O caminho para a subestação digital As redes eléctricas inteligentes necessitam de subestações mais inteligentes, e têm de ser digitais

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1 O caminho para a subestação digital As redes eléctricas inteligentes necessitam de subestações mais inteligentes, e têm de ser digitais

2 O conceito de subestação digital foi durante muito tempo bastante difuso uma visão idealista de subestações omniscientes interligadas para formar uma rede inteligente. Mas o conceito apresenta-se agora muito mais nítido, e é assim possível discutir os detalhes do que torna uma subestação digital e das vantagens que isso traz. A sinalização digital oferece uma fiabilidade e uma capacidade excelentes e há décadas que é utilizada nas infraestruturas de energia. A maior parte das redes de energia eléctrica utiliza redes digitais de fibra óptica para a transferência fiável e eficiente dos dados de operação e de supervisão originados pelos sistemas de automação das subestações e até as linhas eléctricas transportam presentemente sinais de teleprotecção. Mas só agora começam a ser introduzidas no ambiente mais profundo da subestação as vantagens da comunicação normalizada de informação digital. IEC Sem normalização, a comunicação digital entre os elementos da subestação era desestruturada e fragmentária, com vários esquemas de sinalização mutuamente incompatíveis criando domínios separados de comunicação. A ABB há muito que vem defendendo e patrocinando a adopção industrial da norma IEC 61850, com cuja génese e desenvolvimento sempre teve um profundo envolvimento. Com o título oficial Redes e sistemas de comunicações em subestações, esta é uma norma abrangente organizada em componentes que, por exemplo, especificam como deve ser descrita a funcionalidade dos dispositivos de uma subestação como devem comunicar entre si, o que deve ser comunicado e qual a velocidade dessa comunicação. Todos estes elementos são críticos para 2 O caminho para a subestação digital

3 a concretização dos benefícios de uma subestação verdadeiramente digital. No nível de estação o ambiente é maioritariamente digital, mesmo em instalações relativamente antigas. Os sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) requerem normalmente informação digital e há mais de duas décadas que a ABB fornece redes de fibra óptica para suporte da comunicação em tais sistemas. Entre o nível de estação e os painéis as fibras podem transportar dados digitais segundo a norma IEC 61850, mas para se ter uma subestação verdadeiramente digital a norma tem de aí ter uma penetração muito mais profunda. Profundamente digital O mundo por detrás dos painéis da subestação é ainda predominantemente analógico. Os equipamentos primários convencionais, tais como transformadores de corrente e de tensão, encontram-se ligados a dispositivos electrónicos inteligentes (IED, Intelligent Electronic Devices) por meio de cabos paralelos em cobre que transportam sinais analógicos (imagem 1). Os IED que recebem esses dados executam uma O caminho para a subestação digital 3

4 1 2 1 Subestação digital e IEC hoje 2 Subestação digital e IEC amanhã análise de primeiro nível e constituem frequentemente a porta de entrada para o mundo digital. Mas não há muita vantagem na manutenção dos dados durante tanto tempo sob forma analógica, e o título de subestação digital só é legítimo se a transição para o formato digital ocorrer imediatamente após a sua geração (imagem 2). A ABB há muito que vem defendendo e patrocinando a adopção industrial da norma IEC 61850, com cuja génese e desenvolvimento tem tido um permanente e profundo envolvimento. A permanente supervisão do sistema realizada pelo equipamento digital reduz a necessidade de intervenções manuais, e a adopção do bus de processo completamente digital permite a transferência de equipamento sensível para o interior dos painéis. Os equipamentos digitais de localização necessariamente exterior têm de ser de fácil instalação e tão ou mais robustos e fiáveis do que os equipamentos analógicos que substituem ou a que se interligam (imagem 3). FOCS Os requisitos de robustez e fiabilidade também se aplicam às novas tecnologias, tais como os sensores de corrente por fibra óptica (FOCS, Fiber-Optic Current Sensor) da ABB. Um FOCS [1] monitoriza directamente a corrente numa linha de alta tensão sem necessidade de um transformador de corrente (TC) para a redução da sua intensidade para uma gama adequada para medição. A dispensa do TC também melhora a segurança através da eliminação do risco de TC com secundários em aberto, nos quais podem ocorrer arcos eléctricos e tensões potencialmente letais. Um FOCS explora o efeito de Faraday, um efeito magnetoóptico que consiste na rotação, por acção de um campo magnético, do plano de polarização de luz polarizada linearmente. O valor dessa rotação é directamente proporcional à corrente na linha de alta tensão em volta da qual se encontra enrolada a fibra transportando a luz linearmente polarizada. A medição é digitalizada directamente na fonte e transmitida como um sinal digital, através do bus de processo, para os IED de protecção e controlo e também para os contadores de consumos. Este tipo de TC é muito menos volumoso do que o seu equivalente analógico, podendo mesmo ser integrado num 4 O caminho para a subestação digital

5 disjuntor seccionador, como fez a ABB em 2013, de forma a combinar num único dispositivo as funções de disjuntor, transformador de corrente e seccionador conseguindo-se assim uma redução para metade nas dimensões de uma subestação. O FOCS é apenas um de muitos elementos de toda uma gama de transformadores de medição não convencionais (NCIT, NonConventional Instrument Transformer) que podem contribuir para uma digitalização completa da subestação. Os NCIT têm de ser tão ou mais fiáveis do que os equipamentos que substituem e são-no efectivamente. Durante a última década a ABB forneceu mais de 300 NCIT, nomeadamente sensores combinados de tensão e de corrente integrados em aparelhagem com isolação gasosa, para uma concessionária eléctrica em Queensland, Austrália, e durante todo esse tempo não foi registada uma única falha no sensor primário. A utilização extensiva de NCIT leva a subestações mais simples, mais baratas, mais eficientes e de menores dimensões. Mas nem tudo pode ser digital os transformadores convencionais de tensão e de corrente, por exemplo, irão continuar a originar dados analógicos. Mas não há razão para uma sua substituição por atacado quando é também possível uma transição para o digital através da utilização de merging units autónomas associadas aos transformadores de medição analógicos existentes. A fibra óptica pode então substituir a cablagem de cobre que interliga os equipamentos primários aos IED de protecção e controlo. O bus de processo A boa condutibilidade do cobre faz com que todos os troços deste material existentes numa subestação constituam um risco potencial. Por exemplo, a interrupção incorrecta de uma corrente, como na abertura do secundário de um TC, pode dar origem a tensões eléctricas perigosamente elevadas e inclusivamente a arcos eléctricos, e assim numa linha de cobre pode de repente surgir uma alta tensão que coloque em risco trabalhadores e equipamento. Menos cobre traz mais segurança. A subestação digital prescinde do cobre através da utilização do bus de processo, o qual pode ser suportado em fibra óptica ou numa rede sem fios, como por exemplo a tecnologia Tropos da ABB. A eliminação de cobre pode nalgumas circunstâncias justificar só por si a transição para o digital. Esta pode reduzir em 80 por cento a quantidade de cobre numa subestação e assim conseguir uma diminuição substancial de custos e, ainda mais importante, uma melhoria significativa da segurança. O bus de processo também adiciona flexibilidade. Os dispositivos digitais podem falar directamente entre si (imagem 4). Para este fim, a norma IEC define o protocolo GOOSE (Generic Object-Orientated Substation Events) para a transmissão de dados binários de alta velocidade. A Parte 9-2 da norma descreve a transmissão de valores amostrados sobre uma Ethernet. Estes princípios asseguram a entrega atempada de dados de alta prioridade através de links Ethernet em Um FOCS monitoriza directamente a corrente numa linha de alta tensão sem necessidade de um transformador de corrente (TC) para a redução da sua intensidade para uma gama adequada para medição. 3 Equipamentos destinados a utilização exterior encontram-se expostos aos elementos e assim requerem elevada robustez. O caminho para a subestação digital 5

6 princípio imprevisíveis. A gama ASF de switches Ethernet da ABB suporta integralmente este aspecto crítico da comunicação digital interna de uma subestação. Instalações realizadas A ABB tem estado fortemente envolvida com a norma IEC desde a sua génese. A norma é essencial para assegurar a interoperabilidade dos equipamentos de fornecedores diferentes e também estabelece, através de ensaios de conformidade, uma referência a partir da qual os fabricantes podem ser avaliados. A ABB realizou a primeira instalação comercial IEC em 2011 na subestação de Loganlea da concessionária Powerlink Queensland, na Austrália. A utilização de merging units e IED da ABB com conformidade IEC , e também de transformadores de medição não convencionais, tornou esta instalação um marco na evolução da concepção de subestações. O projecto fez parte de uma requalificação de uma subestação pré-existente e impulsionou-a para um futuro IEC através da adopção de padrões digitais garantes efectivos contra a obsolescência. A ABB criou uma solução de requalificação baseada em especificações da Powerlink aplicável a outras cinco das suas subestações quando entendido apropriado. 4 A norma IEC torna realidade a subestação completamente digital 6 O caminho para a subestação digital

7 Duas dessas subestações, Millmerran e Bulli Creek, foram entretanto requalificadas em 2012 e 2013, respectivamente, tendo ficado dotadas de um sistem MicroSCADA Pro SYS600 e de uma gateway RTU560 que gerem os IED de protecção e controlo Relion 670, com protecção do barramento REB500. Todos estes elementos comunicam por IEC com as merging units e por IEC com os dispositivos do nível de estação. Uma subestação completamente digital apresenta um conjunto significativo de vantagens sobre uma analógica: maiores compacidade, fiabilidade e facilidade de ampliação e manutenção, a par de um menor custo de ciclo de vida. Adicionalmente, oferece segurança acrescida e é mais eficiente do que o seu equivalente analógico. Nem todas as subestações necessitam de serem catapultadas para um mundo integralmente digital depende do seu tipo e dimensão, e de se tratar de uma subestação nova ou de uma requalificação de um sistema secundário. Cada caso é um caso. A extensa experiência da ABB com os sistemas IEC e o seu vasto portefólio associado de NCIT, merging units, IED de protecção e controlo e ainda soluções de automação de subestações possibilitam às concessionárias uma fácil transição para o mundo digital. A flexibilidade das nossas soluções permite-lhes escolherem os seus próprios ritmos de transição para a subestação digital. Este tipo de TC é muito menos volumoso do que o seu equivalente analógico, podendo mesmo ser integrado num disjuntor seccionador de forma a combinar num único dispositivo as funções de disjuntor, transformador de corrente e seccionador conseguindo-se assim uma redução para metade nas dimensões de uma subestação. O caminho para a subestação digital 7

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