An Embedded Sensor Node for the Surveillance of Power Quality

Abstract

The energy supply of office buildings and smart homes is a key issue in the global energy system. The growing use of microelectronics-based technology achieves new devices for a more comfortable life and wider use of electronic office equipment. On the one hand, these applications incorporate more and more sensitive electronic devices which are potentially affected by any external electrical transient. On the other hand, the existing electrical loads, which generally use electronic power systems (such as different types of battery chargers, ballasts, inverters, switching power supplies, etc.), generate different kinds of transients in their own electrical internal network. Moreover, improvements in the information of the state of the mains alternating current (AC) power line allows risk evaluation of any disturbance caused to permanently connected electronic equipment, such as computers, appliances, home security systems, phones, TVs, etc. For this reason, it is nowadays more important to introduce monitoring solutions into the electrical network to measure the level of power quality so that it can protect itself when necessary. This article describes a small and compact detector using a low-cost microcontroller and a very simple direct acquiring circuit. In addition; it analyzes different methods to implement various power quality (PQ) surveillance algorithms that can be implemented in this proposed minimum hardware platform. Hence; it is possible to achieve cheap and low-power monitoring devices that can become nodes of a wireless sensor network (WSN). The work shows that using a small computational effort; reasonable execution speed; and acceptable reliability; this solution can be used to detect a variety of large disturbance phenomena and spread the respective failure report through a 433 MHz or 2.4 GHz radio transmitter. Therefore, this work can easily be extended to the Internet of Things (IoT) paradigm. Simultaneously, a software application (PulsAC) has been developed to monitor the microcontroller’s real-time progress and detection capability. Moreover, this high-level code (C++ language), allows us to test and debug the different utilized algorithms that will be later run by the microcontroller unit. These tests have been performed with real signals introduced by a function generator and superimposed on the true AC sine wave

El suministro energético de edificios de oficinas y hogares inteligentes es una cuestión clave en el sistema energético mundial. El creciente uso de la tecnología basada en la microelectrónica logra nuevos dispositivos para una vida más cómoda y un uso más amplio de los equipos electrónicos de oficina. Por un lado, estas aplicaciones incorporan cada vez más dispositivos electrónicos sensibles que se ven potencialmente afectados por cualquier transitorio eléctrico externo. Por otro lado, las cargas eléctricas existentes, que generalmente utilizan sistemas de alimentación electrónicos (como diferentes tipos de cargadores de baterías, balastros, inversores, fuentes de alimentación conmutadas, etc.), generan distintos tipos de transitorios en su propia red eléctrica interna. Además, las mejoras en la información del estado de la red eléctrica de corriente alterna (AC) permiten evaluar el riesgo de cualquier perturbación provocada en los equipos electrónicos permanentemente conectados. como ordenadores, electrodomésticos, sistemas de seguridad del hogar, teléfonos, televisores, etc. Por este motivo, hoy en día es más importante introducir soluciones de monitorización en la red eléctrica para medir el nivel de calidad de la energía y poder protegerla cuando sea necesario. Este artículo describe un detector pequeño y compacto que utiliza un microcontrolador de bajo costo y un circuito de adquisición directa muy simple. Además; analiza diferentes métodos para implementar varios algoritmos de vigilancia de la calidad de la energía (PQ) que se pueden implementar en esta plataforma de hardware mínima propuesta. Por tanto, es posible conseguir dispositivos de monitorización baratos y de bajo consumo que puedan convertirse en nodos de una red de sensores inalámbricos (WSN). El trabajo muestra que utilizando un pequeño esfuerzo computacional; velocidad de ejecución razonable; y confiabilidad aceptable; esta solución se puede utilizar para detectar una variedad de fenómenos perturbadores importantes y difundir el informe de falla respectivo a través de un transmisor de radio de 433 MHz o 2,4 GHz. Por lo tanto, este trabajo puede extenderse fácilmente al paradigma del Internet de las cosas (IoT). Paralelamente se ha desarrollado una aplicación software (PulsAC) para monitorizar el progreso del microcontrolador en tiempo real. y capacidad de detección. Además, este código de alto nivel (lenguaje C++), nos permite probar y depurar los diferentes algoritmos utilizados que luego serán ejecutados por la unidad microcontroladora. Estas pruebas se han realizado con señales reales introducidas por un generador de funciones y superpuestas a la onda sinusoidal verdadera de CA.