PROPOSIÇÃO DE UMA METODOLOGIA PARA CONCEPÇÃO AUTOMÁTICA DE BASES DE DA- DOS PARA ESTUDOS DE PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS

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1 Natal RN, 25 a 28 de outubro de 2015 PROPOSIÇÃO DE UMA METODOLOGIA PARA CONCEPÇÃO AUTOMÁTICA DE BASES DE DA- DOS PARA ESTUDOS DE PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS CECÍLIA A. B. COSTA 1, WASHINGTON L. A. NEVES 1, RAPHAEL L. A. REIS 1, RODRIGO C. D. LIMA 1, DAPHNE T. BARROS 1, NÚBIA S. D. BRITO 1, SERGIO R. D. MORAES 2 1. Laboratório de Sistemas de Potência, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande Rua Aprígio Veloso, 882, Bairro Universitário, Campina Grande, Paraíba 2. Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF) Rua Delmiro Gouveia, 333, San Martin, Recife, Pernambuco s: cecilia.costa@ee.ufcg.edu.br, waneves@ee.ufcg.edu.br, raphael.reis@ee.ufcg.edu.br, rodrigo.lima@ee.ufcg.edu.br, daphne.barros@ee.ufcg.edu.br, nubia@dee.ufcg.edu.br, srdias@chesf.gov.br Abstract This paper presents a methodology developed in order to create a database of several fault scenarios using the Alternative Transients Program (ATP) and MATLAB. In each automated ATP simulation, the correspondent Models and COMTRADE files are generated supporting the users in Power System Protection studies. A case study was carried out to illustrate the methodology's application. From the obtained results, the automated database construction using the proposed methodology is very efficient since it can generate various oscillographic records and also avoid manual efforts. Keywords Power System Protection, Database, Oscillographic records. Resumo Uma metodologia para concepção automática de bases de dados de registros oscilográficos é apresentada. O objetivo principal foi dar suporte aos estudos relacionados com proteção de sistemas elétricos de potência, em particular no estudo e validação de funções de proteção. O desenvolvimento foi feito utilizando os softwares Alternative Transient Program (ATP) e Matlab. Para validar a metodologia proposta, um estudo de caso foi realizado. A partir dos resultados obtidos, pôde-se constatar os ganhos aferidos, principalmente em termos de rapidez e eficiência. Além disso, a base de dados fornece os arquivos MODELS, de dados e configuração no padrão COMTRADE, que são os mais comumente utilizados. Palavras-chave Proteção de sistemas elétricos, Base de dados, Registros oscilográficos. 1 Introdução Automação (ou automatização) é definida como a execução automática de tarefas industriais ou científicas sem intervenção humana intermediária, desde a mais simples, como a regulação da temperatura de um forno, até as mais complexas, como as que são geralmente assumidas por ordenadores para a gestão de um estabelecimento de crédito (Aurélio, 2015). Em outras palavras, é a aplicação de técnicas computadorizadas ou mecânicas visando redução do uso de mão de obra em qualquer processo. C. A. B. Costa: Mestranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFCG COPELE; R. L. A. Reis & D. T. Barros: Doutorandos do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica da UFCG COPELE; R. C. D. Lima: Aluno de Graduação em Engenharia Elétrica da UFCG; N. S. D. Brito & W. L. A. Neves: Departamento de Engenharia Elétrica da UFCG; S.R.D.Moraes: Engenheiro - Chesf; Este trabalho foi parcialmente financiado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e pela Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf). A automação diminui custos e aumenta a velocidade da obtenção das informações (Lacombe, 2004). No âmbito do setor de energia elétrica, o processo de automação teve seu início, de forma experimental, na década de 50 do século XX, e a partir da década de 60, os primeiros centros de geração automáticos começaram a ser implantados. A universalização de seu uso se deu a partir da década de 80, como resultado do avanço tecnológico na área de microcontroladores (Queiroz, 2010). Dentre os diversos setores, a Proteção foi, certamente, um dos que sentiu o maior impacto dos avanços tecnológicos. O processo irreversível de substituição dos relés eletromecânicos pelos relés digitais associados à integralização da proteção com outras áreas do setor elétrico provocaram uma verdadeira revolução na proteção. Como consequência, as áreas de proteção, supervisão, controle e automação tornaram-se intimamente entrelaçadas (Brito, 2012). Nesse processo, os antigos relés eletromecânicos evoluíram e se transformaram nos denominados Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (ou IED - Intelligent Electronic Devices). Esses dispositivos apresentam natureza multifuncional, visto que, além das funções de proteção, apresentam funções adicionais, 1436

2 como por exemplo: funções de oscilografia, controle, automação e medição. Dentre essas funções, a de oscilografia é sem dúvida uma das mais importantes, visto que foi concebida com o intuito de avaliar o desempenho dos sistemas de proteção e dos equipamentos a eles relacionados, quando da ocorrência de um distúrbio (Figura 1). As informações fornecidas pela oscilografia são denominadas de registros oscilográficos, os quais contêm informações das grandezas elétricas do sistema (tensão e corrente) e do estado de operação do sistema de proteção (atuação da proteção, abertura de disjuntores, entre outras). Essas informações são de grande importância para a caracterização dos diversos distúrbios que podem ocorrer no sistema elétrico e para avaliação do desempenho do sistema de proteção. No âmbito acadêmico, o uso desses registros oscilográficos nem sempre é possível, visto que estão sob posse das concessionárias de energia elétrica. Portanto, a utilização de registros simulados é de grande interesse para as instituições de pesquisa e ensino para realização de estudos. O processo de geração de um registro oscilográfico inicia-se quando há a ocorrência de um distúrbio, o qual é detectado a partir da atuação de um relé (Figura 2). Na prática, os registros são armazenados nas seguintes situações (Cardoso, 2015): Disparo da proteção (trip): se refere à atuação do relé, denominado de trip. Neste caso, a oscilografia é armazenada automaticamente todas as vezes que uma das funções de proteção, que esteja previamente programada para realizar a partida do registro oscilográfico, for sensibilizada. Partida de registro programado: parâmetro ajustável, que permite ao usuário escolher condições diversas para iniciar o armazenamento do registro de uma oscilografia. Partida de registro manual: comando executado pelo operador, que fará o relé armazenar a oscilografia das condições atuais do sistema. Figura 1. Função de oscilografia. A simulação de distúrbios apresenta como vantagem o controle sobre o processo e, diferentemente da aleatoriedade dos eventos reais, não compromete o fornecimento de energia para os consumidores. Em muitas situações é necessária uma grande quantidade de registros simulados, o que implica na construção de uma base de dados (conjunto estruturado de informações). Como o processo de construção manual constitui-se em uma tarefa árdua e demorada, além de estar sujeito a erros, a automatização se mostra como a alternativa mais viável. Este artigo insere-se nesse contexto, e propõe uma metodologia para concepção automática de bases de dados de registros oscilográficos, visando dar suporte nos estudos relacionados com proteção de sistemas elétricos de potência, permitindo uma análise off-line de faltas em linhas de transmissão. O artigo foi organizado da seguinte forma: inicialmente, apresenta-se uma breve introdução sobre a estrutura de um registro oscilográfico genérico. Em seguida, a metodologia proposta é apresentada. Para encerrar, um estudo de caso é realizado e as conclusões obtidas são apresentadas. 2 Registros Oscilográficos Um Breve Resumo Figura 2. Sistema de Proteção. Normalmente, um registro oscilográfico apresenta três etapas, que são: pré-falta, falta e pós-falta (Figura 3). A duração de um registro oscilográfico corresponde ao tamanho do registro armazenado no arquivo pelo relé, no qual uma parcela é reservada para o período de pré-falta. Figura 3. Exemplo de um registro oscilográfico. As informações podem ser geradas, transmitidas e armazenadas em diferentes formatos, dependendo dos sistemas de aquisição e transmissão empregados. Visando a uniformização dos diversos formatos, definiu-se o padrão COMTRADE (COMmon Format for Transient Data Exchange) (IEEE, 2005), o qual gera três tipos de arquivos: Arquivos de cabeçalho (nome.hdr): arquivos de texto que têm como objetivo permitir que os dados possam ser impressos e entendidos pelo usuário. 1437

3 Arquivos de configuração (nome.cfg): arquivos de texto, no qual o formato dos dados é predefinido para que possam ser lidos e interpretados corretamente pelo programa computacional de análise, o qual os associará aos valores armazenados no arquivo de dados correspondente. Arquivos de dados (nome.dat): arquivos do tipo ASCII ou binário. Os dados deste arquivo possuem formato predefinido de modo que possam ser lidos e interpretados pelo programa de análise, o qual os associará conforme especificado no arquivo de configuração correspondente. 3 Metodologia A metodologia apresentada neste artigo baseia-se no processo de construção de uma base de dados proposto por Souza et al. (2005) para treinamento de redes neurais artificiais em problemas de diagnóstico de faltas em linhas de transmissão. Conforme Souza et al (2005), a geração de um único registro oscilográfico é feita conforme o algoritmo a seguir. Algoritmo 1 1. Modelagem do sistema elétrico. 2. Seleção dos parâmetros da simulação: 2.1. Tipo da falta (monofásica, bifásica, bifásica-terra e trifásica) Localização da falta Resistência da falta Ângulo de incidência da falta. 3. Simulação da falta. Para construir uma base de dados, Souza et al. (2005) combinaram todos os parâmetros da simulação, o que resultou na geração de diversos cenários de falta. A modelagem do sistema elétrico e das faltas foi feita no software Alternative Transient Program (ATP) (ATP, 1987). No caso das faltas, Souza et al. (2005) usaram o esquema mostrado na Figura 4, no qual todos os tipos de falta podem ser simulados modificando-se simplesmente os tempos de abertura e fechamento das chaves T_FASE_A, T_FASE_B, T_FASE_C e T_TERRA. Figura 4. Modelo de simulação de falta. O instante de tempo no qual cada chave envolvida com a falta é fechada concorda com o ângulo de incidência escolhido (considerando como referência a fase A). Para as fases não envolvidas com a falta, atribui-se instante de fechamento superior ao tempo de simulação. Neste caso, as chaves permanecem abertas durante a execução do programa. A resistência de falta é definida pelas resistências RFASES_AB, RFASES_BC, RFASES_AC e RTERRA. Essas resistências são constantes em cada simulação, ou seja, o valor da resistência não se altera durante o período de falta. As resistências não envolvidas com a falta assumem valor de 1000 GΩ (equivalente a um circuito aberto). Os nós LOC A, LOC B e LOC C determinam o local de ocorrência da falta e podem estar localizados em qualquer parte do sistema elétrico. Baseando-se na proposta de Souza et al. (2005), desenvolveu-se uma metodologia para gerar, de forma automatizada, arquivos de dados correspondentes a diversos cenários de falta, os quais contêm informações dos sinais analógicos e digitais durante o período simulado. A metodologia proposta neste trabalho tem caráter geral e portanto, pode ser utilizada amplamente em estudos de proteção de sistemas elétricos e não apenas para treinamento de redes neurais artificiais em problemas de diagnóstico de faltas em linhas de transmissão. O processo de implementação computacional foi realizado via softwares MATLAB e ATP, conforme fluxograma e algoritmo apresentados a seguir. Figura 5. Fluxograma da metodologia proposta. Algoritmo 2 1ª etapa: software Matlab a. Informação dos parâmetros da simulação: tipo, localização, resistência e ângulo de incidência da falta. b. Criação dos diretórios nos quais serão armazenados os diversos registros que correspondem a cada tipo de falta. c. Criação do arquivo para processamento em lote (batch file), o qual será responsável pela automação do processo. 2ª etapa: software ATP a. Modelagem e simulação do sistema elétrico. b. Geração do arquivo modelo.atp, o qual servirá de molde para geração dos arquivos referentes aos 1438

4 diversos cenários de falta. Nessa etapa, utilizou-se a rotina $PARAMETER/ATP, que permite transformar os parâmetros de cada simulação em variáveis. c. Geração dos arquivos.atp correspondentes. d. Nomeação de cada arquivo, conforme nomenclatura específica. Como exemplo, o arquivo simu1_fat LT_IEEE_r1_a0_lFT25.atp informa que: A simulação é de número 1 (simu1). A falta é do tipo monofásica AT (fat). O nome da linha de transmissão adotada é LT_IEEE, em referência ao sistema-teste adaptado do IEEE (LT_IEEE). O valor da resistência de falta é de 1 Ω (r1). O ângulo de incidência de falta é de 0 (a0). A localização da falta é de 25 km (lft25). e. Simulação automática de cada cenário de falta. f. Geração dos arquivos MODELS, os quais contêm as informações dos sinais de tensão, corrente e estado dos disjuntores. g. Conversão dos arquivos de dados do tipo MO- DELS/ATP para o padrão COMTRADE, ou seja, geração dos arquivos.dat e.cfg associados. Isso é feito por um conversor, que é um arquivo executável. h. Cópia dos arquivos para o diretório criado no passo b da primeira etapa. 4 Estudo de Caso Para validar a metodologia proposta, gerou-se uma base de dados referente ao sistema-teste apresentado na Figura 6, o qual se baseou no sistema proposto pelo IEEE (2004), largamente utilizado para estudos de proteção. Figura 6. Sistema-teste. O sistema-teste consiste de duas linhas de transmissão paralelas, cada uma com 150 km de comprimento (LT1 e LT2), uma linha de transmissão de circuito simples de mesmo comprimento (LT3) e dois equivalentes de Thévenin conectados às barras 1 e 3 (S1 e S2). Embora a estrutura do sistema-teste seja a mesma do sistema proposto em IEEE (2004), os parâmetros elétricos foram modificados com o objetivo de adequar as estruturas das torres de transmissão a uma configuração tipicamente utilizada no Sistema Interligado Nacional (SIN) e assegurar o uso apenas de modelos de componentes elétricos disponíveis no ATP. Os parâmetros utilizados para modelagem das linhas de transmissão e dos equivalentes de Thévenin são apresentados nas Tabelas 1 e 2. Os estudos de proteção foram realizados do ponto de vista da linha LT3, cujo sistema de proteção é composto por um disjuntor e um relé instalados na Barra 2, sendo os sinais de corrente e tensão monitorados por um transformador de corrente (TC) e um transformador de potencial capacitivo (TPC), respectivamente. Os projetos elétricos detalhados do TC e do TPC estão disponíveis em IEEE (2004). As simulações foram realizadas considerando aplicação de faltas apenas na linha de transmissão LT3. A quantidade de registros a serem gerados depende da quantidade de valores definidos pelo usuário para as variáveis de simulação. Quanto maior for o número de valores escolhidos, maior o tempo requerido para a construção da base de dados. Os parâmetros de falta adotados neste trabalho são apresentados na Tabela 3. Ao final, a combinação dos diversos parâmetros gerou 270 cenários diferentes de falta. Tabela 1. Parâmetros das linhas modeladas. Sequência Resistência Reatância Susceptância (Ω/km) (Ω/km) (µʊ/km) Zero 0, , ,80723 Positiva 0, , ,42979 Tabela 2. Parâmetros dos equivalentes utilizados. Equivalente Dados S1 S2 Tensão (p.u.) 1,00 0,95 6,1 + j16,7 4,1 + j14,7 Impedância (Ω) 2,7 + j8,4 1,7 + j6,4 Tabela 3. Características das faltas simuladas. Parâmetros da Simulação Valores Localização de Falta (km) 25, 75 e 120 Resistência de Falta (Ω) 1, 5 e 50 Ângulo de Incidência da Falta ( ) 0, 30 e 90 AT, BT, CT, AB, Tipo de Falta BC, CA,ABT, BCT, CAT e ABC A característica da função de proteção de distância utilizada neste trabalho foi a mho autopolariza (Ferrer e Schweitzer, 2010), conforme representada na Figura 7. Figura 7. Representação da característica mho no plano R-X. (Silva, 2009). 1439

5 Para essa característica, a grandeza de polarização utilizada nos comparadores é a própria tensão de entrada do relé. Os valores das tensões de operação V op e de polarização V pol para esse caso são definidos conforme a seguir (Paithankar e Bhide, 2007): V op = V R + Z A I R (1) V pol = V R, (2) sendo: V R e I R os fasores de tensão e corrente medidos pelo relé, respectivamente; Z A a impedância de alcance do relé, calculada por: Z A = hz L1 cos (θ L1 τ). (3) O parâmetro h é a porcentagem do comprimento da linha a ser protegida e τ, o ângulo de projeto da característica mho (ângulo de torque máximo do relé), que geralmente é ajustado para ser igual ao ângulo θ L1 da linha. A falta será detectada na zona de proteção caso a diferença entre as fases da tensão de operação e de polarização esteja entre -90 e 90. Para esse estudo, a característica mho foi ajustada com ângulo de torque de 60 e alcances de 80% e 120% para a primeira e segunda zona, respectivamente. Figura 8. Registro oscilográfico de tensão e corrente para falta do tipo CT. 4.1 Caso 1: Falta CT O primeiro caso estudado consistiu em uma falta do tipo monofásica, localizada a 25 km da Barra 2, com resistência de falta de 1 Ω e ângulo de incidência de 90, cuja oscilografia é apresentada na Figura 8. Ao aplicar o arquivo gerado a uma função de proteção de distância com característica mho, obteve-se o resultado apresentado na Figura 9. Conforme se vê, a impedância medida pelo relé estabilizou-se no ponto destacado em azul, indicando uma falta em primeira zona. Figura 9. Atuação da proteção de distância para o primeiro caso. Caso 2: Falta ABT O segundo caso estudado consistiu em uma falta do tipo bifásica-terra, localizada a 75 km da Barra 2, com resistência de falta de 5 Ω e ângulo de incidência de 30. A oscilografia e a atuação da proteção são apresentadas nas Figura 10 e 11, respectivamente. Ao final, constatou-se que a construção automática de bases de dados para estudos de proteção representa um ganho importante, principalmente quando o usuário necessita de várias situações de falta para testar rotinas implementadas ou para o desenvolvimento de novas funções. Além disso, a base de dados gerada não é limitada a estudos de proteção, podendo ser estendida para pesquisas no âmbito de localização de faltas, processos de estimação fasorial e avaliação do desempenho de projetos de compensadores para TPC e TC, por exemplo. Figura 10. Registro oscilográfico de tensão e corrente para falta do tipo ABT. 1440

6 Figura 11. Atuação da proteção de distância para o segundo caso. 5 Conclusão O uso combinado dos softwares ATP e MATLAB aplicados ao processo proposto por Souza et al (2005) resultou em uma metodologia que constrói de forma automática bases de dados de registros oscilográficos. Apesar de ter sido desenvolvida para dar suporte a estudos relacionados à proteção de linhas de transmissão de energia elétrica, a metodologia é geral e pode ser aplicada para a avaliação de outros processos, como localização de faltas e estimação fasorial. Da forma como foi concebida, os formatos de arquivos resultantes da simulação de cada caso do ATP (MODELS e COMTRADE) permitem que o usuário escolha o tipo mais adequado para a sua aplicação. Assim, a expectativa é de que a metodologia aqui proposta possa auxiliar os pesquisadores que necessitem utilizar registros oscilográficos simulados. Agradecimentos Cardoso, R. (2015). Guia prático para configuração, coleta e utilização de oscilografias em relés digitais. Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. Ferrer, H. & Schweitzer, E. (2010). Modern Solutions for Protection, Control and Monitoring of Electric Power Systems. Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. IEEE Power System Relaying Committee (2004). EMTP Reference Models for Transmission Line Relay Testing. 61 p. IEEE Power System Relaying Committee. IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange (COMTRADE) for Power Systems (2005), IEEE Std C p. Lacombe, F. J. M. (2004). Dicionário de Administração, Editora Saraiva. Paithankar, Y. G.; Bhide, S. R. (2007). Fundamentals of Power System Protection. New Delhi, India. PRODIST (2015). Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST - Módulo 8: Qualidade da Energia Elétrica. Disponível em: < br/area.cfm?idarea=827>. Queiroz, R. J. N. (2010). Implantação de um centro de operação em tempo real de um agente de transmissão do sistema interligado nacional. Universidade Federal do rio de Janeiro Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica. Silva, K. M. (2009). Estimação de fasores baseada na Transformada Wavelet para uso na proteção de distância de linhas de transmissão. 203 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande. Souza, B.A.; Brito, N.S.D.; Neves, W.L.A.; Dantas, K.M.C. & Fontes, A.V. (2005). Construção automática de bases de dados Uma Experiência de P&D entre a Chesf e a UFCG. In: Seminário Nacional de Produção, Medição e Controle em Sistemas de Potências, 18., Curitiba. Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Chesf pelo apoio financeiro. Referências Bibliográficas Aurélio (2015). Dicionário do Aurélio. Disponível em: < SIL>. ATP. (1987). Alternative Transient Program Rule Book, Leuven EMTP Center, Herverlee, Belgium. Brito, N. S. D.; Souza, B. A.; Nascimento, J. P.; Costa, C. A. B. & Martins, R. A. (2012). Proposição do uso de softwares de simulação em proteção de sistemas elétricos. In: Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, 40., Belém. 1441