Um sistema para simular o comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão usados em sistemas de distribuição de energia elétrica.

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA Um sistema para simular o comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão usados em sistemas de distribuição de energia elétrica. Jânio Mendonça Júnior Orientador: D.Sc. José Alberto Nicolau de Oliveira NATAL - RN MARÇO/2010

2 JÂNIO MENDONÇA JÚNIOR Um sistema para simular o comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão usados em sistemas de distribuição de energia elétrica. Dissertação de mestrado submetida ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em cumprimento às exigências para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica, na área de concentração de Sistemas de Energia Elétrica. Orientador: D.Sc. José Alberto Nicolau de Oliveira NATAL - RN MARÇO/2010

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4 JÂNIO MENDONÇA JÚNIOR Um sistema para simular o comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão usados em sistemas de distribuição de energia elétrica. Dissertação de mestrado submetida ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em cumprimento às exigências para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica, na área de concentração de Sistemas de Energia Elétrica. Aprovado por: Prof. D.Sc. Marcos Antonio Dias de Almeida Prof. D.-Ing. Manoel Firmino de Medeiros Jr. Prof. D.Sc. José Alberto Nicolau de Oliveira NATAL - RN MARÇO/2010

5 Resumo A crescente concorrência nos serviços de distribuição de energia elétrica de boa qualidade obriga as concessionárias a investirem em projetos que garantam a sua qualidade. Manter níveis de tensão em padrões aceitáveis no ponto de entrega da energia elétrica ao consumidor é um dos principais problemas enfrentados. A utilização de reguladores de tensão torna-se uma forma viável para garantir a qualidade do serviço na entrega do produto (energia elétrica), no entanto, a especificação de seus ajustes não se constitue em tarefa simples, principalmente quando se tem grande variação de carregamentos, inclusive, desequilíbrios. Com base nos problemas expostos na utilização de reguladores de tensão, foi desenvolvido um sistema para simular o comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão usados em sistemas de distribuição de energia elétrica. Tal simulação será de grande valor para visualização do comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão, antes de sua instalação na rede de distribuição, para definição de parâmetros de regulação e restrições de regulação, para visualização de valores de ajuste de regulação e variações de tensão. Uma característica importante deste simulador é fato deste se comunicar com um programa TOpReDE (Técnicas de otimização para redes de distribuição de energia elétrica), com intuito de comparar e validar resultados através da geração de gráficos, a partir do Matlab R. Nesta implementação foram utilizados os blocos funcionais do Matlab R /Simulink em conjunto com a biblioteca da Altera R, chamada DSP builder, ambiente no qual serão feitas simulações e testes do sistema de regulação de tensão. Palavras-Chave Parâmetros de sensibilidade, Simulação, Sistemas de distribuição, Reguladores de Tensão, DSP builder. i

6 Sumário 1 Introdução 1 2 As ferramentas utilizadas MATLAB R Simulink Quartus II O Altera R DSP builder Desenvolvimento Implementação e verificação Fluxo Automático (com simulink) e Fluxo Manual (sem simulink) 9 3 Reguladores de tensão Introdução Reguladores de tensão Modelagens do Regulador de Tensão Esquemas de ligação de reguladores em circuitos trifásicos Procedimentos atuais de controle dos reguladores de tensão O algoritmo de simulação Embasamento para o desenvolvimento do simulador do comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão Desenvolvimento Diagrama de blocos do simulador monofásico Diagrama de blocos do simulador trifásico O simulador trifásico Memória ROM ii

7 4.2.5 Temporização do modelo A UAT (unidade de ajuste de tensão) A UCT (Unidade de controle de tap) A UCAT (Unidade de cálculo das tensões) Resultados e discussões Comparação de resultados Análise gráfica Análise gráfica na fase C Análise gráfica na fase B Análise gráfica na fase A Conclusões 47 A A interface do simulador 50 B O formato Intel-HEX 53 B.1 O conteúdo de um registro HEX B.2 Exemplos de registro HEX iii

8 Lista de Figuras 2.1 Fase de projeto com a biblioteca DSP builder Blocos funcionais disponíveis na biblioteca DSP builder Visão geral do fluxo de projeto utilizando DSP builder Diagrama unifilar de um trecho de um alimentador Diagrama unifilar de uma rede de distribuição Modelos Básicos de autotransformador Modelo elétrico do conjunto rede de distribuição - regulador Modelo de referência para um regulador de tensão monofásico Ligação Estrela Aterrada de três reguladores monofásicos em uma rede de distribuição trifásica Ligação Delta de três reguladores monofásicos em uma rede de distribuição trifásica Ligação Delta Aberto de três reguladores monofásicos em uma rede de distribuição trifásica Alimentador utilizado em uma das simulações Diagrama de blocos do simulador do regulador monofásico Diagrama de blocos do simulador do banco regulador trifásico Modelo do algoritmo de simulação para controle de tensão em um alimentador com regulador trifásico Memória Rom Temporização do sistema Máquina de estados (MdEcaPerfil) e bloco de configuração Unidade de ajuste de tensão Temporização na UAT Máquina de estados (MdE1_2) e bloco de configuração iv

9 4.11 Unidade de controle de tap Unidade de cálculo das tensões Gráfico de comparação de tensão com TOpReDE na fase C Gráfico tensão inicial X tensão final na fase C Gráfico de comparação de tensão com TOpReDE na fase B Gráfico tensão inicial X tensão final na fase B Gráfico de comparação de tensão com TOpReDE na fase A Gráfico tensão inicial X tensão final na fase A A.1 Simulador do comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão A.2 Blocos do F1_subsistema v

10 Lista de Simbolos TOpReDE ASCII FPGA DSP VHDL VHSIC FIR NCO FFT IFFT A/D D/A LED FIFO RAM ROM MdE UAT UCT UCAT p.u. Técnicas de otimização para redes de distribuição de energia elétrica American Standard Code for Information Interchange Arranjo de portas programáveis no campo (Field Programable Gate Array) Processador Digital de Sinais (Digital Signal Processing) Linguagem de descrição de hardware (Hardware Description Language) Very High Speed Integrated Circuit Finite Impulse Response Numerically Controlled Oscilator Fast Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform Analógico/Digital Digital/Analógico Diodo emissor de luz (Light Emitting Diode) Primeiro a entrar primeiro a sair (First in first out) Memória de acesso aleatório (Random Access Memory) Memória apenas para leitura (Read Only Memory) Máquina de estados Unidade de ajuste de tensão Unidade de controle de Tap Unidade de Cálculo de Tensões por unidade vi

11 Lista de Siglas V 1 Tensão complexa no ponto 1 V 2 Tensão complexa no ponto 2 x, X Impedância reativa r, R Impedância ativa V s Z s Z d I L I s I d V ref V d n I S 1, S 2 S I s V A V B V C V AB V BC V CA Z V j, V i f c V i V j Tensão no secundário do transformador Impedância no ramo série do regulador de tensão Impedância no ramo em derivação Corrente de carga Corrente no ramo série do regulador de tensão Corrente no ramo em derivação do regulador de tensão Tensão de referência Tensão no enrolamento Número de espiras ou relação de espiras Conjugado da corrente Potências aparentes complexas de entrada e saída no regulador de tensão Potência aparente complexa Corrente conjugada no ramo série do regulador de tensão Tensão na fase A Tensão na fase B Tensão na fase C Tensão entre as fases A e B Tensão entre as fases B e C Tensão entre as fases C e A Impedância equivalente Tensões nos nós j e i Variação de carregamento Variação de tensão no nó i Variação de tensão no nó j vii

12 V iest V iant V jant V jdes V imed V j V i V iat V jsim V jt Tensão de saída estimada no nó regulador i Tensão de saída anterior a uma regulação de tensão no nó regulador i Tensão de regulação anterior a uma variação de tensão no nó j Tensão de regulação desejada no nó j Tensão medida na saída do nó regulador i Coeficiente de tensão Tensão de saída atingida no nó regulador i Tensão de regulação calculada pelo simulador Tensão de regulação calculada pelo TOpReDE viii

13 Capítulo 1 Introdução A crescente concorrência nos serviços de distribuição de energia elétrica de boa qualidade, obriga as concessionárias a investirem em projetos que garantam a qualidade no fornecimento do serviço. Qualidade em energia é portanto um fator de preocupação para as concessionárias de energia elétrica. Tal preocupação iniciou-se em meados da década de 80 segundo [11]. Como intervenientes principais nesta qualidade, destacam-se: a regulação de tensão no ponto de entrega de cada consumidor fora de padrões estabelecidos. Alguns equipamentos são muito sensíveis a variações de tensão, como aparelhos que contêm microprocessadores controlados e dispositivos eletrônicos que são sensíveis a qualquer tipo de perturbação; os cintilamentos (flickers) causados pelas repetitivas e rápidas mudanças de tensão na rede de distribuição; o aumento da consciência sobre qualidade de energia pelo consumidor, que vem se tornando mais interessado em questões como interrupções, variações de tensão, interrupções freqüentes, e com isso vem cobrando das concessionárias de energia elétrica melhorias na qualidade e na continuidade da energia entregue. Para superar alguns destes problemas apresentados, reguladores de tensão e bancos de capacitores são freqüentemente incorporados às redes de distribuição de energia elétrica [15], [16]. No entanto, a localização destes equipamentos, e em destaque a dos reguladores de tensão, é fortemente dependente da topologia da rede e até há pouco tempo, totalmente orientada por exaustivas análises de fluxos de carga, feitas nas unidades de planejamento das concessionárias de energia elétrica, onde são consideradas 1

14 regras cotidianas previsíveis (dayly) e mudanças sazonais de carregamentos [10]. A proposta da regulação de tensão em redes de distribuição é manter níveis de tensão dentro de um faixa prescrita de valores, no ponto de entrega dos consumidores [8]. Alguns avanços nessa área já são notados como a programação dinâmica e algoritmos de controle que implementam lógica fuzzy, utilizados para controle de bancos de capacitores e transformadores com mudanças de taps [16]. A partir de análises feitas com algoritmos de fluxo de cargas, envolvendo alimentadores reais, constatou-se que uma variação na tensão de saída de um regulador se reflete, linearmente, para todos os nós, localizados a jusante, para condições fixas de carga e que, para uma condição fixa de tap do regulador, as tensões nos nós a jusante, também variam linearmente, para excursões de carregamentos no intervalo usual da curva de carga diária. Tais observações levaram à conclusão de que é possível controlar a tensão de regulação de qualquer ponto desejado (local ou remoto) [10]. Outro aspecto bastante importante motivador para o desenvolvimento deste trabalho é a carência de simuladores do comportamento de bancos reguladores trifásicos de tensão diante da grande necessidade de ensaios e simulações destes importantes equipamentos em redes de distribuição de energia elétrica. Algumas pesquisas foram feitas e não foi encontrado nenhum sistema de simulação de comportamento dos reguladores de tensão em redes de distribuição de energia elétrica. Diante de tais fatos, desenvolveu-se um simulador para avaliar o comportamento de bancos reguladores trifásico usados em redes de distribuição de energia elétrica. Tal simulação é de grande valor para caracterizar parâmetros de regulação e restrições de regulação, para visualizar valores de ajuste de regulação, variações de tensão e simulação de cargas. O simulador foi implementado com base nos coeficientes das funções que definem a sensibilidade de tensão para cada nó presente em um alimentador. Uma característica importante deste simulador é fato deste se comunicar com o programa TOpReDE (Técnicas de otimização para redes de distribuição de energia elétrica) 1, com intuito de comparar e validar os resultados através da geração de gráficos a partir do Matlab R. 1 Técnicas de Otimização para Redes de Distribuição de Energia Elétrica - desenvolvido pela base de pesquisa OSEE (Otimização em Sistemas de Energia Elétrica), em 2004 e 2005, durante a execução de um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento proposto pela COSERN. A Base de pesquisa OSEE é composta por professores e alunos dos cursos de Engenharia Elétrica e de Engenharia da Computação da UFRN. 2

15 Nesta implementação foram utilizados os blocos funcionais do Matlab R /Simulink em conjunto com a biblioteca DSP builder da Altera R. Foi também no ambiente Matlab R /Simulink que foram feitas as simulações e os testes do sistema de simulação de regulação de tensão implementado. O desenvolvimento do simulador no Matlab R /Simulink, utilizando-se da biblioteca DSP builder possibilita, que sejam feitas alterações bem como uma posterior síntese e programação em um FPGA. Para concretizar o trabalho proposto, o caminho delineado consistiu de cinco etapas articuladas: 1. a primeira etapa abrangeu o levantamento bibliográfico sobre os objetos em questão, incluindo o estudo, a revisão e a classificação dos principais elementos subsidiadores das análises requeridas e propostas formuladas; 2. a segunda etapa, consistiu em aprender os blocos funcionais necessários ao desenvolvimento do simulador na biblioteca Altera R DSP builder; 3. a terceira etapa, correspondeu à implementação do algoritmo de simulação no Matlab R Simulink, bem como na análise, depuração e validação; 4. a quarta etapa, foi dedicada à definição de uma proposição mais adequada; 5. a quinta etapa, foi reservada à fundamentação e ao aprofundamento teórico das inferências ocorridas no transcorrer do trabalho e à redação final do trabalho de dissertação. Esta dissertação está estruturada em 6 capítulos, que guardam em si peculiaridades, e entre si a coerência necessária às exigências da investigação, de modo a preservar sua unidade. O primeiro capítulo, corresponde à apresentação formal da proposta de dissertação, sua fundamentação e seus direcionamentos. O segundo capítulo, centra sua análise na biblioteca do Matlab R /Simulink desenvolvida pela Altera R chamada DSP builder, onde são apresentados alguns conceitos básicos de estruturação dos blocos, quais as vantagens e desvantagens de utilizar tal biblioteca, bem como a explicação das fases de um projeto utilizando a biblioteca DSP builder e uma pequena apresentação de todas as ferramentas utilizadas para desenvolvimento do simulador. 3

16 O terceiro capítulo, faz uma breve apresentação sobre reguladores de tensão, demonstrando uma modelagem para reguladores de tensão bem como apresentando os esquemas de ligação e os procedimentos de regulação de tensão atualmente utilizados. O quarto capítulo, enfatiza o algoritmo desenvolvido para ajuste dos parâmetros dos reguladores de tensão trifásico, utilizados em sistemas de distribuição. Ainda no terceiro capítulo será analisada a implementação do simulador, apresentando todos os blocos desenvolvidos e os detalhes de implementação de cada bloco. O quinto capítulo, é dedicado a apresentar os resultados obtidos pelo simulador, a análise de tais resultados e a comparação destes resultados com os resultados obtidos pelo programa TOpReDE. Nas conclusões (sexto capítulo) se estabelece um caminho de volta às proposições, correlacionando-as com os objetivos alcançados. Apontam-se caminhos e perspectivas geradas. 4

17 Capítulo 2 As ferramentas utilizadas Este capítulo faz uma breve introdução às ferramentas utilizadas no desenvolvimento do simulador de bancos trifásicos de reguladores de tensão, bem como analisa as vantagens e algumas desvantagens de se utilizar tais ferramentas. 2.1 MATLAB R Matlab R é uma ferramenta de alto desempenho para programação técnica, foi desenvolvida pela Mathworks, empresa fundada em 1984, especializada em softwares para computação técnica. O Matlab R traz consigo a vantagem de que em uma mesma ferramenta, tem-se a computação, visualização e a programação em um ambiente amigável, onde os problemas e as soluções são expressos numa notação matemática familiar [2]. O Matlab R oferece um ambiente para desenvolvimento de algoritmos em dois níveis; um consiste da utilização de uma linguagem proprietária para descrição de algoritmos, semelhante à linguagem C, com arquivos.m no próprio ambiente do Matlab R ; o outro é um ambiente para desenvolvimento de sistemas, um ambiente gráfico, onde podem ser instanciados blocos desenvolvidos em.m, chamado Simulink. 2.2 Simulink Nos últimos anos, o Simulink tornou-se uma das ferramentas mais utilizadas em universidades e indústrias para se trabalhar com sistemas dinâmicos. O simulink é um pacote de software que faz a modelagem, simulação e análise de sistemas dinâmicos. Ele su- 5

18 porta sistemas lineares, sistemas não lineares modelados em tempo contínuo, tempo discreto ou híbrido. Os sistemas podem também ser multi-rate, isto é, possuem diferentes partes que podem ser amostradas ou atualizadas em diferentes taxas. Com a ferramenta simulink, o usuário pode facilmente construir seu próprio modelo ou apenas modificar um modelo existente. O simulink trabalha com simulações interativas, no entanto, qualquer alteração no programa pode ser notada em tempo de simulação. O uso integrado das ferramentas Matlab R e simulink permitem o desenvolvimento de algoritmos e sistemas de forma muito eficiente, permitindo desenvolver partes do algoritmo em.m (extensão do Matlab R ), simular estas partes individualmente e depois integrá-las no sistema completo, simular o sistema e verificar o resultado final. O sistema de desenvolvimento permite ainda, uma vez concluído o desenvolvimento e a simulação do sistema, gerar programas em C ou código de descrição de hardware com a implementação do sistema completo utilizando ferramentas de implementação. 2.3 Quartus II Quartus II é um programa bastante utilizado no desenvolvimento de projetos que envolvem as linguagens VHDL e Verilog (Linguagem de descrição de hardware para projetos eletrônicos). O programa fornece algumas ferramentas capazes de fazer análise e otimização de projetos que sejam elaborados em linguagem VHDL e Verilog para então serem gravados em um dispositivo lógico programável. Os módulos abaixo são os blocos padrões utilizados pelo Quartus II para compilação de projetos [3]. - Analysis & Synthesis - executa a análise e síntese da lógica do projeto, com objetivo de otimizar a lógica do projeto e diminuir o tempo de compilação. Este estágio também gera uma base de dados que será integrada ao projeto. - Fitter - adapta a lógica do projeto em um dispositivo lógico programável. - Assembler - converte os arquivos gerados nas fases Analysis & Synthesis e Fitter para uma linguagem interpretada pelo dispositivo lógico programável. - Timing Analyzer - analisa e válida a performance de tempo de toda lógica do projeto. 6

19 O Quartus II utiliza os módulos de compilação com o objetivo de melhorar a lógica do projeto e tornar o desenvolvimento do projeto mais rápido. 2.4 O Altera R DSP builder O DSP builder é uma biblioteca para o simulink desenvolvida pela Altera R. Essa biblioteca integra em um único ambiente os fluxos de projeto do Matlab R e de FPGA (Field Programable Gate Array), permitindo uma implementação simples e direta de algoritmos no ambiente simulink. A simulação do algoritmo dentro do ambiente simulink, a conversão do algoritmo para código HDL e finalmente a compilação do projeto, carregálo em hardware e testar em hardware o sistema completo são atribuições da biblioteca DSP builder da Altera R. A Figura 2.1 demonstra as fases do projeto desenvolvido pela biblioteca DSP builder [2]. Figura 2.1: Fase de projeto com a biblioteca DSP builder No desenvolvimento, os algoritmos são elaborados a partir do simulink do Matlab R, porém, as ferramentas utilizadas no desenvolvimento são apenas as que estão presentes na biblioteca DSP builder, se forem utilizados blocos de outros Toolbox que não sejam do DSP builder, estes blocos não serão implementados em VHDL. Na elaboração de projetos utilizando a ferramenta DSP builder podem ser utilizados os Sinks e Sources do Toolbox do simulink, desde que os blocos utilizados sejam apenas para gerar sinais de entrada e para monitorar os resultados intermediários e finais do modelo de construção. A fase de implementação, caracteriza-se pela capacidade que a ferramenta DSP builder tem de comunicar o ambiente de desenvolvimento Matlab R /simulink com a ferramenta de gravação em FPGA s (field programmable gate arrays) e o Quartus II. A última fase 7

20 é a de verificação que se caracteriza pela análise dos sinais do hardware no próprio simulink. No projeto do simulador do comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão usados em sistemas de distribuição de energia elétrica, foi totalmente concluído apenas na fase de desenvolvimento mostrada na Figura 2.1, uma vez que não havia a proposição de implementação final do hardware em FPGA Desenvolvimento A biblioteca DSP Builder contém alguns blocos funcionais, dentre os quais destacam-se os que implementam funções aritméticas (chamada Arithmetic), funções de armazenamento (storage), funções para tratamento com números complexos (Complex Type) e, de interface com dispositivos de entrada e saída (IO & Bus). A biblioteca DSP Builder, permite também implementar máquinas de estado, sendo possível definir os sinais de entrada, de saída e os estados internos bem como as transições de estados. Na Figura 2.2 é mostrada a relação de todos os blocos funcionais disponíveis no simulink após a instalação da biblioteca DSP Builder. Uma característica importante na biblioteca DSP builder, é que a mesma traz funções complexas já implementadas, tais como, filtros FIR (Finite Impulse Response), NCOs (Numerically Controlled Oscilator), FFT (Fast Fourier Transform), IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), entre outros. Nesta categoria de funções estão incluídas as funções complexas de DSP desenvolvidas pela Altera R e que podem ser incluídas no projeto de forma imediata, bastando configurar os parâmetros da função e adicioná-la ao projeto como um novo bloco [2]. A grande vantagem na utilização da biblioteca DSP Builder é a de que além dela conter todas as atribuições antes citadas, ainda inclui blocos que permitem fazer a interface direta com as placas de desenvolvimento DSP da Altera R, tais como utilizar pinos de entrada específicos, utilizar de forma direta os conversores A/D e D/A disponíveis na placa, acessar os LEDs e chaves da placa, entre outros recursos Implementação e verificação A biblioteca DSP builder fornece duas opções para síntese e compilação de projetos; são as chamadas Fluxo Automático e Fluxo Manual. A Figura 2.3 demonstra uma visão geral do fluxo de projeto utilizando a ferramenta DSP builder. 8

21 Figura 2.2: Blocos funcionais disponíveis na biblioteca DSP builder Fluxo Automático (com simulink) e Fluxo Manual (sem simulink) O fluxo automático permite fazer a síntese e compilação do projeto apenas utilizando as ferramentas Matlab R /simulink com a adição da biblioteca DSP builder, a partir do bloco SignalCompiler. No fluxo automático, o bloco SignalCompiler produz arquivos VHDL, verilog HDL e Tcl; executa a síntese e compilação no Quartus II e opcionalmente carrega o projeto em um dispositivo lógico programável. O fluxo manual é utilizado quando o projeto necessita de configurações próprias na compilação [1]. Uma grande vantagem de utilizar a biblioteca DSP builder, é que o desenvolvimento do sistema baseia-se no conceito de ambiente unificado onde o projeto de hardware e de software usam a mesma infra-estrutura integrada, tendo por resultado uma melhoria do desempenho global do sistema. A biblioteca DSP builder baseia-se no desenvolvimento de projetos no paradigma de Co-design, cuja vantagem principal é o aumento do nível de integração entre os sistemas, permitindo que sistemas inteiros sejam encapsulados 9

22 Figura 2.3: Visão geral do fluxo de projeto utilizando DSP builder em um único chip. Uma outra vantagem na utilização da biblioteca DSP builder é que não é necessário ter conhecimento e prática com a linguagem VHDL, basta apenas saber manusear os blocos do simulink de forma correta e então a biblioteca DSP Builder, a partir do bloco SignalCompiler gera o código do projeto em linguagem VHDL. Uma desvantagem na utilização da biblioteca DSP builder é que ela não implementa em blocos funcionais todas as ferramentas da linguagem VHDL, no entanto, se for necessária a utilização de alguma ferramenta que a biblioteca DSP Builder não implemente, o DSP builder possui um bloco para código customizado a partir do qual pode-se construir e adicionar a biblioteca qualquer bloco funcional. 10

23 Capítulo 3 Reguladores de tensão Este capítulo apresenta alguns coneitos básicos de sistemas de distribuição de energia elétrica, aborda também uma modelagem para reguladores de tensão, apresentando os esquemas de ligação e os procedimentos de regulação de tensão atualmente utilizados. 3.1 Introdução Um dos mais importantes objetivos de um sistema de qualidade, adotado pelas concessionárias de energia elétrica, é a manutenção dos níveis de tensão entregues aos seus clientes. O suprimento das cargas presentes no sistema resulta em correntes através de todos os componentes do sistema. Essas correntes causam quedas de tensão nos elementos presentes no sistema. A queda de tensão presente nos elementos constituintes de um sistema é regida pela relação complexa V = I Z. Uma das soluções mais diretas para otimização da regulação de tensão, seria minimizar a impedância presente em todos os elementos (as impedâncias dos condutores e as condições de carregamento influenciam bastante na queda de tensão presente nos elementos constituintes do sistema), porém, tal solução torna-se muito cara e bastante inviável. A Figura 3.1 demonstra um trecho de um alimentador e tem o propósito de mostrar a origem das perdas existentes nos sitemas de energia elétrcia. 11

24 Figura 3.1: Diagrama unifilar de um trecho de um alimentador. A tensão V 2 na saída do transformador é maior que a tensão que chega à carga V 2. Isto ocorre, devido à impedância presente nos condutores aliada à corrente que flui nestes condutores. A impedância é o resultado da resistência presente principalmente nos condutores somada a reatância, grandeza presente em sistemas que trabalham com corrente alternada. A demonstração da queda de tensão presente nos alimentadores, de acordo com a Figura 3.1, é dada por: V 2 = V 2 + Z I (3.1) O produto Z I representa a queda de tensão no condutor e quanto maior for a corrente solicitada pela carga, maiores serão as perdas do sistema. A decomposição da Equação 3.1 demonstra a relação da corrente com as perdas do sistema. V 2 = V 2 Z I V 2 = V 2 (r + jx) I V 2 = V 2 ri jxi V 2 I = V 2 I ri 2 jxi 2 (3.2) Conclui-se que, um aumento de corrente se reflete significantemente em perdas para o sistema, tendo em vista que o quadrado da corrente esta relacionado à potência ativa (ri 2 ) e potência reativa (jxi 2 ) ao qual significam perdas para o sistema, como pode ser visto na decomposição da Equação 3.1. Uma forma de minizar as perdas em um sistema é a redução da corrente através do sistema. Garantir que somente a porção de corrente em kva requerida pelo cliente 12

25 seja entregue, ou seja, que flua pelo sistema apenas a potência solicitada, para isto é necessária a instalação de bancos de capacitores em lugares estratégicos do sistema de distribuição, os quais são responsáveis pela correção de fator de potência. Um segundo método para ajuste de tensão nos sistemas de distribuição utilizado pelas concessionárias de energia elétrica é a instalação de reguladores de tensão. O regulador de tensão nada mais é do que um autotransformador com um sistema de controle apropriado capaz de fazer ajustes de tap de acordo com a necessidade do carregamento do sistema [4]. Um dispositivo bem utilizado é o regulador de tensão monofásico que pode ser empregado em sistemas monofásicos, ou pode ser conectado a outros reguladores monofásicos e formar um banco regulador para ser utilizado em sistemas trifásicos. 3.2 Reguladores de tensão O regulador de tensão é um equipamento projetado para manter um nível de tensão prédeterminado no ponto de regulação, independentemente das variações das cargas, desde que sua margem de regulação não seja ultrapassada. Construtivamente, é composto basicamente por um autotransformador associado a um comutador automático de derivação sob carga e de um sistema de controle, que corrige os desvios momentâneos da tensão de regulação, relativos ao valor especificado. Usualmente, os reguladores para redes de distribuição são equipamentos monofásicos. Sua instalação é realizada, por meio da formação de bancos trifásicos e, dependendo da configuração utilizada, pode-se obter margens de regulação de até 15% 1 (para cima ou para baixo). A Figura 3.2 mostra o diagrama unifilar de uma rede de distribuição, onde o nó 1 é a saída da subestação; entre os nós 3 e 4 está presente um regulador de tensão. Os nós situados antes do regulador são considerados nós a montante e os nós situados depois do regulador de tensão são considerados nós a jusante. Para efeito de simulações, o nó situado imediatamente antes do regulador de tensão é considerado o nó regulador e para este diagrama unifilar será considerado o nó 6 como sendo o nó regulado. A atuação de um regulador será exemplificada através de um caso hipotético em que é necessário elevar o nível de tensão no nó 6. 1 Os reguladores de tensão atualmente produzidos são autotransformadores reguladores com faixas de regulação 10% acima a 10% abaixo, relativamente à tensão de linha, podendo ser ajustadas em 5%, 6,25%, 7,5%, 8,75% e 10%. A elevação ou a redução da tensão é feita em 32 degraus de aproximadamente 5/8% (16 para elevar e 16 para diminuir) 13

26 Monte Nó regulador Nó regulado SVR Figura 3.2: Diagrama unifilar de uma rede de distribuição. O modelo básico do autotransformador usado em regulador é apresentado na Figura 3.3, em que suas bobinas são ligadas, uma em paralelo com a carga, chamada de bobina ou enrolamento em derivação, e a outra, em série com a carga, chamada de bobina ou enrolamento série. A bobina série poderá estar ligada no sentido de elevar a tensão no secundário do regulador, Figura 3.3.a, ou no sentido de abaixar a tensão no secundário do regulador, Figura 3.3.b. Um esquema genérico pode ser obtido acrescentando-se uma chave reversível no enrolamento série como mostrado na Figura 3.3.c. Com a chave na posição (x), o circuito funcionará como elevador e na posição (y), como abaixador de tensão. Figura 3.3: Modelos Básicos de autotransformador Os reguladores trabalham igualmente bem em condições de altas ou de baixas tensões. O modelo mostrado na Figura 3.4 mostra a representação de um regulador aplicado em uma linha onde a tensão V 2 é corrigida para o valor V 3. Os reguladores são 14

27 sensíveis à tensão e são usualmente controlados e ajustados automaticamente para manter constante a tensão de saída. Figura 3.4: Modelo elétrico do conjunto rede de distribuição - regulador Modelagens do Regulador de Tensão Para modelagem de um regulador de tensão foi usado, inicialmente, o modelo visto na Figura 3.5, apresentado em [9]. Por esse modelo, S 1 e S 1 são as potências aparentes de entrada e saída do regulador, V s e V d são as tensões nos enrolamentos e Z s e Z d representam as impedâncias do equipamento no enrolamento série e no enrolamento em derivação, respectivamente. No circuito apresentado, para uma relação de transformação de n espiras, foi obtido o seguinte conjunto de equações: V 2 = V 1 V s I s Z s (3.3) V d = V 1 I d Z d V ref (3.4) V s = V d /n (3.5) I = I s + I d (3.6) S 1 = V 1 I (3.7) S 2 = V 2 I s (3.8) Das observações feitas [9] em sua modelagem matemática do regulador, três pontos devem ser ressaltados: de acordo com as equações acima, a tensão V s que está sendo somada à tensão de entrada do regulador, estará praticamente em fase com a tensão de entrada V 1, 15

28 Figura 3.5: Modelo de referência para um regulador de tensão monofásico no caso em que V ref é a tensão de neutro e, poderá estar defasada em relação à tensão de entrada, no caso em que V ref é uma tensão de outra fase. Isso significa que, além de ocorrer um incremento no módulo da tensão de entrada, o ângulo da tensão de saída poderá não ser o mesmo que o da tensão de entrada. no caso em que o ramo em derivação de um regulador adota como referência uma outra fase (em vez de um ponto neutro), a potência na entrada do regulador não será necessariamente igual à potência na sua saída, ou seja, a presença do ramo em derivação permite que a fase a ele ligada forneça potência ativa ao regulador. depois que a corrente que passa pelo regulador ultrapassa a sua corrente nominal, a sua capacidade de regulação passa a decrescer. Porém, essa perda de capacidade de regulação não é diretamente decorrente das características elétricas internas (queda de tensão, perdas, relação de espiras) do regulador, mas de um ajuste que é feito manualmente no regulador onde o tap máximo é limitado, para que os limites de operação do equipamento não sejam ultrapassados Esquemas de ligação de reguladores em circuitos trifásicos Os três esquemas usuais de construção de bancos trifásicos de reguladores são o Estrela Aterrada 2, mostrado na Figura 3.6, que usa três reguladores monofásicos, o Delta, 2 Três reguladores não podem ser ligados diretamente em Estrela Isolada em circuito trifásico a três fios pois pode haver deslocamento do neutro. 16

29 mostrado na Figura 3.7, que usa também três reguladores monofásicos e o Delta Aberto, mostrado na Figura 3.8, que usa apenas dois reguladores monofásicos. Notar que cada fase está ligada a uma bobina em derivação, na saída do regulador, sobre a qual se aplica uma tensão de fase (ligação em Estrela) ou de linha (ligações Delta e Delta Aberto) e que as impedâncias, série e paralela, são representadas por uma impedância equivalente Z, no ramo série. Figura 3.6: Ligação Estrela Aterrada de três reguladores monofásicos em uma rede de distribuição trifásica. 17

30 Figura 3.7: Ligação Delta de três reguladores monofásicos em uma rede de distribuição trifásica. Figura 3.8: Ligação Delta Aberto de três reguladores monofásicos em uma rede de distribuição trifásica. No esquema em Estrela Aterrada, as tensões de fase V A2, V B2 e V C2 são aplicadas nas bobinas em derivação que induzem tensões nv A2, nv B2 e nv C2 nas bobinas série correspondentes. Estas tensões serão somadas às tensões de entrada V A2, V B2 e V C2. Nesse tipo de configuração as tensões reguladas se mantêm em fase com as tensões de 18

31 entrada, mas para uma mudança máxima de tap, a máxima regulação que se pode obter é de 10% (para cima ou para baixo). Numa ligação em Delta (Figura 3.7), pode-se observar que as tensões aplicadas nas bobinas em derivação dos reguladores são tensões de linha e não de fase. Neste caso, as parcelas das tensões de linha nv AB2, nv BC2 e nv CA2 serão somadas, respectivamente, as tensões de entrada dos reguladores V A1, V B1 e V C1. Como as tensões de linha são maiores do que as tensões de fase, consegue-se uma faixa de regulação de até 15% (para cima ou para baixo), 50% maior do que a faixa de regulação que se obtem com o esquema de ligação em Estrela Aterrada. No esquema em Delta Aberto (Figura 3.8), são utilizados apenas dois reguladores monofásicos. Nesta configuração, as três tensões de linha aumentam ou diminuem proporcionalmente. Com esse esquema de ligação, consegue-se uma faixa de regulação de até 10%, igual, portanto, ao esquema em Estrela Aterrada, mas, com um regulador a menos Procedimentos atuais de controle dos reguladores de tensão Os controles atuais dos reguladores de tensão incorporam lógica digital e tecnologia microprocessada, normalmente de 8 bits, associadas a um conversor analógico/digital. A lógica de operação dessas unidades de controle é disparada sempre que a tensão medida na saída do regulador apresentar valores fora de uma faixa pré-estabelecida de tensões de ajuste. Por exemplo, entre 119 V e 121 V para uma tensão de base 120 V e uma largura de faixa de 2 V [5]. A operação da unidade de controle pode ser descrita de acordo com os seguintes procedimentos: 1. quando a tensão medida move-se para um nível fora da faixa, a amostra do sinal é convertida em um formato digital e fornecida ao microprocessador; 2. o microprocessador, reconhecendo a condição de tensão como fora da faixa, dispara um circuito de retardo de tempo 3, sendo este tempo de retardo igual ou superior a 30 s; 3 O tempo de retardo é o período de tempo (em segundos) que o controle espera, desde o primeiro instante quando a tensão sai da faixa ao instante em que o relé, responsável por elevar ou abaixar a tensão, atua. Se uma resposta rápida é requerida, um valor pequeno de ajuste deve ser feito. Se há vários reguladores na mesma linha para serem coordenados (em cascata), diferentes ajustes de tempo de retardo serão requeridos para permitir a operação adequada na seqüência desejada. Partindo da subestação, cada 19

32 3. enquanto aguarda o término do tempo de retardo, a tensão é continuamente medida. Se a tensão momentaneamente mover-se para a faixa, a operação de ajuste será interrompida. Persistindo a condição fora de faixa, ao término do tempo de retardo, uma mudança de tap é iniciada; 4. ao reconhecer que a mudança de posição de tap foi completada, é feita uma pausa de 2 s. Após essa pausa, se a tensão medida ainda estiver fora da faixa, outra mudança de tap é iniciada. Este procedimento se repete até que a tensão medida volte para a faixa, quando então a operação de ajuste é concluída. Em geral, como garantia de funcionamento adequado do controle, é incluído um sistema de vigilância, chamado de cão de guarda watchdog, executado periodicamente, de tal forma que se houver qualquer anormalidade no funcionamento do sistema, a execução do software será reinicializada. regulador deveria ter um tempo de retardo maior que o regulador que o precede. Recomenda-se um mínimo de 15 segundos de diferença entre reguladores localizados na mesma fase do mesmo alimentador. O retardo permite que reguladores a montante atuem antes dos reguladores a jusante. 20

33 Capítulo 4 O algoritmo de simulação Este capítulo tem por objetivo detalhar o algoritmo desenvolvido para ajuste das tensões de saída dos bancos trifásicos reguladores de tensão utilizados em sistemas de distribuição de energia elétrica, bem como demonstrar a teoria na qual esse simulador foi baseado e detalhar todos os blocos constituintes do simulador. 4.1 Embasamento para o desenvolvimento do simulador do comportamento de bancos trifásicos de reguladores de tensão Baseado em estudos de fluxo de carga em sistemas de distribuição de energia elétrica, realizados em alimentadores reais [13] [14] [10], concluiu-se que a tensão de todos os nós a jusante do regulador variam linearmente com a sua tensão de saída, considerando cargas constantes, para os nós 7, 11 e 21 do alimentador mostrado na Figura 4.1 usado em uma das simulações da referência [12]. Similarmente, para uma condição fixa de tap do regulador, as tensões nos nós a jusante, também variam linearmente, para excursões de carregamentos no intervalo usual da curva de carga diária. Esses dois comportamentos lineares da variação de tensão, para todo nó j situado a jusante de um regulador, fixado em um nó i, são dados pelas duas equações abaixo. V j = V j V i V i f c = 0 (4.1) 21

34 Figura 4.1: Alimentador utilizado em uma das simulações. V i = V i V j V j f c = 0 (4.2) Donde pode-se depreender que a variação total da tensão no ponto de regulação será dada por [5]: V j = V j V i V i + V j f c j f cj (4.3) Tais observações permitiram chegar à conclusão de que é possível controlar a tensão de regulação, em qualquer ponto desejado, a partir dos coeficientes das funções que definem essas linearizações, para cada nó, situado a jusante do regulador. Assim, a tensão que se estabelecerá em um nó regulado j, em decorrência da medição de uma variação de tensão no nó regulador i, será dada pela seguinte Equação: V jest = V jant + V j (V imed V iant ) (4.4) V i Semelhantemente, uma variação de carga f c implicará em tensões nos nós, regulador e regulado, dadas respectivamente por: 22

35 V jest = V jant + V j f c f c (4.5) V imed = V iant + V i f c (4.6) f c Fazendo-se a relação entre 4.5 e 4.6, como mostrado abaixo, Obtém-se: V jest = V jant + V j f c V i f c (V imed V iant ) (4.7) Onde: V jest V jest - Tensão de regulação estimada no nó j. V imed - Tensão medida na saída do regulador. = V jant + V j V i (V imed V iant ) (4.8) V jant - Tensão de regulação no nó j anterior à variação.. V iant - Tensão na saída do regulador anterior à variação.. f c - fator de carregamento. Monitorando-se a tensão de saída do regulador, será possível então obter o valor da tensão V imed e estimar a tensão no ponto de regulação V jest, de acordo com 4.8 [5]. Com o conhecimento dos parâmetros de sensibilidade V j V i e V j f c, é possível também fazer uma estimativa da mudança que irá ocorrer no perfil de tensão de um alimentador, em decorrência de uma variação imposta por mudança dos taps de um banco regulador de tensão bem como por uma variação imposta por mudanças no carregamento. 4.2 Desenvolvimento Diagrama de blocos do simulador monofásico Em um primeiro momento, foi desenvolvido um sistema em Matlab R /Simulink com a adição da biblioteca DSP Builder para fins de simulação do comportamento de reguladores de tensão em sistemas monofásicos [7], tal sistema é capaz de controlar a tensão de regulação, em qualquer ponto desejado (local ou remoto), a partir dos coeficientes das funções que definem cada nó. A Figura 4.2 ilustra o diagrama de blocos do algoritmo de simulação de um regulador de tensão monofásico. 23

36 Figura 4.2: Diagrama de blocos do simulador do regulador monofásico A partir da implementação do simulador monofásico, foi desenvolvido o simulador de bancos trifásicos de reguladores. Os blocos do diagrama da Figura 4.2 serão explicados com mais detalhes na Subseção Diagrama de blocos do simulador trifásico A implementação do simulador do banco regulador trifásico mostrado na Figura 4.3, incorpora todos os blocos desenvolvidos no simulador monofásico e adiciona outros blocos. O simulador de bancos reguladores trifásicos foi desenvolvido utilizando-se as ferramentas Matlab R /Simulink e a biblioteca DSP Builder, no entanto a geração do código em InLoad linguagem VHDL foi feita a partir do Quartus II. Reset ROMp1 MdE ROMc1 UAT de Tensão) Ajuste (Unidade V1de ROMp2 ROMc2 UAT de Tensão) Ajuste (Unidade V2de ROMp3 ROMc3 UAT de Tensão) Ajuste (Unidade Medidor tensãode ADC Sampler (Unidade cálculo tensões) UCAT das de (Unidade controle de UCT V3de Plot V1 de Tap) V1 V2 V2 V3 V3 Figura 4.3: Diagrama de blocos do simulador do banco regulador trifásico No diagrama de blocos apresentado na Figura 4.3, as unidades ROMp1, ROMp2, ROMp3 e ROMc1, ROMc2, ROMc3 são memórias que permitem o pré-armazenamento 24

37 de dados. Esses dados são os perfis de tensão e os coeficientes de tensão de todos os nós presentes no alimentador informados pelo programa TOpReDE. No modelo proposto, através da unidade Sampler seria possível simular o comportamento do circuito a partir dos sinais efetivamente medidos, informados pelo ADC ou por um valor de posicionamento atual do tap, informado pela UCT (unidade de controle de tap). No entanto, a unidade Sampler não será implementada, porém, ela é demonstrada no diagrama como forma de continuação deste trabalho. Toda temporização do modelo é feita pela Máquina de Estado (bloco MdE), sendo possível controlar, por meio do sinal InLoad se em uma simulação deve-se ou não carregar um novo perfil de tensão e novos coeficientes de tensão. As condições inicias e as restrições de regulação, diferentemente do simulador do regulador monofásico, são incorporadas ao bloco UCAT do simulador de bancos reguladores trifásicos de tensão. As principais unidades do modelo são a UAT (Unidade de ajuste de tensão), UCT (Unidade de controle de Tap) e UCAT (Unidade de Cálculo de Tensões). Cabe a UAT fazer todas as análises necessárias que lhe permitam estimar as tensões de fase na saída do nó regulador e que irá garantir a tensão desejada no nó regulado. A UCT se responsabiliza pelas mudanças de tap e pela atualização da tensão de saída do regulador. A UCAT é responsável pelo cálculo dos perfis de tensão do alimentador após variações de tensões na saída do regulador. A implementação de uma fase (fase 1) bem como os valores de tensão inicial, tensão estimada, posição do tap e tensões de saída do regulador, referentes as três fases, são demonstrados na Figura

38 Figura 4.4: Modelo do algoritmo de simulação para controle de tensão em um alimentador com regulador trifásico Ainda observando a Figura 4.4, é notada a presença de um bloco chamado "HDL SubSystem In Tap F1". Nesse bloco, estão situadas as unidades UAT (Unidade de ajuste de tensão), UCT (unidade de controle de tap) e UCAT (Unidade de Cálculo de Tensões) que serão melhor explicadas nas seções seguintes. A implementação das três fases do simulador de bancos reguladores trifásicos é mostrada no Anexo A O simulador trifásico O simulador desenvolvido é de interface amigável, ou seja, de fácil manuseio. Os dados de entrada no simulador serão as quantidades de nós do alimentador a serem analisados (vnnohsx), o nó regulador (vnohix), o nó regulado (vnohjx) e a tensão desejada no nó regulado (vvjdejx) em p.u. O dados de saída das três fases serão a tensão atual no nó regulador (DspVi_Fx), tensão estimada no nó regulador (DspViEspFx), variação de 26

39 tap (DspPosTap_Fx), tensão atingida no nó regulador (DspViAt_Fx) e o valor da diferença entre a tensão estimada e a tensão atingida (Dsp_Dif_ViAt-Viesp_x). Os dados de entrada como os dados de saída podem ser visualizados na Figura 4.4. Na Figura 4.4 é mostrado o modelo em uma simulação de um alimentador de vinte e três nós com um banco regulador trifásico situado no nó 7, regulando o nó 16 em aproximadamente 0.90 p.u na fase 1, 0.92 p.u. na fase 2 e 0.94 p.u na fase 3. Armazenadas as informações inerentes ao alimentador (perfil de tensão, quantidade de nós à serem analisados, nó regulador, nó regulado e faixas de tensões no nó regulado) o algoritmo de simulação executa os seguintes passos: 1. Calcula as tensões inicias no nó regulador e estima as tensões de saída do nó regulador para obter uma condição prévia as variações. 2. Verifica quantos passos, relativamente à posição atual de tap deve ser elevada ou baixada para este objetivo. 3. Envia o sinal para mudança de tap se nenhuma restrição for violada; senão reavalia as mudanças de tap de acordo com a etapa precedente. 4. Calcula o novo perfil de tensão do alimentador, se alguma variação de tensão tiver ocorrido na saída dos reguladores e, o representa graficamente. Na situação apresentada na Figura 4.4, a tensão final estimada na saída do regulador é de p.u na fase 1, p.u. na fase 2 e p.u. na fase 3, a tensão inicial na saída do regulador era de p.u. para fase 1, p.u. para fase 2 e 1 p.u. na fase 3, deste modo, esses valores de tensões iniciais representam o caso base. O tap está na posição -3 na fase 1 e, para este posicionamento do tap, a tensão de saída do regulador é de p.u., na fase 2, o tap está na posição -1 e a tensão de saída do regulador é de p.u. e, na fase 3 o tap está na posição 0 (não houve mudança de tap para esta fase) e a tensão de saída do regulador é de 1 p.u (a mesma tensão inicial, pois não foi necessária uma mudança de tap). Após ocorrerem as devidas mudanças de tap, o simulador informa a diferença de tensão entre a tensão estimada e a tensão atingida. A diferença de tensão foi de p.u. na fase 1, p.u. na fase 2 e de p.u. na fase 3. Os blocos funcionais do simulador trifásico desenvolvidos foram: MdE (máquinas de estados), UAT (unidade de ajuste de tensão), UCT (unidade de controle de Tap) e 27

40 UCAT (Unidade de Cálculo das tensões). Um bloco ao qual foi previamente desenvolvido é a unidade ADC (Conversão Analógica Digital), porém, sua atuação não será verificada devido a proposta da implementação do simulador não abranger a atuação em dispositivos lógicos programáveis. As subseções seguintes explicarão detalhadamente como funciona cada bloco desenvolvido bem como a utilização das memórias de dados pré-armazenados (ROMp1, ROMp2, ROMp3, ROMc1, ROMc2 and ROMc3) entre outras implementações Memória ROM As memórias utilizadas no desenvolvimento do simulador são memórias do tipo ROM que trabalham com dados pré carregados (são chamadas de ROM EAB pela biblioteca DSP Builder). Um detalhe na utilização destas memórias é que elas leêm apenas dados no formato Intel HEX (.hex). Maiores detalhes sobre o formato Intel HEX são explicados no Apêndice B. A utilização das memórias ROM são de grande importância para a robustez do simulador desenvolvido. A principal característica na utilização destas memórias é o fato delas lerem arquivos texto escritos no formato Intel HEX. Diante disto, foi possível validar os resultados do simulador em comparação com os dados gerados pelo programa TOpReDE. Dentro do programa TOpReDE foi incluído um código escrito em linguagem C++ para gerar arquivos texto no formato Intel HEX, então, alguns dados de entrada necessários ao simulador, tais como, os perfis de tensão e os coeficientes de tensão foram gerados e codificados no formato intel HEX e fornecidos ao simulador para então serem lidos pelas memórias ROM. No caso do simulador ser implementado em um dispositivo lógico programável, a utilização das memórias ROM seria de grande importância, no sentido de que se houvesse a necessidade de uma recarga dos dados das memórias, seria suficiente apenas uma troca de cartão de memória, não sendo necessária uma mudança no simulador e uma nova gravação do simulador no dispositivo lógico programável. A figura 4.5 demonstra duas memórias ROM utilizadas na implementação do simulador, uma para armazenar os perfis de tensão (ROM EAB) e a outra para armazenar os coeficientes de tensão (ROM EAB1) referentes à fase A. Na figura 4.5 também pode ser percebido um bloco dos parâmetros das memórias (Block Parameters: ROM EAB). C As palavras contidas no arquivo.hex do simulador, são palavras de 32 bits geradas 28

41 Figura 4.5: Memória Rom pelo programa TOpReDE, e um detalhe a ser exposto é que o formato intel HEX só reconhece números inteiros, sinalizados ou não. Os perfis de tensão e os coeficientes de tensão (dados codificados no formato intel HEX) são, na maioria das vezes, números fracionários, então, para que esses números sejam codificados para o formato requerido, é necessário transformá-los em números inteiros. O artifício utilizado para transformar os números fracionários em números inteiros, é a multiplicação dos perfis e coeficientes de tensão por um número grande de forma que não perca tanto a precisão das casas decimais do número. Após serem transformados em números inteiros, eles finalmente são codificados para o formato intel HEX (tanto a codificação quanto a transformação foram realizadas pelo programa TOpReDE) e passados ao simulador, então, o simulador lê esses dados das memórias ROM e dividi-os pelo mesmo coeficiente ao qual foram multiplicados para se obter o número fracionário. Na divisão feita pelo simulador, os números fracionários perdem precisão, muitas das vezes, a partir da terceira casa decimal depois da vírgula, comprometendo muito a precisão dos resultados finais do simulador. Diante deste problema, a solução encontrada foi fazer a normalização dos perfis de tensão e dos coeficientes de tensão, de modo que, como as palavras do arquivo.hex armazenavam dados de 32 bits, o maior valor a ser representado tanto para os perfis, quanto para os coeficientes de ten- 29

42 são é de 2 31, pois o bit mais significativo é o bit de sinalização. A Tabela 4.1 demonstra as formas de representação de alguns valores dos perfis e coeficientes de tensão. Tabela 4.1: Representação de valores Perfil de tensão (p.u.) Perfil de tensão (normalizado) Perfil de tensão (.hex) :0400xxxx xx :0400xxxx7FF98C00xx :0400xxxx7A635000xx :0400xxxx74FFF180xx O objetivo da normalização foi fazer com que o simulador entendesse os números normalizados como números fracionários, e isso foi possível devido à propriedade das memórias ROM de interpretar os dados do arquivo.hex como números fracionários sinalizados. Esta propriedade pode ser vista na Figura 4.5, caracterizada por Data Bus Type: Signed Fractional Temporização do modelo Toda temporização do circuito simulador acompanha o diagrama de estado mostrado na Figura 4.6, gerado pela MdE (máquina de estado) MdEcaPerfil. Na Figura 4.6, S1 representa o estado inicial e os símbolos IL, Str e P l são, respectivamente, abreviações dos sinais InLoad, Start e Plot. Figura 4.6: Temporização do sistema. Em seqüência têm-se: a inicialização da UAT em S1; a inicialização da UCT em S2; a transferência de parâmetros de tensão da rede para a UAT e o cálculo das tensões estimadas em S3; os cálculos e as definições de mudanças dos taps são implementadas durante os estados S4, S5, S6 e S7 e; em S8 e S9 são concluídos os ajustes de tensões e calculado o novo perfil de tensão do alimentador. 30

43 Figura 4.7: Máquina de estados (MdEcaPerfil) e bloco de configuração. Toda a configuração da máquina de estados MdEcaPerfil é feito a partir do bloco DSP builder - Sate Machine Builder como pode ser visto na Figura 4.7. Neste bloco são informadas as entradas (Inputs), os estados da máquina (States) e as condições dos estados (Conditional Statements). A Figura 4.7 demonstra as entradas e os estados na máquina de estados MdEcaPerfil e no bloco de configuração é demonstrado as condições dos estados de acordo com o grafo da Figura A UAT (unidade de ajuste de tensão) Implementada como um subsistema, a UAT, mostrada na Figura 4.8, é basicamente composta por duas memórias RAM (random access memory), duas memórias FIFO (first in first out), um contador, alguns operadores lógicos e aritméticos, uma máquina de estado e um multiplexador, sendo responsável pela análise das condições atuais do alimentador e pela estimação das tensões de saída do banco regulador frente às imposições de tensões e de cargas em cada nova simulação. Após ser inicializada os valores dos perfis de tensão e os valores dos coeficientes de tensão, são passados das memórias (ROMp1, ROMp2, ROMp3, ROMc1, ROMc2 and ROMc3), externas ao bloco UAT, para memórias RAM internas ao bloco UAT. O contador é iniciado com o número de nós da rede e são buscadas as informações de número de nós, do nó regulador, do nó regulado e dos valores de tensões de regulação desejados no nó regulado. 31

44 Figura 4.8: Unidade de ajuste de tensão Como dito anteriormente, a UAT é responsável por estimar as tensões de fase na saída do regulador. Este cálculo de estimação é baseado na Equação 4.8 [5], de onde chegou-se a Equação 4.9: onde: V iest V iest - Tensão de saída estimada no nó regulador i. = V iant + V i V j (V jdes V jant ) (4.9) V iant - Tensão de saída anterior a uma regulação de tensão no nó regulador i. V i V j - Inverso do coeficiente de tensão. V jant - Tensão de regulação anterior a uma variação de tensão no nó j. V jdes - Tensão de regulação desejada no nó j. A UAT foi desenvolvida com base na Equação 4.9. Analisando a Figura 4.8 percebese cada bloco responsável pelo cálculo do V iest. No centro da Figura tem-se três blocos denominados DeltaVj, DeltaVi e vviesp. De acordo com a Equação 4.9, eles calculam 32

45 respectivamente a diferença entre a tensão de regulação desejada no nó j e tensão de regulação anterior a uma variação de tensão no nó j (DeltaVj); o produto entre o inverso do coeficiente de tensão e a diferença entre as tensões (V jdes último a soma entre DeltaVj e DeltaVi (vviesp). e V jant ) (DeltaVi) e por Um detalhe a ser notado na Equação 4.9, é que o elemento V i V j é o inverso do coeficiente de tensão. Então, os coeficientes de tensão são, na maioria das vezes, números fracionários. Para fazer o cálculo do inverso dos coeficientes de tensão utilizou-se o bloco Divider. No entanto, o Divider não trabalha com números fracionários o que obrigou a utilização de um artifício fosse possível trabalhar com os coeficientes de tensão. O artifício utilizado foi; a divisão dos coeficientes de tensão por uma constante (um número grande 2 18 ), com o objetivo de não perder a precisão das casas decimais, e depois multiplicar o resultado pelo inverso da constante. Os blocos da biblioteca DSP builder utilizados para realizarem esta operação foram o Divider e o Binary Point Casting que podem ser vistos no canto superior direito da Figura 4.8. O artifício utilizado é demonstrado na Equação X 2 = 1 18 X (4.10) Temporização interna na UAT Internamente, toda operação da UAT é controlada pela máquina de estado MdE1_2, cujo diagrama de estado é mostrado na Figura 4.9, com estado inicial S1_1 e seqüência de operação disparada com o reconhecimento de um nível 0 no sinal scont, emitido pela máquina de estados MdEcaPerfil. Figura 4.9: Temporização na UAT. Durante S1_1 são armazenados, nas memórias FIFO1_1 e FIFO1_2, os perfis de tensões e os coeficientes de tensão e, durante S2_1 a S8_1 são controladas as operações executadas pela UAT no cálculo estimado das tensões de saída dos reguladores, a serem disponibilizadas para a UCT. 33

46 Figura 4.10: Máquina de estados (MdE1_2) e bloco de configuração. De forma idêntica a configuração da máquina de estados MdEcaPerfil, a configuração da máquina de estados MdE1_2 também foi feita a partir do bloco DSP builder - State Machine Builder como pode ser visto na Figura Essa figura mostra as entradas e os estados na máquina de estados MdE1_2 e no bloco de configuração são mostradas as condições dos estados, que foram embasados na seqüência de operação da máquina de estados MdE1_2. Um bloco bastante importante da biblioteca DSP builder no desenvolvimento do simulador é o Delay, ele serve para sincronizar os tempos de amostragem do simulador, por exemplo, para serem feitas as leituras corretas dos perfis de tensão e coeficientes de tensão dos seus respectivos nós foi necessário incluir o bloco Delay na UAT que pode ser visto na parte superior da Figura 4.8 abaixo do bloco Counter. O bloco Counter é responsável por ler a quantidade de nós do alimentador que foram informadas no simulador, dar estímulo às memórias ROM para que estas passem os valores dos perfis de tensão e coeficientes de tensão paras as memórias RAM internas ao bloco UAT e o bloco Counter também determinem quais posições das memórias RAM os dados passados das memórias ROM serão armazenados. No entanto, o bloco Counter e as memórias RAM estão localizadas dentro do subsistema UAT e as memórias ROM estão na parte externa do simulador, então, um sinal enviado pelo bloco Counter as memórias ROM percorre muito mais blocos do que um sinal enviado do bloco Counter as memórias RAM. Deste modo, para sincronizar estes sinais, foi utilizado o bloco Delay. 34

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