensión y, en consecuencia, consume una corriente. En una red monofásica, esta corriente circula por el neutro y la fase; en una red trifásica equilibrada, la corriente fluye por las tres fases; en una red trifásica desequilibrada, la corriente circula por las tres fases y el neutro.

Partiendo de la observación de que los elementos constitutivos de un aparato eléctrico influyen en las alteraciones impartidas a la corriente que lo atraviesa, se quiere medir con precisión la intensidad de esta corriente.

Para ello se utilizan sensores de corriente (uno por fase), cuya función es generar una señal imagen de la corriente que circula por un conductor eléctrico. Más precisamente, utilizamos sensores no intrusivos, denominados lazo de Rogowski, que tienen forma de anillos a colocarse alrededor de los cables de alimentación de una instalación eléctrica. Como estos anillos están abiertos, no es necesario cortar la corriente para colocarlos en su sitio.

La información de interés es la forma de onda de la intensidad de la corriente durante un período de la señal (20 ms a 50 Hz, por ejemplo), llamado “ período de observación” . Esta forma de onda, que puede asemejarse a una onda sinusoidal que ha sufrido alteraciones tras su paso por diversos aparatos eléctricos, se transmite a una tarjeta electrónica, y luego se adquiere mediante un convertidor analógico-digital. Por tanto, se representa en forma digital. El número de muestras por período y la profundidad de la digitalización deben ser lo suficientemente grandes como para permitir una reproducción fiel y una medición con bajo ruido. La experiencia muestra la necesidad de al menos 64 puntos por período y una profundidad de digitalización mínima de 10 bits.

Descripción general de la herramienta de análisis

El método de análisis y distribución del consumo eléctrico requiere una cadena de medición y una adquisición eficiente de las formas de onda de las tensiones y corrientes. El aparato (7) en el que se basan estas etapas está compuesto por los siguientes módulos.

Las señales de formas de onda de corriente y tensión, medidas en la subestación (6), y transportadas por el haz (8) de cables, se digitalizan simultáneamente mediante convertidores analógico-digital (9) de alta precisión y bajo ruido. La unidad (10) de procesamiento realiza operaciones digitales sobre los datos medidos, y los compara con referencias almacenadas en una unidad (11) de almacenamiento, según el método que se describe a continuación. Los resultados así obtenidos se ponen a disposición de aparatos u operadores terceros, a través de una unidad (12) de comunicación.

Descripción general de la creación de una biblioteca de firmas

Para garantizar la robustez de los algoritmos implementados, antes de cualquier análisis se procede al modelado de una pluralidad de aparatos eléctricos. El objetivo de esta fase es construir una biblioteca de firmas correspondientes a determinados aparatos, que serán identificados una vezin situ.

La Figura 2 muestra una vista esquemática del método de modelado. Un aparato eléctrico (2) se modela mediante una serie de formas de onda de corriente capturadas mientras el aparato es alimentado por una serie de formas de onda de tensión diferentes.

Si es posible, el aparato eléctrico (2) a modelar se somete a una serie de formas de onda de tensión generadas por una fuente (1) de tensión programable, según una distribución estadística de las formas de onda de tensión que se encuentran habitualmente en el recinto objetivo o en términos absolutos. Para cada una de estas formas de onda de tensión, se miden las formas de onda de la tensión de alimentación y de la corriente consumida por el aparato eléctrico, mediante una unidad (5) de adquisición, y sensores (3) de corriente y sensores (4) de tensión. El par de formas de onda se almacena en el catálogo (6).

Si el aparato no puede ser alimentado por una fuente de tensión programable debido a congestión o exceso de potencia, se llevan a cabo mediciones en el recinto durante un tiempo bastante largo para observar formas de onda de tensión suficientemente diferentes.

Por defecto, si solo está disponible una forma de onda de corriente asociada a una única forma de onda de tensión, los resultados se extrapolan a fin de propagar las variaciones de tensión a la forma de onda de corriente.

Se obtiene una biblioteca de firmas, agregando las diversas mediciones de formas de onda de tensión y corriente para cada aparato modelado.

Las Figuras 3 y 4 muestran, para una forma de onda de tensión establecida, respectivamente, la forma de onda de corriente de un aparato eléctrico, y el histograma de los armónicos resultantes de la aplicación de una transformada rápida de Fourier a la señal de corriente ilustrada en la Figura 4.

A modo de ejemplo, la firma está constituida por los siguientes parámetros, para una forma de onda de tensión establecida; - la parte real de los armónicos sucesivos de las señales de corriente

- la parte imaginaria de los armónicos sucesivos de las señales de corriente

Estos parámetros permiten tener en cuenta las características de frecuencia y tiempo de la corriente.

Estos parámetros son estables y reproducibles, diferenciando los elementos eléctricos que componen el equipo. Descripción general del procesamiento de señales

El método de distribución del consumo eléctrico se basa en el análisis de las formas de onda de corriente y tensión. Se divide en cinco fases: preprocesamiento de las señales, selección de una serie de firmas coincidentes establecidas en la matriz de firmas, extracción de nuevas firmas mediante un algoritmo de optimización durante una etapa de configuración, descomposición de las señales observadas, en función de todas estas firmas, mediante un segundo algoritmo de optimización, asignación de las curvas temporales de consumo de las distintas firmas a los equipos presentes en el recinto.

Descripción general del algoritmo de configuración

La Figura 5 muestra una vista esquemática de las operaciones de procesamiento aplicadas a las señales de corriente y tensión medidas en la entrada de la red de suministro del recinto o de una parte del recinto (1,2), hasta la etapa de extracción de nuevas firmas.

Primero, debido a la cantidad de transitorios y artefactos que pueden ocurrir en una red eléctrica grande, se debe implementar una etapa de eliminación de ruido (3,4). Implica medir todas las cantidades físicas, tensiones e intensidades, durante un gran número de períodos.

En una realización particular, se aíslan aquellas mediciones que presentan las menores fluctuaciones, y se calcula el promedio. Luego se procede de la siguiente manera: medición simultánea de las formas de onda de corriente y tensión; cálculo de las variaciones de las sucesivas formas de onda; selección de los períodos más similares; cálculo de las formas de onda promedio.

A continuación, las señales de tensión y corriente sin ruido se convierten al espacio de frecuencia aplicando un algoritmo de transformada rápida de Fourier (FFT) (3,4). La experiencia demuestra que a menudo es suficiente considerar solo los armónicos impares.

Seguidamente, se realiza una selección de aparatos eléctricos a partir de una biblioteca de aparatos previamente modelados (6), y correspondientes a aparatos eléctricos presentes en el recinto (7).

Cuando está disponible esta selección y un historial de datos suficientemente largo de los datos FFT (5) de corriente y tensión sin ruido, se lleva a cabo una etapa de configuración.

Dicha etapa (8) de configuración consiste en un algoritmo que permite extraer las firmas de los aparatos eléctricos presentes en el recinto estudiado, y no incluidos en la selección inicial de aparatos modelados. Por lo tanto, a la salida del algoritmo hay un catálogo completo de firmas adecuadas para el recinto estudiado (9).

En términos matemáticos, se puede obtener un vector FFT de corriente medida en el recinto en un instante dado del historial, multiplicando un vector compuesto por los consumos asociados a las distintas firmas de aparatos presentes en el recinto, por la matriz cuyas diferentes columnas vienen dadas por dichas firmas, con la convención de normalizar estas firmas para que cada una represente una unidad de consumo, y también asumiendo que las diferentes firmas son linealmente independientes.

Un ejemplo sencillo de firmas independientes no lineales lo da un conjunto de más de dos firmas puramente sinusoidales, que en particular son características de equipos puramente resistivos e inductivos. Con estas condiciones, es posible recuperar de forma sencilla el consumo asociado a cada firma, multiplicando el vector FFT de corriente medido en el recinto por la matriz pseudoinversa de la matriz de firmas.

El algoritmo pretende minimizar una función objetivo que depende de la matriz de firmas. Dentro de esta matriz están establecidas las firmas de los aparatos previamente modelados que han sido seleccionados. Dado que la firma eléctrica de un aparato depende de la forma de onda de la tensión que lo alimenta, se procede, para cada instante del historial, a seleccionar las firmas que correspondan al máximo con la situación encontrada. Durante la optimización, las únicas variables que quedan libres en la matriz de firmas son, por tanto, las firmas complementarias, denominadas firmas extraídas, que no se tienen en cuenta en las firmas establecidas, y que no presentan ninguna dependencia en la forma de onda de tensión en el procedimiento de optimización.

Para una matriz de firmas dada, el algoritmo calcula los consumos asociados a cada instante del historial, mediante el método pseudoinverso descrito anteriormente. A continuación, el algoritmo puede calcular la función objetivo, que depende directamente de estas curvas de consumo. La función objetivo viene dada por la suma de tres subfunciones, previstas para promover o penalizar determinadas conductas de consumo. La primera subfunción penaliza los valores de consumo negativos. Las subfunciones segunda y tercera se aplican a las derivadas temporales de las curvas de consumo. La segunda subfunción penaliza la correlación temporal entre las derivadas temporales de las curvas de consumo de diferentes firmas. Finalmente, la tercera subfunción promueve la no gaussianidad de las derivadas temporales de las curvas de consumo, utilizando el mismo principio que los algoritmos de análisis de componentes independientes.

Dado que esta minimización es difícil debido a posibles mínimos locales, ventajosamente se realiza una inicialización con un algoritmo para analizar componentes independientes en las derivadas temporales de los vectores FFT de las mediciones de corriente.

Esta inicialización muy rápida permite optimizar primero las dos subfunciones que se aplican a las derivadas de las curvas temporales de consumo.

El funcionamiento general del algoritmo de minimización se describe en la Figura 7. El algoritmo procede probando en cada iteración una estimación de la matriz (1) de firmas, calculando para dicha estimación de la matriz de firmas las curvas (2) de tiempo de consumo, y calculando a partir de dichas curvas de consumo la función objetivo que se ha de minimizar (3). A continuación, el algoritmo actualiza esta estimación de la matriz de firmas, en función de los valores de la función objetivo obtenidos a lo largo de la estimación.

Descripción general del algoritmo de descomposición final

La Figura 6 muestra una vista esquemática de las operaciones de procesamiento aplicadas a las señales de corriente y tensión, tras la etapa de extracción de firmas, hasta la etapa final de descomposición del consumo global en consumos, según los equipos presentes en el recinto.

Nuevamente, a partir de las señales de forma de onda medidas de corriente (1) y tensión (2), se llevan a cabo las etapas de FFT y eliminación de ruido en el tiempo (3,4).

Para obtener la descomposición del consumo de las diferentes firmas, no se utilizan las firmas (6) obtenidas exactamente en la etapa de configuración, porque las nuevas firmas extraídas son constantes en el tiempo, mientras que las firmas reales de los aparatos correspondientes tienen variaciones, en particular, debido a la FFT de la tensión. Por tanto, la descomposición obtenida por el método pseudoinverso de la matriz de firmas puede proporcionar consumos negativos asociados para determinadas firmas.

Por este motivo, la descomposición final se realiza en función de las firmas, en una segunda etapa de optimización en períodos más cortos, del orden de una hora (5), donde las firmas establecidas todavía se calculan en relación con la FFT de la tensión, y se permite que las firmas extraídas se alteren ligeramente en relación con sus valores estimados en la etapa de configuración.

De nuevo, este algoritmo (7) pretende minimizar una función objetivo de la matriz de firmas, que depende directamente de los consumos asociados a las diferentes firmas. La función objetivo es la suma de cuatro subfunciones. La primera subfunción penaliza enormemente los valores de consumo negativos, mientras que las otras tres subfunciones penalizan las desviaciones entre diferentes cantidades calculadas con la matriz de firmas obtenida en la etapa de configuración, por un lado, y la matriz de las firmas alterados, por otro lado. Estas cantidades son, respectivamente, las curvas de consumo, las derivadas temporales de las curvas de consumo, y la propia matriz de firmas.

Una vez disponible la descomposición del consumo global en consumos asociados a las distintas firmas, la última fase del método consiste en cotejar cada firma con un equipo eléctrico del recinto, y así obtener la descomposición del consumo global por equipos presentes en el recinto (11).

Se utilizan diferentes fuentes de información para que esta asociación sea robusta y precisa. Por un lado, la propia firma es característica de determinados tipos de equipos y, por otro lado, la curva temporal de consumo también proporciona información discriminante sobre los distintos tipos de equipos a los que se puede asociar. Estas dos informaciones principales están conectadas, por un lado, con una biblioteca de firmas de aparatos eléctricos genéricos y de firmas medidasin situ(9), y, por otra parte, con información sobre el funcionamiento eléctrico de los equipos presentes en el recinto (10), en particular, sus distintos modos de funcionamiento y sus potencias nominales.

Realizaciones alternativas

La extracción de firmas basada en la observación de las variaciones del consumo total de una red eléctrica, puede conducir a la elección de firmas resultantes de la combinación de varios aparatos eléctricos unitarios con funcionamiento sincronizado. Por tanto, la firma elegida no permite aislar el funcionamiento de cada uno de los aparatos en cuestión.

Para proporcionar un nivel superior de discriminación, un procesamiento complementario trata de descomponer cada firma extraída sobre la base de firmas conocidas para determinar si es unitaria o no. Cada firma extraída se proyecta sobre una base cuyas direcciones representan las firmas de aparatos eléctricos unitarios conocidos en virtud de un algoritmo de optimización, por ejemplo, minimizando la distancia entre la firma no unitaria y una combinación ponderada de firmas unitarias. Uno o más indicadores de rendimiento indican el rendimiento de esta proyección.

La Figura 8 muestra una forma de onda no unitaria extraída. Las Figuras 9 y 10 muestran las formas de onda unitarias resultantes de la descomposición de la forma de onda no unitaria.

En una primera realización, esta proyección se realiza tras la extracción de las firmas. Si los indicadores de rendimiento superan umbrales predefinidos, la firma de entrada se considera no unitaria, y se reemplaza por las firmas unitarias que la componen. La descomposición de la señal global se basa, entonces, en el catálogo incrementado por estas firmas unitarias.

En una segunda realización, esta proyección se realiza tras la descomposición den base a firmas extraídas. Si los indicadores de rendimiento superan umbrales predefinidos, la firma de entrada se considera no unitaria, y la curva de carga asociada a esta firma, y resultante del algoritmo de descomposición, se separa según los pesos relativos proporcionados por la proyección.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES

   i. Método para analizar el consumo de electricidad de un recinto equipado con una pluralidad de diferentes equipos eléctricos, que comprende al menos una etapa de medición periódica de la corriente y la tensión en al menos una de las fases eléctricas aguas arriba de la red eléctrica del recinto, así como el procesamiento, que consiste en:

   - muestrear al menos la señal de corriente a una frecuencia al menos 30 veces mayor que la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación eléctrica

   - aplicar una transformada de Fourier sobre cada período fundamental de la señal de corriente al menos

   - proceder a un suavizado temporal de dicha señal transformada, calculando una media temporal durante un período característico de cambio de comportamiento de los equipos de la red, siendo dicho período suficientemente largo con respecto al período de la portadora y suficientemente corto para no abarcar varios eventos,

   - formar una base de datos de firmas adaptada al recinto estudiado durante una primera etapa de implementación, consistente en:

   o registrar una matriz de firmas que se obtienen para una pluralidad de aparatos modelados, agregando las diferentes mediciones de formas de onda de tensión y corriente capturadas mientras el aparato modelado es alimentado por una serie de formas de onda de tensión diferentes

   o cambiar iterativamente los parámetros de las firmas mediante un algoritmo de minimización, que consiste en probar, en cada iteración, una estimación de la matriz (1) de firmas, calculando, para dicha estimación de la matriz de firmas, las curvas (2) de consumo temporal, y calculando, a partir de las curvas de consumo, la función objetivo que se ha de minimizar (3) para actualizar esta estimación de la matriz de firmas, en función de los valores de la función objetivo que se obtuvieron a lo largo de la estimación

   - posteriormente, utilizar la base de datos de firmas de referencia para calificar los eventos que ocurren en la red.
2. 2. Método para analizar el consumo de electricidad de un recinto equipado según la reivindicación 1,caracterizado porquecomprende una etapa adicional de registrar una matriz de denominadas firmas precalificadas, que se obtienen para una pluralidad de aparatos modelados agregando las diferentes mediciones de forma de onda de tensión y corriente capturadas mientras el aparato modelado es alimentado por una serie de formas de onda de tensión diferentes.
3. 3. Método para analizar el consumo de electricidad de un recinto equipado según la reivindicación 1 o la reivindicación 2,caracterizado porquela firma de al menos una parte de los equipos es en función de una combinación de firmas de los elementos eléctricos implementados por el equipo en cuestión.
4. 4. Método para analizar el consumo de electricidad de un recinto según la reivindicación 1 o la reivindicación 2,caracterizado porqueel procesamiento de análisis consiste en aplicar una primera etapa de cálculo de una transformada rápida de Fourier sobre las señales de corriente y tensión.
5. 5. Método para analizar el consumo eléctrico de un recinto según la reivindicación anterior,caracterizado porqueel procesamiento de análisis consiste en aplicar una segunda etapa de descomponer el resultado de la transformada rápida de Fourier en función de las firmas características de cada uno de los equipos.
6. 6. Método para analizar el consumo eléctrico de un recinto según la reivindicación 5,caracterizado porqueel procesamiento de análisis consiste en aplicar una etapa adicional de validación de los resultados de la etapa de descomposición, que consiste en verificar la presencia de variaciones temporales en las formas de onda de corriente de cada uno de los elementos reconocidos.
7. 7. Método para analizar el consumo eléctrico de un recinto según al menos una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porqueel procesamiento de análisis comprende una etapa adicional de asociación de los elementos reconocidos, para identificar los equipos en cuestión.
8. 8. Método para modelar los equipos con vistas a implementar el método de análisis según al menos una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porquelos diferentes elementos eléctricos que constituyen el equipo son alimentados por una tensión de forma de onda de referencia, y registrar datos digitales representativos de la forma de onda de las señales de medición de tensión y corriente.
9. 9. Método para modelar los equipos con vistas a implementar el método de análisis según la reivindicación anterior,caracterizado porquese registra un catálogo de firmas para cada equipo, correspondiendo cada firma a la forma de onda de las señales de medición de tensión y corriente, cuando se suministran con una tensión de forma de onda diferente.
10. 10. Método para modelar el equipo con vistas a implementar el método de análisis según al menos una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porquecomprende, además, una etapa de procesamiento complementaria, que consiste en descomponer cada firma extraída en una base de datos de firmas conocidas, para determinar si es unitaria o no.