Projeto do SMF do ONS Especificação dos Métodos de Testes para PMU

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1 Projeto do SMF do ONS Especificação dos Preparado por: Virgilio Centeno, Yi Hu e Celso Araújo 28 de Novembro de 2006 Reactive Power Study Report Review Proprietary KEMA 22 July 2005

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3 NOTA: Este documento contém segredos de negócio e/ou informações comerciais ou financeiras que de um modo geral não estão disponíveis publicamente. São consideradas informações privilegiadas e proprietárias e são submetidas pela KEMA Brasil com o entendimento que seu conteúdo está especificamente proibido de ser duplicado, utilizado ou distribuído a terceiros em seu todo ou parte, sem o expresso consentimento por escrito da KEMA Brasil, sendo utilizado apenas no contexto dos serviços ora contratados. Projeto do SMF do ONS 2 Proprietário

4 Definições Esta seção fornece algumas definições pertinentes aos dispositivos sincronizados por GPS, aos protocolos de comunicação e aos meios de comunicação previstos para o Sistema de Medição Fasorial do ONS. Ângulo de fase absoluto Veja definição para Fasor sincronizado. Anti-aliasing Processo de filtragem de um sinal quando da conversão em um formato de amostra ( sampled ), para remover os componentes desse sinal cuja freqüência seja igual ou maior do que ½ da taxa de Nyquist (taxa de amostra). Se não removidos, esses componentes do sinal podem aparecer como um componente de menor freqüência (um alias ). ASCII American Standard Code for Information Interchange é um código de caracteres baseado no alfabeto Inglês usado para representar textos em computadores. BCD Binary Coded Decimal. Broadcast Transmissão de dados de um endereço para vários endereços. Os destinos serão todos os computadores de uma mesma sub-rede. Todo computador da sub-rede deve processor os dados. Broadcast não é roteável para outros segmentos da rede. COMTRADE-file format O formato de arquivo Common Format for Transient Data Exchange (COMTRADE) é um texto ASCII ou arquivo binário (2 formatos), originalmente projetado para Registradores Digitais de Falhas. Ele pode ser usado para transferir valores registrados localmente de uma PMU para uma central de armazenamento de dados. O formato COMTRADE ASCII não é eficiente para armazenamento de dados a longo prazo, mas pode ser usado para recuperação de arquivos de evento. IEEE C O novo protocolo IEEE para dados fasoriais que substituiu os protocolos IEEE 1344 e o BPA/PDCStream. Dados típicos são enviados nesse formato sobre UDP/IP ou através de um link série. IEEE 1344 Antiga Norma do IEEE para sistemas de medição com fasores sincronizados em subestações. Ela regula a sincronização da amostragem de dados, conversões de dados em fasores e formatos para entrada de tempo e a saída de dados fasoriais de uma Unidade de Medição Fasorial (PMU). Ela não especifica o tempo de resposta, exatidão, hardware, software, ou um processo para cálculo de fasores. IRIG-B Formatos de transmissão de tempo desenvolvidos pelo Inter-Range Instrumentation Group (IRIG). A versão mais comum é a IRIG-B, que transmite dia do ano, hora, minuto e segundo uma vez por segundo, sobre um sinal portador de 1 khz. Projeto do SMF do ONS 1 Proprietário

5 GPS Global Positioning System (ou Sistema de Posicionamento Global). Um sistema baseado em satélite que prove posição e tempo. A exatidão de relógios com base no GPS pode ser melhor que 1 microssegundo. LAN (Local Area Network) ou Rede Local, dentro de prédios pequenos ou escritórios. Latência muito baixa entre pontos extremos da rede, geralmente menor que poucos milisegundos. Multicast Transmissão de dados de um dispositivo para vários. Os dados são transmitidos ao endereço IP de um grupo. Qualquer membro do grupo pode acessar o endereço para receber os dados. Qualquer um pode então se juntar a este grupo multicast, e quando um servidor envia ao grupo, qualquer um no grupo receberá os dados. A vantagem é que este protocolo é roteável e não sobrecarrega todos os computadores na sub-rede local. Navegação O modo no qual o receptor do GPS recolhe os sinais de três ou mais satélites, provendo assim o tempo exato, bem como a posição. Taxa Nyquist Uma taxa que é duas vezes o mais alto componente de freqüência em um sinal analógico de entrada. O sinal analógico deve ser formatado ( sampled ) a uma taxa maior do que a taxa de Nyquist para ser exatamente representada em forma digital. PDC Phasor Data Concentrator (ou Concentrador de Dados Fasoriais). Uma unidade lógica que coleta dados fasoriais, dados de eventos discretos das PMU e, possivelmente, de outros PDC, e transmite os dados para outras aplicações. Os PDC podem guardar os dados por um curto período, mas não podem armazenar os dados. Fasor Um equivalente complexo de uma quantidade de onda co-seno simples tal que o módulo complexo é a amplitude da onda co-seno e o ângulo complexo (na forma polar) é o ângulo de fase da onda co-seno. PPS Pulso por Segundo. Um sinal consistindo de um trem de pulsos retangulares ocorrendo a uma freqüência de 1 Hz, com a borda crescente sincronizada em segundos UTC (coordenada universal de tempo). Este sinal é tipicamente gerado por receptores GPS. PMU Phasor Measurement Unit (ou Unidade de Medição Fasorial). Um dispositivo que coleta os dados de tensão e corrente analógica em sincronismo com um relógio GPS. As amostras são usadas para calcular os correspondentes fasores. Os fasores são calculados com base em uma referência absoluta de tempo (UTC), tipicamente derivada de um receptor GPS. Projeto do SMF do ONS 2 Proprietário

6 RS 232 (Recommended Standard 232) É uma norma de telecomunicação para interconexão de dados binários seriais entre um DTE (Data terminal equipment Equipamento terminal de dados) e um DCE (Data Communication Equipment Equipamento de comunicação de dados). RS 485 (Recommended Standard 485) (Agora EIA-485) é uma especificação elétrica para uma conexão a dois fios serial multiponto, semi-duplex (OSI Model). Taxa de amostragem O número de amostras (medidas) por segundo feita por um conversor analógico/digital. SOC Second of Century (ou Segundo do Século), número definido de acordo com o protocolo de tempo da rede (Network Time Protocol - NTP). O número SOC é o tempo UTC em segundos calculado a partir da meia-noite de 1º de janeiro de Sincronismo O estado em que sistemas conectados de corrente alternada, máquinas ou suas combinações operam a mesma freqüência e onde o defasamento de ângulos de fase entre tensões é constante, ou varia com valor médio constante e estável. Fasor sincronizado (Sincrofasor) Um fasor calculado a partir de amostras de dados usando um sinal de tempo padronizado como referência para a medida. Neste caso, os fasores de lugares remotos têm uma relação definida como de mesma fase. Estas fases são chamadas ângulos de fase absolutos. TCP/IP TCP/IP é um protocolo de nível baixo para uso principalmente em Ethernet ou redes relacionadas. A maioria dos protocolos de alto nível usa TCP/IP para transportar os dados. TCP/IP provê uma conexão altamente confiável em redes não confiáveis, usando somas de verificação, controle de congestão e reenvio automático de dados ruins ou perdidos. TCP/IP requer tempo para proceder a um reconhecimento ( handshake ) de novas conexões e bloqueará se dados perdidos estiverem sendo reenviados. TVE Total Vector Error (ou Erro Total do Vetor) Medida de erro entre o valor teórico do fasor do sinal sendo medido e o fasor estimado, conforme definido em 5.2. UDP/IP UDP/IP é um protocolo de IP de nível baixo que provê comunicação de baixa latência através da Ethernet ou redes relacionadas. UDP/IP não provê qualquer controle de erro ou reenvio de dados ruins ou perdidos. O dispositivo ou software de aplicação precisará verificar a correção dos dados. Todavia, o UDP/IP não requer tempo de reconhecimento ( handshaking ) e não bloqueará, tornando-se ideal para comunicações de dados em tempo real. UTC Coordinated Universal Time (ou Tempo Universal Coordenado). O UTC representa a hora do dia no meridiano primal da Terra (0 de longitude). Projeto do SMF do ONS 3 Proprietário

7 WAN (Wide Area Network) Rede Ampla ou Aberta, espraiada através de grandes distâncias geográficas. A latência pode ser muito grande, de vários segundos. Projeto do SMF do ONS 4 Proprietário

8 Normas Relacionadas As seguintes Normas Técnicas servem de base para execução dos testes das PMU: IEEE C , IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems IEEE C , IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange (COMTRADE) for Power Systems, June IEEE Standard C , IEEE Standard Definitions. IEEE Standard , IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic IEEE Standard , IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems IRIG STANDARD IRIG SERIAL TIME CODE FORMATS MAY 1998, Telecommunications Group, Range Commanders Council, US Army White Sands Missile Range, NM. Projeto do SMF do ONS 5 Proprietário

9 1. Introdução Este documento especifica a metodologia usada para realizar testes funcionais nas PMU para garantir que elas atendam as características técnicas exigidas na especificação técnica de PMU do ONS. As especificações neste documento são baseadas principalmente nas Normas IEEE C e em outras normas IEEE, e em normas IEC listadas na seção de normas relacionadas. As PMU são as unidades-base para a implantação do Sistema de Monitoramento de Distúrbios de Longa Duração (SMF) do ONS, e, para garantir a correta operação do sistema, cada PMU deve ser submetida a vários tipos de testes, para garantir sua operação confiável e precisa. Estes testes incluem testes de tipo para modelos individuais, que incluem testes funcionais, elétricos, ambientais e mecânicos, para cada PMU. Os testes especificados neste documento seguem os requisitos e procedimentos do ONS e as normas e orientações internacionais, nacionais e industriais de relevância, onde for aplicável. No entanto, a aplicação de uma PMU para o SMF tem alguns requisitos únicos: 1) Grande precisão da sincronização de tempo dos fasores calculados e precisão na informação temporal dos dados relatados. 2) Desempenho consistente em todas as unidades no sistema proposto. 3) Importância do desempenho geral do sistema para exatidão e latência dos dados. Estes requisitos únicos demandam que um conjunto abrangente de testes de desempenho funcional seja conduzido, empregando uma concepção de teste muito bem pensada, para garantir que o desempenho do SMF instalado possa atingir os objetivos desejados. A descrição dos testes neste documento se concentra nos testes de desempenho funcional que são pertinentes às Unidades de Medição Fasorial (PMU). Para outros testes padronizados, como testes elétricos, ambientais e mecânicos, por favor, consultem as normas internacionais, nacionais e industriais e as referências listadas na seção de Normas Relacionadas. Projeto do SMF do ONS 6 Proprietário

10 2. Sistemas e Equipamentos para os Testes Esta seção relaciona as especificações dos equipamentos necessários para executar os testes nas unidades de medição fasorial. A Norma C requer que o dispositivo de calibração, usado para verificar o desempenho de acordo com o padrão deva ser determinável por padrões existentes e tenha uma taxa de exatidão de teste mínima quatro vezes maior, comparada às exigências dos testes. Em caso de não haver nenhuma norma estabelecida disponível, uma análise detalhada de erros será realizada no dispositivo de teste para demonstrar a conformidade com a taxa de exatidão de teste requerida. 2.1 Referência de tempo A sincronização temporal é fundamental para a operação das PMU. Em termos de sinais de sincronização temporal, os modelos de PMU podem ser divididos em PMU com relógios de GPS internos e em PMU que requerem um relógio de GPS externo. Esta seção descreve os vários métodos disponíveis para a sincronização temporal das PMU e dos sistemas de teste, e os requisitos de desempenho para cada método Relógio GPS Um relógio de GPS é definido como um dispositivo que recebe um 1 PPS (ou seja, um pulso por segundo) e uma etiqueta de tempo de um receptor GPS para gerar pulsos de amostragem sincronizados. A sincronização da amostragem pode ser implantada por: 1) Geração de um pulso de amostragem que sincronizará com o 1PPS a cada segundo e distribuirá o erro temporal igualmente por todos os pulsos de amostragem dentro daquele segundo; 2) Geração de um sinal de temporização que é usado para marcar os pulsos de amostragem de um relógio de amostragem independente. Independentemente da implantação, perturbações atmosféricas causam flutuações no tempo de chegada dos sinais de satélite de GPS, que resultam em incerteza de curto prazo da referência de tempo do receptor GPS. Pelo uso de um oscilador local altamente estável, a média destas flutuações pode ser calculada ao longo do tempo e o resultado será uma imprecisão mais baixa nos sinais de tempo. Um oscilador altamente estável nos dispositivos de teste é requerido para fornecer a precisão de sincronização necessária (<250 nano segundos) para os sinais de tempo sincronizados do equipamento de teste. Projeto do SMF do ONS 7 Proprietário

11 Os receptores GPS necessitam da recepção de sinais de quatro ou mais satélites GPS simultaneamente para conseguir sua precisão máxima de ±100 nano segundos. Dependendo da instalação da antena e da interferência local, pode ocorrer que o receptor não receba o número suficiente de sinais de satélite para ter sua maior precisão. Os relógios de GPS escolhidos devem dar um sinal de bloqueio para indicar que o número de sinais suficiente para atingir a imprecisão especificada está sendo recebido. Este status deve ser monitorado durante todos os testes para assegurar de que a referência do relógio seja precisa. Com este status sendo monitorado, haverá menos preocupação com o "holdover" (erro de tempo enquanto a referência de tempo por GPS é interrompida por qualquer razão), assim haverá menos necessidade de osciladores independentes de maior estabilidade, tais como os baseados em rubidium (Rb). Um bom oscilador recomendado é um OCXO com dupla secagem (oscilador de cristal tratado a forno), que se sairá bem dentro das necessidades de teste das PMU, sem problemas de manutenção ou de sintonia por muitos anos. Já que a Norma C requer que o relógio da PMU tenha uma imprecisão de 1 microssegundos ou melhor, o relógio de referência do sistema de teste deve ter uma imprecisão menor que 250 ns Sinal da antena GPS Os relógios de GPS necessitam de uma conexão a uma antena para captar os sinais dos satélites GPS. Siga as instruções do fabricante para instalar a antena de GPS. Uma vez que o sistema de teste necessita de um relógio de GPS, e que algumas PMU têm relógios de GPS internos, serão necessários múltiplos sinais de antena GPS. Isto pode ser conseguido com a utilização de uma antena conectada a um divisor de sinal de GPS. Os divisores ativos são disponíveis com duas ou quatro saídas. Como a maior parte das antenas requer uma alimentação com tensão em corrente contínua e a polaridade e os níveis de tensão podem variar de fabricante para fabricante, assegure-se de seguir as instruções do fabricante para a conexão dos sinais de antena ao divisor e aos vários relógios. Em adição ao status de bloqueio, a maior parte dos relógios de GPS indica o nível de sinal dos sinais recebidos de cada um dos satélites que foram adquiridos. Verifique se esses níveis atingem o nível de sinal recomendado pelo fabricante do relógio. Isto pode vir a ser um problema se a conexão da antena necessitar de um cabo mais longo. Por essa razão a localização dos instrumentos de teste deve levar em conta as recomendações dos fabricantes para tipo e comprimento do cabo. O uso de um cabo de baixa atenuação pode estender o comprimento usável do cabo, assim como um ampliador de sinal de antena IRIG-B As PMU sem um relógio interno de GPS necessitam de uma conexão IRIG-B para sincronização temporal. Outros padrões de distribuição de tempo existem, mas IRIG-B é um do mais comumente usados. Os sinais usam modulação de largura de pulso para transmitir a informação de tempo em UTC. Esta informação inclui a data e a hora, assim como o segundo do ano. Esses sinais podem ser modulados Projeto do SMF do ONS 8 Proprietário

12 segundo a modulação Manchester ou segundo modulação por amplitude, isto é, por deslocamento de nível de corrente contínua. O IRIG-B modulado por Manchester não requer um sinal adicional de 1PPS, é mais compatível com sinais digitais e é preferido para as instalações do ONS. Em subestações com múltiplas PMU é recomendado que um único relógio GPS seja usado para sincronizar todas as unidades, com uma unidade de reserva disponível. Deve-se tomar cuidado na distribuição do sinal IRIG para evitar reflexões de sinal que possam aumentar a imprecisão dos sinais de tempo. Esses sinais são normalmente transmitidos em cabos de 50 e necessitam de terminais apropriados. O uso de múltiplas seções e de cabos sem terminais deve ser evitado. Durante o teste de múltiplas PMU que requeiram um sinal IRIG-B externo, o mesmo sinal deve ser usado para todas as PMU. Para testes simultâneos de unidades variadas, com ou sem relógio de GPS, o IRIG-B fornecido por um relógio de GPS de uma PMU é preferível, se disponível Outros Sinais de Sincronização Outros sinais de relógio podem ser usados para sincronizar o sistema de teste com o tempo GPS. Um sinal de 1 PPS normalmente é disponível. Isto pode ser usado para sincronizar a amostragem com o início de um segundo UTC. A maior parte das PMU transmite medições fasoriais que são sincronizadas ao segundo UTC e, então, para múltiplos deste, dependendo da taxa de dados. Assim, uma PMU que transmita 30 vezes por um segundo, transmitirá valores fasoriais a cada segundo e a cada 0, s de intervalo. Os relógios GPS também podem ter outras freqüências de sinal disponíveis, como 1 MHz ou 10 MHz. Estas freqüências são úteis para sincronizar a amostragem do sistema de teste e a geração de sinal com o UTC. O uso de sinais de um relógio para controlar as operações do sistema de teste minimiza a distorção aleatória que resulta do uso de vários relógios não sincronizados que estejam rodando em freqüências ligeiramente diferentes. 2.2 Sistema de Teste de Conformidade das PMU Os testes de desempenho das PMU dependem da determinação do Erro Vetorial Total (TVE, em inglês) para o qual o sinal de entrada da PMU deve ser conhecido e ter uma precisão pelo menos quatro vezes maior que aquela das PMU. A determinação de alta precisão do sinal de entrada da PMU pode ser conseguida com dois tipos de sistemas de teste: 1) um gerador de sinal trifásico sincronizado temporalmente, com alta precisão de sincronização de tempo, usado como fonte do sinal de teste para a PMU sob teste, ou 2) um gerador de sinal trifásico não-sincronizado alimentado em paralelo à PMU sob teste e a uma Super-PMU calibrada. Projeto do SMF do ONS 9 Proprietário

13 No parágrafo seguinte estão descritos os requisitos destes dois tipos de dispositivos Especificações Mínimas para Gerador Trifásico Sincronizado no Tempo A fonte de tensão e de corrente deve ter uma imprecisão de amplitude inferior a 0,25 % do nível mínimo de teste especificado, com distorção total de harmônicos e de ruído inferior a 0,2 % do nível mínimo de teste especificado. A fase do sinal deve ser conhecida relativamente a uma onda de co-seno na freqüência nominal de teste (60 Hz) sincronizada ao GPS ou ao sinal de 1PPS UTC. Esta fase será referenciada como ângulo de fase absoluto. O ângulo de fase absoluto da tensão de teste deve ser conhecido para cada momento do teste, isto é, para os tempos que a PMU associa às suas medições fasoriais. O ângulo de fase absoluto de tensão deve ter uma imprecisão inferior a 0,057 graus da fase de teste especificada ou, alternativamente, o ângulo de fase absoluto do sinal de tensão deve ser conhecido com uma imprecisão inferior a 0,057 graus. A figura 2.1 mostra um diagrama de bloco funcional de um exemplo de Gerador de Sinal de Alta Precisão. Projeto do SMF do ONS 10 Proprietário

14 2.2.2 Especificações Mínimas para uma Super-PMU Uma super PMU é um dispositivo semelhante à PMU, mas capaz de registrar sinais com uma precisão pelo menos quatro vezes maior do que a necessária para a PMU. Os níveis de precisão da super PMU devem ser determináveis segundo padrões nacionais, ou os resultados de uma análise detalhada que confirme sua precisão devem ser fornecidos. Este dispositivo deve ter pelo menos quatro canais de entrada e usar um conversor A/D de 16 bits para conversão de dados. Os quatro canais são usados para captar o sinal trifásico de entrada e o sinal de 1 PPS do relógio GPS. Para permitir testes na sincronização de tempo necessária, a taxa de amostragem em todos os canais analógicos deve ser de 4MHz ou superior. A figura 2.2 mostra um diagrama de blocos funcional típico de uma super PMU. O gerador de sinais a ser usado com a super PMU deve ter imprecisões de fase e amplitude conhecidas, com uma distorção harmônica e por ruído total inferior a 0,2 % do nível de teste mínimo especificado. Para testes com a super PMU, a amplitude e a fase do gerador de sinais devem ser inferiores a 1 % do valor necessário. Projeto do SMF do ONS 11 Proprietário

15 2.3 Cuidados para os testes de mensagens das PMU O Documento do Projeto da Arquitetura do Sistema de Medição Fasorial do ONS descreve a estrutura geral e as mensagens para relatórios de dados da PMU com base na Norma IEEE C Testes de mensagem dependem do tipo de meio que é usado e dos protocolos de comunicação. Para o sistema do ONS, será usado UDP para comunicações de dados on-line e TCP para dados de comando, configuração dados offline. Para unidades com comunicação serial, as exigências especificam que os conversores seriais Ethernet devem fazer parte das unidades fornecidas e que os testes de dados devem ser executados com esses dispositivos instalados. Para testar a comunicação de dados, software de teste deve ser desenvolvido com base na Norma IEEE C37.118, ou deve ser adotado um pacote de teste existente com a interpretação da Norma pelo ONS. O Testador de Conexão PMU TVA foi adotado como a interpretação pela Norma C do EIPP para fluxo de dados on-line. O download do software pode ser feito, gratuitamente, em: Projeto do SMF do ONS 12 Proprietário

16 3. Testes de Mensagens das PMU 3.1 Introdução Antes da realização dos testes de conformidade de performance funcional das PMU, a conformidade dos formatos de mensagens das PMU deve ser testada para correta operação. A especificação do ONS para as PMU descreve as estruturas e mensagens gerais para informação dos dados das PMU baseadas na Norma IEEE C A Norma prevê quatro tipos de mensagens das PMU: dados, configuração, cabeçalho e comando. Esta seção descreve os testes de conformidade a serem realizados com as mensagens das PMU para determinar seu atendimento à Norma C Testes das Estruturas (Frames) de Comando Esta estrutura (frame) de comando usa as mesmas palavras SYNC, FRAMESIZE, SOC, FRACSEC, e CHK como todas as outras mensagens e é identificada pelos bits 4-6 da palavra SYNC, como mostrado na Tabela 6 da especificação do ONS para as PMU e na Tabela 6 da Norma IEEE C A estrutura da mensagem de comando é mostrada na Tabela 12 da Norma. O IDCODE deve ser um código de identificação de 2 byte definido para a PMU/DC e é igual ao campo 3 da estrutura de configuração. O CHK é o CRC-CCITT de 16 bits descrito previamente Preparação do código ID para a PMU Antes de aceitar qualquer comando, a PMU deve adequar o IDCODE da mensagem de comando com aquele armazenado internamente Metodologia O IDCODE é ajustável pelo usuário. Selecione e registre um código ID para a PMU sob teste. Siga as instruções do fabricante para ajustar e verificar o símbolo de IDCODE da PMU ao código ID selecionado. Projeto do SMF do ONS 13 Proprietário

17 3.2.2 Teste da Estrutura de Comando Metodologia a) Mande um comando à PMU solicitando o primeiro arquivo de configuração, CFG-1. Pegue o arquivo de configuração enviado pela PMU e verifique se o tamanho e a organização da estrutura seguem a Tabela 4 da especificação do ONS (Tabela 9 da Norma C37.118). Verifique se: O tamanho da estrutura está de acordo com as prescrições da Tabela 4 da especificação do ONS. O SOC coincide com o tempo do teste. O IDCODE casa com o valor previamente ajustado. b) Mande um comando à PMU solicitando o segundo arquivo de configuração, CFG-2. Pegue o arquivo enviado e verifique os mesmos parâmetros acima. c) Se a PMU contém arquivos internos, envie um comando à PMU para enviar um arquivo cabeçalho. Verifique o tamanho e a organização da estrutura do cabeçalho com aquele descrito na Tabela 5 da especificação do ONS (Tabela 11 da Norma C37.118). Verifique se: O tamanho da estrutura está de acordo com as prescrições da Tabela 4 da especificação do ONS. O SOC coincide com o tempo do teste. O IDCODE casa com o valor previamente ajustado. d) Mande um comando à PMU para ligar a transmissão das estruturas de dados. Verifique se as estruturas de dados estão sendo enviadas no canal de comunicação on-line. e) Mande um comando à PMU para desligar a transmissão das estruturas de dados. Verifique se as estruturas de dados não estão mais sendo enviadas no canal de comunicação on-line Dispositivos para Teste Use o software fornecido pelo fabricante para testar os comandos de PMU definidos na Norma C Se não tiver sido fornecido qualquer software, use um pacote de teste de comunicação para montagem e envio dos comandos de acordo com a organização da estrutura definida na Tabela 6 da especificação do ONS (Tabela 12 da Norma C37.118). Projeto do SMF do ONS 14 Proprietário

18 Critérios de Teste A PMU deve enviar ou dar a resposta correta a todos os quatro comandos. O tamanho, ID e SOC das estruturas recebidas deve estar de acordo com a estrutura de comando descrita na especificação do ONS e na Norma C Se os comandos não forem executados ou se as estruturas estiverem em desacordo com a organização e o tamanho especificados, a unidade terá falhado no teste Teste da estrutura de dados A Norma IEEE C não especifica o método de transmissão de dados ou o protocolo para as estruturas de mensagem, mas a especificação do ONS requer que os dados on-line sejam transmitidos usando o protocolo UDP. Os canais de comunicação Ethernet da PMU e os equipamentos de teste deverão ser configurados para protocolo UDP de acordo com as especificações do fabricante antes dos testes das estruturas de dados Metodologia a) Ajuste a PMU para uma taxa de transmissão de 30 frames por segundo. b) Configure a PMU para enviar dados on-line do número máximo disponível de fasores. c) Ajuste um sinal de entrada conhecido, em regime permanente, para no mínimo um dos canais trifásicos de entrada. d) Mande um comando à PMU para ligar os dados on-line. e) Pegue várias estruturas de dados on-line e verifique se: O tamanho da estrutura está de acordo com as prescrições da Tabela 3 da especificação do ONS para as PMU. O SOC coincide com o tempo do teste. O IDCODE casa com o valor previamente ajustado. As etiquetas de tempo das estruturas coletadas estão de acordo com as taxas de transmissão especificadas. A magnitude dos fasores informados nos canais com sinal de entrada está de acordo com os valores ajustados. f) Mande um comando à PMU para desligaras estruturas de dados. Projeto do SMF do ONS 15 Proprietário

19 Dispositivos para Teste Use um software próprio desenvolvido ou o software recomendado na seção 2.3 para coletar dados online das PMU. O software fornecido pelo usuário pode ser usado para enviar os comandos requeridos para a PMU. O sinal de entrada para a PMU pode ser gerado por qualquer gerador trifásico com no mínimo 20% da magnitude nominal de entrada (o valor de 100% nominal é preferido) Critérios de Teste A PMU deve enviar dados on-line com o formato correto. O tamanho, o ID e o SOC das estruturas recebidas devem estar de acordo com a estrutura de dados descrita na especificação do ONS e na Norma C A magnitude do fasor informado deve estar de acordo com a magnitude do sinal de entrada. Se as estruturas estiverem em desacordo com a organização especificada e/ou a magnitude do fasor estiver em desacordo com o sinal de entrada, a unidade terá falhado no teste Teste da Taxa de Informação On-line A Norma IEEE C especifica taxas de 10, 12, 15, 20 e 30 frames por segundo. O ONS requer que as PMU também forneçam estruturas de dados a 5, 6 e 60 frames por segundo Metodologia a) Ajuste a PMU para uma taxa de transmissão de 10 frames por segundo. b) Configure a PMU para enviar dados on-line do maior número disponível de fasores. c) Ajuste um sinal de entrada conhecido, em regime permanente, para no mínimo um dos canais trifásicos de entrada. d) Mande um comando à PMU para ligar os dados on-line. e) Junte diversas estruturas de dados on-line e verifique se: O tamanho da estrutura está de acordo com as prescrições da Tabela 3 da especificação do ONS para as PMU. As etiquetas de tempo das estruturas coletadas estão de acordo com as taxas de transmissão especificadas. A magnitude dos fasores informados nos canais com sinal de entrada está de acordo com os valores ajustados. Projeto do SMF do ONS 16 Proprietário

20 f) Mande um comando à PMU para desligar as estruturas de dados. Enquanto a taxa de transmissão da PMU for menor que 60 amostras por segundo, ajuste a taxa de transmissão de dados para o próximo valor e repita sucessivamente os passos d até f. Quando a taxa de transmissão for de 60 amostras por segundo e o passo f tiver sido concluído, o teste terá sido completado Dispositivos para Teste Use um software próprio desenvolvido ou o software recomendado na seção 2.3 para coletar os dados online das PMU. O software fornecido pelo usuário pode ser usado para enviar os comandos requeridos para a PMU. O sinal de entrada para a PMU pode ser gerado por qualquer gerador trifásico com no mínimo 20% da magnitude nominal de entrada (o valor de 100% nominal é preferido) Critérios de Teste A PMU deve enviar os dados on-line com o formato correto. O tamanho e SOC das estruturas recebidas devem estar de acordo com a estrutura de dados programada na PMU para todas as oito (duas taxas novas) taxas de estrutura de dados. Se o tamanho da estrutura, a magnitude do fasor ou o SOC estiverem em desacordo com os valores especificados, a unidade terá falhado no teste. Projeto do SMF do ONS 17 Proprietário

21 4. Teste de Tipo das PMU 4.1 Introdução Os testes de PMU realizados em 2003 em quatro modelos de PMU de diferentes fabricantes para testar sua conformidade com a Norma IEEE 1344 para sincrofasores, mostraram que nenhum dos modelos testados atendeu totalmente à Norma. Além disto, alguns dos resultados mostraram que definições pobres na Norma poderiam levar à conformidade de unidades não intercambiáveis. Desenvolvimentos recentes implementados por fabricantes, um maior número de aplicações, e exigências mais específicas das concessionárias ao redor do mundo levaram a uma nova Norma, a IEEE C37.118, e à melhor conformidade dos fabricantes existentes. Mas muito poucas instalações existem atualmente para executar o teste requerido pela mesma. Devido à inovação da Norma C37.118, é fortemente recomendado que o teste de tipo seja realizado em um único laboratório reconhecido ou agência certificada por todos os fabricantes de PMU, para assegurar que todos os testes são comparáveis, evitando diferenças na interpretação das normas e nas metodologias dos testes usados por diferentes fabricantes e laboratórios de teste. O teste de tipo também deverá ser realizado quando qualquer upgrade de software ou de hardware for feito pelo fabricante em um modelo certificado. O IEEE aprovou a Norma C para publicação em Outubro de A Norma IEEE C definiu claramente a métrica do Erro Vetorial Total (TVE), e estabeleceu os níveis 0 e 1 dos requisitos de conformidade de desempenho sob regime permanente para uma PMU. Contudo, a Norma não estabeleceu os requisitos de conformidade de desempenho para condições transitórias e dinâmicas. Para permitir o uso de PMU para algumas aplicações dinâmicas no futuro próximo, os testes de tipo deveriam incluir documentação sobre respostas dinâmicas na unidade, baseada nos testes de mudança de passo (step change tests) recomendados na Norma C Nas subseções seguintes, esta especificação descreverá o objetivo e as exigências de cada teste. Os testes estão divididos em testes de conformidade em regime permanente, e testes de documentação dinâmica de mudança de passo. Nesta especificação, as condições de regime permanente são definidas como aquelas onde a magnitude e a freqüência dos sinais de teste não se modificam durante o teste. Caso contrário, o teste será considerado um teste dinâmico. Projeto do SMF do ONS 18 Proprietário

22 4.2 Testes de conformidade de desempenho em regime permanente Os testes de regime permanente são conduzidos para confirmar que a exatidão de uma PMU está dentro dos valores especificados em condições de operação de regime permanente. Os testes de precisão na marcação de tempo e no ângulo fasorial serão realizados primeiro, para confirmar a capacidade de uma PMU de medir fasores corretamente, antes de se realizar o teste de conformidade de desempenho em larga escala. O teste de conformidade de desempenho em larga escala será realizado de acordo com a Tabela 1 da especificação do ONS para as PMU (versão modificada da Tabela 3 da Norma C37.118). Níveis de desempenho em regime permanente especificados, pelo fabricante, diferentes dos especificados na C serão verificados de acordo com as próprias especificações do fabricante. Adicionalmente, o desempenho em regime permanente também será verificado dentro da faixa de temperatura de operação especificada pelo ONS e pelos Agentes. O requisito para faixa de temperatura operacional mínimo será de 0 a +40 graus Celsius. O desempenho em regime permanente é determinado com base no Erro Vetorial Total (TVE), que é definido como: TVE = ( X ( n) X ) + ( X ( n) X ) 2 2 r r i i 2 2 X r + X i Onde Xr (n) e Xi (n) são as partes reail e imaginária do fasor medido e Xr e Xi são as partes real e imaginária do sinal de entrada. O fasor do sinal de entrada deve ser computado teoricamente da especificação conhecida do dispositivo de teste ou dos dados do sinal de entrada coletados por uma Super-PMU Teste de precisão fasorial em regime permanente A precisão da marcação de tempo e a medição correta de ângulo dos dados fasoriais da PMU serão verificadas nas seguintes condições: Condições gerais para todos os testes: Sinal de entrada senoidal puro. Sinal de entrada trifásico equilibrado. Projeto do SMF do ONS 19 Proprietário

23 Taxa de informação estabelecida em 30 fasores por segundo. Faixa de sinais de entrada a ser testada: Magnitude do sinal de entrada: de 20 % a 120 % do valor nominal. Freqüência do sinal de entrada: de 55 a 65 Hz Ângulo de fase do sinal de entrada: (a) 0 grau e (b) -90 graus. Ângulos fasoriais na etiqueta de tempo de 1PPS. Distorção harmônica total em 10 % do nominal: do 2º a 50º harmônico Dispositivos para Teste As especificações do sistema de testes, aceitáveis para este teste, estão descritas na seção Critérios para o Teste As PMU devem registrar a marcação de tempo e o ângulo fasorial corretos nos testes acima com TVE < 1,0 % em todos os TVE computados para passar no teste. Se algum TVE computado for 1,0 %, a unidade será reprovada no teste Metodologia O teste é iniciado com sinal de entrada trifásico configurado para: Magnitude de 20 % da nominal. Ângulo de 0 graus. Freqüência de 55 Hz Acrescentados 10 % da 2ª componente harmônica. Passo 1: Configure o Ângulo de Fase do sinal de entrada para 0 graus na marca 1PPS. Dependendo do sistema de teste, é permitido um tempo para que o sinal de entrada se estabilize. Com o sinal de entrada estável, dados são coletados por um minuto da PMU e do dispositivo de teste. Os dados coletados de ambos os dispositivos são usados para calcular o TVE, segundo definição da Norma C O TVE em cada marcação de segundo durante o minuto de dados coletados tem sua conformidade verificada. O fasor da marcação de segundo (ou só segundo) com o maior TVE é Projeto do SMF do ONS 20 Proprietário

24 identificado como L1MTVE. Os TVE de todos os fasores informados nos segundos imediatamente antes e imediatamente depois de L1MTVE são computados e tem sua conformidade checada. Passo 2: Configure o Ângulo de Fase do sinal de entrada para -90 graus na marca 1PPS. Dependendo do sistema de teste, é permitido um tempo para que o sinal de entrada se estabilize. Passo 3: Incremente a Magnitude em 10 %. Se a Magnitude for menor ou igual a 120 % da nominal, repita os passos 1 e 2. Se a Magnitude for maior que 120 %, reajuste a mesma para 20 % do nominal e execute o passo seguinte. Passo 4: Aumente a freqüência do sinal de entrada em 0,5. Se a freqüência for menor ou igual a 65 Hz, repita os passos 1 a 3. Se a freqüência for maior do que 65 Hz, reajuste a freqüência para 55 Hz e realize o passo seguinte. Passo 5: Aumente a freqüência da distorção harmônica acrescentada para o harmônico seguinte. Se o componente harmônico for inferior a 50, repita os passos 1 a 4. Se o componente harmônico for maior do que 50, o teste está feito. O relatório de teste deve incluir uma qualificação de aprovado ou reprovado e tabelas com todos os L1MTVE computados de todos os testes. Se for detectada não-conformidade, os TVE não-conformes e a suas marcações de tempo devem ser listados em uma tabela separada. 4.3 Teste de desempenho dinâmico Os testes de resposta dinâmica em degraus são usados para documentar a resposta dinâmica dos diferentes modelos de PMU usados no sistema ONS. Já que nenhum critério de desempenho dinâmico foi definido na Norma IEEE C37.118, a melhor alternativa é conduzir os testes a seguir e documentar a resposta dinâmica dos modelos individuais de PMU Resposta para mudança em degrau de amplitude Metodologia Realize o teste seguinte separadamente para entradas de tensão e de corrente. Aplique um sinal de entrada trifásico, balanceado, com freqüência nominal (60 Hz), com magnitude nominal, em regime permanente. Permita algum tempo de assentamento para o gerador de sinais e modifique a magnitude imediatamente por + 20 %, nas três fases, espere alguns segundos e então a modifique novamente de volta para o nominal. Se um gerador de sinais sincronizado for usado para o teste, a mudança de degrau deverá ocorrer Projeto do SMF do ONS 21 Proprietário

25 na marca 1PPS, caso o dispositivo de teste tenha esta capacidade. Registre o fasor on-line na taxa de informação máxima da PMU. Se a PMU coleta arquivos de dados, utilize acionamento manual ou por magnitude para coletar os eventos à taxa de dados máxima permitida na tabela. Repita o teste para um degrau de magnitude de -20% e registre os dados como descrito anteriormente. Use os dados registrados para comparar a precisão em ambos os níveis e cheque o valor de sobre passo ( overshoot ), o tempo de resposta e a rampa de atenuação ( ringdown ). Os sinais de teste devem ser calibrados ou medidos para dentro de 0,1 % da leitura. Usando a marcação de tempo do fasor, meça os tempos de resposta entre 10 % e 90 % do degrau (para um degrau de 10 volts, meça o tempo de resposta em 1 volt e em 9 volts) Dispositivos para Teste As especificações de sistema de testes, aceitáveis para este teste, são descritas na seção 2.2. A Super- PMU é preferida, já que ela registra os sinais de teste reais e permite a melhor determinação do tempo de resposta da PMU. Se uma Super-PMU não for usada para o teste, use um osciloscópio digital com uma taxa de amostragem mínima de 10 MHz para capturar o tempo de resposta de uma única fase do sinal de entrada Critérios para o Teste Isto é um teste para documentação e não um teste de conformidade. Quatro plotagens (duas para cada mudança de degrau) para o canal de tensão e quatro plotagens para os canais de corrente da resposta de tempo de magnitude da PMU devem ser fornecidas como documentação em conjunto com a observação sobre o overshoot, tempo de resposta e o ringdown observados durante o teste. O tempo de resposta do sinal de entrada de cada mudança de degrau também deve ser informado Resposta à mudança, em degrau, do ângulo de fase Metodologia Realize o seguinte teste separadamente para entradas de tensão e de corrente. Aplique um sinal de entrada trifásico balanceado em regime permanente, com freqüência nominal (60 Hz), e de magnitude nominal. Modifique o sinal de entrada instantaneamente em + 15 graus e de volta ao nominal, depois que os sinais de entrada tenham se assentado. Documente a precisão de ambos os ângulos e cheque o overshoot e o ringdown. Os sinais de teste devem ser calibrados ou medidos para dentro de 0,1 graus. Registre o fasor on-line na taxa de informação máxima da PMU. Se a PMU coletar arquivos de dados, use um acionamento manual, de ângulo, ou de freqüência para coletar eventos e a taxa de dados máxima permitida na tabela. Utilizando a marcação de tempo dos fasores medidos, determine os tempos de Projeto do SMF do ONS 22 Proprietário

26 resposta em 10% e 90% do degrau. Relate o uso da taxa de informação para determinar o tempo de resposta. Repita o teste para degraus de -15, +45 e -45 graus Dispositivos para Teste As especificações do sistema de testes, aceitáveis para este teste, são descritas na seção 2.2. A Super- PMU é preferida uma vez que ela registra os sinais de teste reais e permite melhor determinação do tempo de resposta da PMU. Se uma Super-PMU não for usada para teste, use um osciloscópio digital para capturar o tempo de resposta da fase a do sinal de entrada. Um sinal confiável da fonte será necessário para ativar o osciloscópio Critérios para o Teste Isto é um teste para documentação e não um teste de conformidade. Oito plotagens (duas para cada modificação de degrau) para o canal de tensão e oito plotagens para os canais de corrente da resposta temporal de ângulo da PMU devem ser fornecidas como documentação, juntamente com observações sobre o overshoot, tempo de resposta e o ringdown observados durante o teste. O tempo de resposta do sinal de entrada para cada modificação de degrau também deve ser informado Resposta à variação de freqüência Metodologia Realize o teste seguinte nas três entradas de fase usadas pela PMU para computar a freqüência. Aplique um sinal de entrada trifásico, balanceado, em regime permanente, com freqüência nominal (60 Hz) e com magnitude nominal. Imediatamente modifique a freqüência por + 1 Hz e volte a 60 Hz depois de mais de dez segundos. Compare a precisão de em ambas as freqüências (antes e depois) e verifique o overshoot e o ringing. Os sinais de teste devem ser calibrados ou medidos para dentro de 0,25 Hz. Utilizando a marcação de tempo fasorial, meça os tempos de resposta em 10 % e 90 % do degrau. Repita o teste para degraus de freqüência de: - 1, +/-2, e +/-3 Hz Dispositivos para Teste As especificações de sistema de testes, aceitáveis para este teste, são descritas na seção 2.2. A Super- PMU é preferida, já que ela registra os sinais reais do teste e permite melhor determinação do tempo de resposta da PMU. Se uma Super-PMU não for usada para este teste, use um osciloscópio digital para capturar o tempo de resposta de uma única fase do sinal de entrada. Projeto do SMF do ONS 23 Proprietário

27 Critérios para o Teste Isto é um teste para documentação e não um teste de conformidade. Doze plotagens (duas por modificação de degrau) da resposta de tempo de freqüência de entrada devem ser fornecidas como documentação em conjunto com a observação sobre o overshoot, tempo de resposta e o ringdown observados. O tempo de resposta do sinal de entrada para cada modificação de degrau também deve ser informado Resposta à variação rápida de freqüência Metodologia Realize o teste seguinte nas três entradas de fase usadas pela PMU para computar freqüência. Aplique um sinal de entrada trifásico balanceado de magnitude nominal, em um ângulo fixo conhecido. Começando em um 1PPS conhecido do GPS, faça a freqüência subir em rampa de 55 Hz a 65 Hz em 40 segundos e imediatamente reverta o processo, fazendo-a descer em rampa de 65 Hz a 55 Hz em um período de 40 segundos. Plote a freqüência e ângulo da PMU para o período de 80 segundos e compare-o aos valores esperados Dispositivos para Teste As especificações de sistema de testes, aceitáveis para este teste, são descritas na seção 2.2. A Super- PMU é preferida, já que ela registra os sinais de teste reais e permite melhor determinação do tempo de resposta da PMU. Se uma Super-PMU não for usada para teste, use um osciloscópio digital para capturar o tempo de resposta de uma única fase do sinal de entrada Critérios para o Teste Isto é um teste para documentação e não um teste de conformidade. Uma plotagem da entrada e da resposta de tempo da freqüência da PMU deve ser fornecida. Uma plotagem da resposta de tempo de ângulo e de ângulo esperado da PMU deve ser fornecida Teste de modulação da amplitude Metodologia Inicialmente aplique um sinal de entrada trifásico balanceado, com magnitude nominal e freqüência nominal. Configure a PMU para capturar sinais em 60 amostras por segundo. Introduza uma modulação Projeto do SMF do ONS 24 Proprietário

28 de amplitude de 0,2 Hz nos três sinais de fase. Aumente a modulação de 0,2 a 50 Hz em passos de 0,2 Hz. Plote a magnitude do fasor em função da resposta de freqüência modulada Dispositivos para Teste As especificações de sistema de testes, aceitáveis para este teste, são descritas na seção 2.2. A Super- PMU é preferida, já que ela registra os sinais de teste reais e permite melhor determinação do tempo de resposta da PMU. Se uma Super-PMU não for usada para teste, use um osciloscópio digital para capturar o tempo de resposta de uma única fase do sinal de entrada Critérios para o Teste Isto é um teste para documentação e não um teste de conformidade. Uma plotagem da magnitude do fasor da PMU em função da freqüência modulada deve ser fornecida. Projeto do SMF do ONS 25 Proprietário

29 5. Testes Operacionais Esta seção descreve os testes operacionais a serem realizados em todas as unidades de PMU para determinar sua correta operação. Os testes descritos nesta seção são limitados a operações específicas das PMU em acréscimo aos testes recomendados pelos fabricantes, que devem ser realizados primeiro. 5.1 Testes recomendados pelo fabricante Toda inspeção pré-energização, a verificação das funcionalidades básicas e os testes operacionais recomendados pelo fabricante devem ser realizados e aprovados antes que os testes aqui descritos sejam realizados. 5.2 Testes do relógio do GPS A sincronização de tempo em milisegundos é específica para as PMU e é requerida para sua correta operação. Em termos de seus sinais de sincronização, as PMU são classificadas em unidades com relógio GPS interno ou unidades com relógio GPS externo. O teste do sinal da antena do GPS descrito deve ser realizado nas PMU ou no relógio GPS externo. O teste do sinal de entrada IRIG-B é especifico para as PMU sem um relógio GPS interno Sinal da antena do GPS Relógios GPS requerem conexão a uma antena para receber os sinais do sistema de satélites GPS. Antes da realização do teste, coloque a antena em um local com visão clara do horizonte. Siga as recomendações do fabricante sobre o tipo e a extensão do cabo. O Uso de um cabo de baixa atenuação ou de um amplificador de sinal de antena podem estender o comprimento permitido do cabo Metodologia Após instalar a antena na PMU ou no relógio GPS, espere 30 minutos para que o receptor do GPS receba o sinal, baixe os dados de referência e ajuste sua localização. Siga a instrução fornecida pelo fabricante para monitorar o status, o nível do sinal e o número de satélites ligados ao relógio do GPS Dispositivos para Teste Use o relógio do GPS, a interface com a PMU ou o software fornecido para obter o status do relógio GPS. Projeto do SMF do ONS 26 Proprietário

30 Critérios para o Teste Se a unidade falhar no recebimento do sinal após 5 minutos ou se ela falhar em acertar seu sinal de tempo após 30 minutos, a unidade terá falhado no teste Sinais de Entrada IRIG-B As PMU que não tenham um relógio GPS incorporado irão geralmente requerer uma conexão IRIG-B. Outros padrões de distribuição de tempo existem, mas o padrão IRIG-B com modulação Manchestermodificada e o padrão IRIG-B modulado por amplitude com um sinal padrão de 1PPS adicional são os recomendados na especificação das PMU adotada pelo ONS Metodologia Antes de conectar o sinal IRIG-B à PMU, certifique-se de que o teste do sinal da antena GPS no relógio GPS foi realizado com sucesso. Siga as instruções dos fabricantes da PMU e do relógio GPS para a instalação do cabo IRIG-B. Espere cinco minutos para a PMU indicar que seu tempo foi acertado com o relógio GPS externo. Uma vez acertado, verifique se o tempo da PMU está de acordo com o tempo do relógio GPS Dispositivos para Teste Use a interface do relógio GPS ou o software fornecido para obter o status do relógio GPS. Use o display da PMU ou o software fornecido para verificar o estado de acerto do sinal de tempo Critérios para o Teste Se a PMU falhar em acertar seu sinal de tempo após 5 minutos, a unidade terá falhado no teste. 5.3 Testes de Verificação da Fiação do Sinal de Entrada Verificação da seqüência de fase correta As PMU calculam um fasor de seqüência positiva. Se, por alguma razão, o sinal trifásico de entrada não for ligado na ordem correta para produzir um fasor de seqüência positiva, a magnitude do fasor calculado será perto de zero, devido ao efeito de filtragem do algoritmo. Projeto do SMF do ONS 27 Proprietário

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