En la actualidad, el robo de energía constituye un grave problema a nivel mundial ya que contribuye en gran medida a la pérdida de ingresos de empresas y estados. Día a día se detectan casos en los que los consumidores manipulan sus medidores eléctricos para que éstos  se detengan, registren de forma insuficiente o incluso la energía pase por alto el medidor, logrando así el objetivo de utilizar la electricidad sin pagar por ella.

Este artículo analiza las vulnerabilidades, los desafíos y las técnicas de diseño utilizadas para evitar la adulteración de los medidores de energía.

•1- Introducción a los medidores de energía

Un medidor, contador o meter un dispositivo que mide la cantidad de energía eléctrica suministrada a un edificio residencial o comercial. La unidad de medida más habitual utilizada por estos medidores es el kilowatt hora (kW h), que es equivalente a la cantidad de energía utilizada por una carga de un kilowatt (1000W) de potencia eléctrica durante una hora.

En la Figura 1 se muestra el diagrama de bloques de un medidor de energía electrónico trifásico. Como allí se aprecia, el hardware del medidor de energía incluye una fuente de alimentación, una interfaz analógica (analog front-end), una sección de microcontrolador y una sección de comunicaciones. La interfaz analógica es la parte que interactúa con las líneas de alta tensión a las que se conecta el medidor. Se trata de un conjunto de circuitos de acondicionamiento de la señal analógica que convierte estos valores altos de tensión y corriente en voltajes suficientemente pequeños para ser medidos directamente por el convertidor analógico-digital (ADC) del microcontrolador.

Figura 1: Diagrama de bloques de un medidor trifásico de energía.

La medición de tensión se realiza con una resistencia shunt, mientras que las mediciones de corriente que requieren una medición más precisa, se realizan mediante un transformador de intensidad (CT) en todas las fases y en el neutro. Los fabricantes de medidores a menudo integran amplificadores de ganancia para amplificar las referencias de tensión y las mediciones de corriente en el rango admitido por el ADC. La cantidad de amplificación requerida depende de la resolución del ADC, así como de la clase de precisión (0.1, 0.2. 1.0, etc.) requerida para el medidor trifásico.

Un medidor de energía típico requiere un reloj de tiempo real (RTC) cuya información será utilizada para la facturación de sistemas tarifarios dinámicos. El RTC requerido para una aplicación de medición debe ser muy preciso (<5 ppm) especialmente para esquemas de facturación del tipo Time of Day (TOD) o Time of Use (TOU). Esto implica dividir el día, el mes y el año en franjas horarias en las cuales se aplican tarifas más altas en los períodos de demanda máxima y tarifas más bajas en los períodos de cargas no pico.

El corazón del medidor es el firmware, cuya tarea principal es el cálculo de la energía activa y reactiva en función de la medición de la tensión  y corriente. El firmware también incluye algoritmos de detección de manipulaciones, registro de datos y manejo de protocolos de comunicación como DLMS (normas para el intercambio de datos de medición de electricidad IEC 62056) y protocolos de comunicación por módem de línea eléctrica para lectura automática de medidores (AMR).

Los medidores de energía deben ser calibrados antes de su instalación y en medidores electrónicos, esta tarea  se realiza en un dominio digital. La calibración digital es rápida, eficiente y se puede automatizar, lo que elimina el lento ajuste manual requerido en los medidores electromecánicos analógicos tradicionales. Los coeficientes de calibración se almacenan de forma segura en una memoria tipo EEPROM que puede ser interna o externa.

El medidor también cuenta con una salida de pulsos (EP) que funciona como un indicador de la energía activa registrada. La frecuencia de los pulsos de salida es directamente proporcional a la energía activa (por ejemplo 0,1 kW h / pulso)

•2- Manipulación de medidores de energía: vulnerabilidades y soluciones

Debido al siempre ascendente costo de la electricidad, el robo de energía se está convirtiendo en una de las principales preocupaciones de los gobiernos y empresas de servicios públicos de todo el mundo,  especialmente en países populosos como India y China.

Una gran parte de estas pérdidas de ingresos puede ser recuperada mediante la instalación de medidores de energía electrónicos que tengan la capacidad de detectar situaciones de adulteración y garantizar una facturación adecuada, a diferencia de los antiguos medidores electromecánicos.

Esta sección describe varias maniobras fraudulentas que utilizan los ladrones de electricidad junto con sendas soluciones técnicas para evitar la manipulación de los medidores.

•2.1- Falta parcial de tierra

Una falta de tierra significa que una parte de la carga se ha conectado a otro potencial de tierra y no al cable neutro del medidor.

La Figura 2 muestra la conexión normal de cables de fase y neutro  de entrada y salida del medidor. En estas condiciones,  la corriente que circula por el cable de fase será la misma que la del cable neutro (IP = IN).

Figura 2: Conexión normal de neutro y fase para un medidor monofásico.

La Figura 3 muestra una situación de falta parcial de tierra donde se observa que el conductor neutro de una de las cargas está conectado a tierra por lo que parte de la corriente de retorno I2 no circula por el medidor. En estas condiciones, la corriente en el cable neutro (IN) es menor que la del cable de fase o vivo (IP).

Figura 3: Condición de falta parcial de tierra.

A fin de detectar esta condición anómala, el firmware monitorea las corrientes en ambos cables de energía, fase y neutro, y las compara. Si difieren significativamente, el firmware utiliza la mayor de las dos corrientes para determinar la cantidad de energía a facturar y señala una condición de falla.

•2.2- Corriente inversa

La corriente inversa ocurre cuando los cables de  fase y/o neutro están conectados en las entradas incorrectas. Esto hace que la corriente fluya en la dirección opuesta a la normal. La Figura 4 muestra este caso donde se invierte la conexión de los cables del neutro (entrada por salida), lo que ocasiona que la corriente IN circule en la dirección inversa.

Figura 4: Situación de corriente inversa.

Debido al flujo inverso de corriente a través del neutro, el firmware de medición registrará valores incorrectos en los estados de energía activa. El firmware activará el indicador de corriente inversa cuando alguna de las dos corrientes tenga un signo opuesto al esperado. Para corregir esta anomalía, el firmware de medición siempre deberá utilizar el valor absoluto de la potencia activa medida y registrada. De esta manera la corriente inversa no tendrá ningún efecto en el cálculo de la energía, obteniendo así una facturación precisa.

•2.3- Cables de fase y neutro intercambiados

En este caso,  se intercambian los cables vivo y neutro en la bornera del medidor o en el conexionado interno. En un medidor digital moderno esta situación no genera ninguna alteración en las magnitudes registradas, incluso puede emitir una alerta de error de conexionado.  En algunos medidores electromecánicos, este conexionado puede producir la inversión del sentido de giro del disco, su detención  y hasta la mengua  del estado del totalizador de energía, según las características constructivas del equipo.   

•2.4- Falta de neutro

Un método de manipulación de medidores muy utilizado se muestra en la Figura 5. La técnica de adulteración por neutro faltante o neutro flotante se materializa cuando el conductor neutro se desconecta del medidor de energía y el consumo queda alimentado entre la fase del medidor y un neutro artificial distinto al del medidor. Este neutro es comúnmente tomado de una jabalina de puesta a tierra y en casos más extremos de un caño de agua o alguna armadura metálica de un edificio.

Figura 5: Manipulación de medidor por neutro faltante

Con el neutro desconectado no habrá referencia de tensión de entrada por lo que no se no generará ninguna señal de salida. Sin embargo, cuando se conecte una carga (como se muestra en la Figura 5) circulará una corriente eléctrica en el circuito de fase y se podrá utilizar la energía sin que el medidor la registre dado que la tensión entre el neutro y la fase será nula, también lo será la energía censada (P = V x I).

Para solucionar este artificio, el algoritmo de prevención de manipulación (parte del firmware) puede asumir un valor de tensión fijo (en módulo y fase) al detectar la condición de falla y continuar con el cálculo de potencia basándose en el valor eficaz de la corriente.  Este proceso asegura que la facturación continúe durante una condición fraudulenta de neutro faltante.

La mayoría de los algoritmos de prevención de manipulación requieren que la corriente sea medida en todas las fases y en el  neutro para detectar certeramente un evento de manipulación y así calcular con precisión el consumo de energía.

Es importante medir la corriente en el neutro además de las corrientes de fase para detectar cualquier desajuste en el flujo de corriente inversa durante las maniobras de manipulación de medidores descritas para que el firmware de medición pueda ejecutar los algoritmos apropiados para un cálculo preciso de energía.

•2.5- Tensión faltante

Este también es un fraude bastante común de conexión que generalmente se implementa llevando a cero la tensión  de una de las fases al desconectar uno de los cables de entrada de fase de la bornera  del medidor. Esto da como resultado una disminución de energía a medida ya que el consumo de una de las fases se vuelve cero.

V = 0   →  P = V x I = 0

Esta condición, donde la diferencia de potencial es nula y la corriente es distinta de cero, puede ser detectada fácilmente por el software y registrada como un evento de manipulación si la condición persiste durante cierto tiempo. El firmware de medición  se puede configurar para que registre el consumo máximo durante este evento.

•2.6- Interferencia magnética

Los medidores utilizan material magnético en los circuitos de medición de tensión y corriente por lo que estos pueden ser afectados por influencias magnéticas externas anormales lo que a su vez afecta el adecuado funcionamiento del medidor.

Por ejemplo, el uso de un imán potente en las proximidades de los núcleos magnéticos para cambiar la magnitud de la lectura de corriente puede generar grandes errores en la medición. El objetivo en este caso es saturar el núcleo de los sensores o distorsionar el flujo magnético para que la señal de salida resulte errónea. Esto efectivamente da como resultado una disminución en el registro y facturación.

Una forma de evitar este fraude es incorporar sensores magnéticos para detectar la presencia de campos magnéticos anormales y proporcionar evidencia, registrando estos eventos como sabotaje. Otra solución es aumentar el espacio entre los sensores y el imán, o proteger los sensores y de esta forma suprimir o minimizar el efecto del campo magnético.

También es posible utilizar para la medición de la corriente una bobina de Rogowski en lugar de un transductor convencional de corriente. Las bobinas de Rogowski no se arrollan alrededor de un núcleo metálico. Dado que no hay un núcleo que saturar en presencia de fuertes campos magnéticos, estos sensores son en gran medida inmunes a la manipulación magnética.

Las bobinas Rogowski están logrando una aceptación cada vez mayor en las aplicaciones de medición anti-manipulación.

•2.7- Perturbación del neutro

Este caso es similar al de  neutro faltante, excepto que además de manipular el neutro en la entrada, se superponen  señales de alta frecuencia (HF)  al neutro, ocasionando una medición inexacta de corriente y, por lo tanto, la reducción de la energía registrada por el medidor.

Detectada  esta condición, el firmware de medición puede optar por calcular la energía en función de la corriente máxima y registrar el evento como manipulación.

Otras técnicas de diseño de placas electrónicas, como el uso de núcleos de ferrite (utilizados a modo de filtro de corrientes parásitas), filtros de línea de capacitores y resistencias SMD de grandes dimensiones, ayudan a proteger la electrónica del medidor de diversas formas de perturbaciones electromagnéticas.

•2.8- Apagado del medidor

El medidor se puede apagar quitando todas las conexiones de tensión. Los equipos deben contar con funciones de registro de estas anomalías.

Estos eventos se pueden comparar con los registros de fallas de energía de los datos de la subestación alimentadora. El registro de fecha y hora del evento es suficiente para identificar estos cortes de energía anormales y su duración.

•2.9- Bypass del medidor

Existen muchas técnicas para evitar  un medidor de energía. La forma más común es instalando un puente, diablito o bypass (Figura 6) en la bornera  del medidor de manera que se omitan los circuitos de medición y no se registre el consumo de energía. En estos casos existirá referencia de tensión en el medidor pero toda o una parte de la corriente eléctrica fluirá externamente por el circuito de los puentes.

Otro tipo de derivación del medidor consiste en eliminar la aislación entre  terminales de entrada y salida mediante métodos mecánicos o químicos.

Figura 6: Bypass del medidor mediante puentes.

Estas  derivaciones de corriente  pueden ser detectadas fácilmente por el firmware del medidor emitiendo un aviso o flag de anomalía y registrando el incidente en la memoria con datos de fecha y duración.

•2.10- Doble alimentación de cargas

La Figura 7 muestra otra técnica más: la “doble alimentación” o corriente directa con medidor. En este caso, la carga adicional se conecta directamente a la línea para que no se registre el consumo de la alimentación adicional.

Figura 7: Derivación por doble alimentación.

Con esta maniobra, una parte del suministro será “legal” pero el medidor no registrará el consumo de la carga conectada en la entrada del medidor. Por lo general, la alimentación adicional se realiza para conectar un aparato que requiere más energía eléctrica (como el aire acondicionado que se muestra en la figura). Las otras cargas menores como luces, se mantienen en la conexión legal para evitar sospechas de  la compañía eléctrica.

Al igual que los puentes y bypass, la derivación del medidor por doble alimentación es uno de los fraudes de energía  más fáciles de detectar por inspección visual, a menos que los cables en el entorno del medidor sean tan densos que se haga difícil discernir cuáles son legales y cuáles no.

•2.11- Medidor manipulado

A diferencia de los medidores electromecánicos donde se utilizan técnicas como adulterar las bobinas, los engranajes,  los frenos del disco o ralentizarlos para que el medidor registre un menor consumo, estas técnicas no pueden ser aplicadas en medidores electrónicos.

Los medidores híbridos electrónicos  con numerador o integrador mecánico generalmente se basan en un motor paso a paso para la rotación del disco o en bobinas solenoides que reciben los pulsos indicadores del consumo energético para activar un numerador electromecánico. Estos mecanismos  son propensos a errores  ya que pueden manipularse fácilmente, con las técnicas utilizadas en medidores electromecánicos, para alterar la lectura del medidor.

Estas vulnerabilidades se superan al sustituir los numeradores mecánicos de los medidores por  pantallas electrónicas (display LCD o Led).

•2.12- Sabotajes externos

Existen numerosas maniobras de manipulación externa de medidores que  pueden incluir desde romper o vulnerar  la carcasa del medidor, inyectar productos químicos hasta quemar el medidor. Todo esto da como resultado la alteración de las características eléctricas de los componentes para lograr de este modo un registro del uso de energía inferior o nulo. Numerosas técnicas de adulteración de medidores requieren previamente la  apertura de la carcasa del medidor para modificar la configuración, cambiar algún componente o incluso para desconectar la batería de respaldo y así lograr que el medidor se reinicie cada vez que  se corte la alimentación eléctrica principal.

Es posible colocar interruptores o sensores antisabotaje en la carcasa del medidor para activar un aviso de  manipulación cuando esta sea abierta.

•2.13- Sabotaje de alta tensión o frecuencia

Un medidor puede ser adulterado con  un dispositivo electrostático que genere picos de tensión en el rango de los 35 kV (35000 V). Esto puede inducir errores en el registro del consumo o incluso dañar el medidor. La precisión del medidor no debe verse afectada por la aplicación de un tren de pulsos de alta tensión  o frecuencia anormal. Para evitar esto, se recomienda seguir algunas de las pautas de diseño de la placa electrónica mencionadas anteriormente en el inciso “perturbación del neutro“, junto con la implementación de entradas y salidas de alta tolerancia para evitar cualquier influencia de picos de 35 kV en el cálculo de energía.

•2.14- Cambio de hora

Las compañías eléctricas pueden aplicar diferentes tarifas de facturación según la hora del día, la demanda máxima, la carga, etc., por lo que el reloj de tiempo real (RTC) es un componente esencial del medidor electrónico ya que proporciona la referencia del tiempo. Es posible alterar el reloj o manipular la hora para engañar al sistema y así registrar el consumo de manera errónea. Un ejemplo típico de esta situación es cambiando el horario de  PM a AM de tal manera que el firmware de medición sitúe la banda horaria del consumo fuera de pico durante ese lapso y en consecuencia la compañía facturará una tarifa de energía inferior. Por lo tanto, el circuito RTC no debe permitir modificaciones del tiempo a menos que se siga un protocolo seguro.

Otra técnica para conseguir este objetivo es cambiar el cristal del reloj de tiempo real. El circuito del RTC generalmente está basado en un oscilador de cristal externo de 32,768 kHz. En un buen diseño electrónico, el circuito RTC tendrá la capacidad de detectar esta situación y corregir la hora. Por este motivo, la compensación de estos desvíos deberá ser una característica esencial en un medidor de energía.

Las características de los cristales varían ampliamente con la temperatura. Por tanto, los cambios en esta magnitud pueden producir una referencia inexacta. El circuito RTC debe poder detectar cambios de temperatura y compensarlos agregando o eliminando pulsos de reloj. La precisión de reloj deseada para cualquier aplicación de medición debe ser inferior a 5 PPM.

Es importante en cualquier aplicación de medición que el reloj de tiempo real mantenga su funcionamiento normal (alimentado por batería) aún en modo de espera o standby durante los cortes de energía manteniendo  así la referencia temporal actualizada.

•3- Otras técnicas

•3.1- Lectura automática de medidores AMR

La lectura automática de medidores o AMR (Automatic meter reading) es la tecnología de recolección automática de datos de consumo, diagnóstico y estado de los medidores de energía y de transferencia de dichos datos a una base de datos central para la facturación, resolución de problemas y su análisis mediante el uso de una infraestructura de red inalámbrica o cableada. Algunas de las tecnologías de comunicación AMR implementadas en varias regiones del mundo son: radiofrecuencia (RF), el protocolo ZigBee, módem de datos (a través de una red telefónica estándar o celular) y transmisión de datos por línea eléctrica (PLC). Otro método de comunicación parcial puede incluir la lectura a través de un puerto óptico en un dispositivo de lector electrónico o terminal portátil de lectura (TPL). Este  último puede basarse en un puerto serie (RS-485) o un enlace de  infrarrojos.

Con esta tecnología, cualquier evento de manipulación registrado en la memoria del medidor puede ser transmitido instantáneamente a la distribuidora de energía a través de la red AMR. De esta manera, la compañía dará inicio el procedimiento previsto para estos casos: análisis de consumos históricos y antecedentes, inspección del suministro in situ, etc. 

•3.2- Protección del código

Una de las ventajas de la tecnología AMR es la capacidad de actualización remota del firmware. Durante este proceso es muy importante autenticar los parches de firmware y rechazar el software no autorizado o manipulado. Aunque algunos de los protocolos como ZigBee (ECC public key technology) tienen integradas funciones propias de protección de los datos y las transmisiones, cuando se utilizan en comunicaciones AMR, se debe considerar que cualquier esquema de protección de código utilizado debe proporcionar medidas adicionales de seguridad. Las claves confidenciales que se almacenen  en el hardware deberán estar protegidas con protocolos, políticas y procedimientos para registrar y autorizar su uso junto con la aplicación de esquemas de cifrado de datos.

•3.3- Manipulación de precintos

Siempre es mejor prevenir un problema que solucionarlo después de que haya ocurrido. En la actualidad hay disponible una gran variedad de sellos de seguridad y precintos especialmente diseñados para su uso en medidores eléctricos y de otros servicios públicos. Estos sellos se instalan en las carcasas y tapas de bornera de los medidores para evitar el acceso no autorizado y evidenciar cualquier manipulación física. Se recomienda que los medidores electrónicos estén provistos de sellos en su parte frontal para que de este modo sean fácilmente visibles por los  lectores o inspector de medidores.

Numerosas empresas fabrican precintos especialmente diseñados para los medidores de energía. La funcionalidad principal buscada en los distintos formatos es que un sello una vez roto no se pueda reparar, pegar ni volver a aplicar en el medidor.

Algunos medidores cuentan con  carcasas o cápsulas plásticas selladas en fábrica que impiden su apertura sin ser dañadas.

 Conclusiones

Para minimizar las pérdidas de ingresos, las empresas de servicios públicos de todo el mundo deben concentrar sus esfuerzos en detectar la manipulación de los medidores y garantizar una facturación precisa incluso cuando se ha producido una adulteración. La manipulación puede variar desde técnicas simples como manipular cables y conexionados hasta técnicas más sofisticadas como piratear firmware y cambiar los registros digitales de consumo de energía.

Existen circuitos integrados diseñados para aplicaciones específicas  de medición de energía que brindan excelentes soluciones para implementar múltiples capas de detección de manipulaciones implementadas como parte de una solución de hardware y software.

El autor

El artículo original “Prevent tampering in energy meters” fué escrito por Mohit Arora, arquitecto de sistemas en el Grupo de soluciones de microcontroladores (MSG) de Freescale Semiconductor. El mismo fue traducido y adaptado por Leandro Kessler para Afinidad Eléctrica. 

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