Não há uma metodologia uniforme para medir a energia elétrica no Brasil

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1 QUALIDADE DA MEDIÇÃO Não há uma metodologia uniforme para medir a energia elétrica no Brasil Existe um problema associado à falta de padronização oficial para medição de qualidade da energia elétrica no país Fernando N. Belchior, Benedito D. Bonatto, Rafael F. Silva, Leonel D. Leite, Alexander B. Bacco, Túlio S. Carvalho Há algumas décadas não se dava importância à qualidade de energia elétrica, visto que os equipamentos eram mais robustos e suportavam as perturbações no fornecimento de energia. Hoje, com o avanço da eletrônica de potência, a natureza das cargas mudou e, além disso, os equipamentos tornaram-se mais sensíveis a oscilações na qualidade da energia fornecida. Diante deste fato, as preocupações com os fenômenos da qualidade de energia elétrica (QEE) aumentaram, uma vez que uma pequena falha no sistema elétrico de apenas um décimo de segundo pode, em face dessa alta sensibilidade, levar modernos processos industriais a paradas de horas a fio. A busca de uma padronização e limites dos itens que identificam um suprimento elétrico com perda de qualidade tem sido cada vez mais alvo de discussões, visto que, no Brasil, ainda não existe uma norma que defina como tais fenômenos devem ser mensurados, nem valores limites para os índices obtidos nessas medições. Existem apenas recomendações da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) e do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). Além dos procedimentos para a rede básica apresentados em [1], recomendações e procedimentos relativos à qualidade da energia elétrica na área de distribuição se encontram no módulo oito do Procedimentos de Distribuição (PRODIST), que está em fase de audiência pública para aprovação [2]. Testes de desempenho funcional em instrumentos de medição da QEE realizados na Universidade Federal de Uberlândia [3],[4] mostram que diferentes equipamentos obtêm resultados diferentes para um mesmo fenômeno aplicado, ou seja, a falta de padronização dos algoritmos de medição provoca resultados duvidosos. Em qual dos diversos resultados obtidos devese confiar? Vale ressaltar que, para aprovação de índices que porventura venham a ser recomendados no PRODIST, deve-se a priori fazer uma campanha de medição, obtendo-se, assim, os resultados mais confiáveis possíveis. Dentro deste contexto, é importante enfocar os problemas associados à falta de padronização de medição, em virtude de diferentes algoritmos utilizados por estes equipamentos. Esta padronização pode ser obtida através de uma normalização brasileira, baseada, por exemplo, na norma internacional IEC Testing and measurements techniques Power quality measurement methods [5], [6], voltada diretamente para técnicas de medição e monitoramento dos índices de QEE. Assim, podem-se extrair algumas informações da norma IEC Esta especifica os equipamentos de medição em duas classes de desempenho: A e B. A classe A é usada quando medidas precisas são necessárias, por exemplo, para aplicações contratuais, verificando conformidade com os padrões. Desta

2 forma, qualquer medição de um parâmetro realizada com dois instrumentos diferentes desta classe, ao medir os mesmos sinais, produzirá resultados semelhantes dentro da incerteza especificada. Para isso, é expressamente necessária uma metodologia uniformizada para a medição desses parâmetros. De outra forma, os equipamentos da classe B podem ser usados para aplicações onde grande precisão não é requerida, por exemplo, para pesquisas estatísticas. Não se necessita de uma metodologia rigorosa de medição, podendo esta, em sua maioria, ser criada pelo próprio fabricante. Como a análise deste artigo enfoca a necessidade de uma padronização, implicando em aplicações contratuais, os equipamentos classe A serão o foco das análises subseqüentes. Nesta classe, o intervalo de integração de medição de magnitudes dos diversos parâmetros de QEE deverá ser de 10 ciclos para sistema de alimentação em 50 Hz ou 12 ciclos para sistema de alimentação em 60 Hz, agrupados em três subgrupos: 1. Intervalos de 150/180 ciclos (150 ciclos para 50 Hz nominal ou 180 ciclos para 60 Hz nominal), de modo a formar quinze subdivisões de 10/12 ciclos, baseados na característica da freqüência e não no tempo de relógio; 2. Prosseguindo com intervalos de 10 minutos identificados por tempo absoluto (por exemplo, 01H10.00), com a admissão do último valor obtido da agregação de 10/12 ciclos, se este, por sua vez, ultrapassar o tempo de 10 minutos. Além disto, no início da medição, os 10/12 ciclos devem começar no limite de tempo absoluto de 10 minutos, com uma resincronização em todo limite de 10 minutos subseqüente; 3. Por fim, agregação de dados em intervalos de 2 horas, com 12 subdivisões de 10 minutos. Na seqüência serão enfocados os protocolos de medição detalhados dos diversos itens de QEE, segundo a norma IEC Novas propostas de tecnologias de medição de qualidade da energia elétrica têm sido ofertadas no mercado baseadas nesta norma, como por exemplo, em [10]. Freqüência da rede A leitura da freqüência deverá ser obtida a cada 10 segundos. Como esta pode não ser exatamente 50 Hz ou 60 Hz, durante o intervalo de tempo de relógio de 10s, o número de ciclos pode não ser um número inteiro. A medição da freqüência fundamental é a relação do número de ciclos inteiros contados durante o intervalo de tempo de relógio de 10s, dividido pela duração de tempo cumulativo de ciclos inteiros. Antes de cada avaliação, as harmônicas e interharmônicas devem ser atenuadas a fim de minimizar os efeitos de múltiplas passagens pelo zero. Os intervalos de tempo de medição não devem ser sobrepostos. Os ciclos individuais que sobrepõem temporariamente a fronteira de um intervalo de 10s são descartados. Cada intervalo de 10s deverá iniciar exatamente no intervalo de tempo de 10s ± 20ms para 50 Hz ou ± 16,7 ms para 60 Hz. A incerteza de medição não deve exceder ± 0,01Hz. Magnitude de tensão A medição deverá ser o valor eficaz da tensão durante um intervalo de tempo de 10 ciclos para sistemas de potência de 50 Hz ou 12 ciclos para 60 Hz. Cada intervalo de 10/12 ciclos deve ser contíguo e não sobrepor os intervalos adjacentes. Este método de medição particular é usado para sinais quaseestacionários e não é usado para a detecção e medição de perturbações: afundamentos de tensão, elevações de tensão, interrupções de tensão e

3 transitórios. O valor eficaz inclui, por definição, as harmônicas ou interharmônicas, os sinais de telecomando, etc. A incerteza de medição não deve exceder ±1% da tensão de alimentação. Afundamentos e elevações de tensão A medição básica de um afundamento e elevação de tensão deve ser o valor de U rms (1/2) (valor médio quadrático da tensão a cada meio ciclo) em cada canal de medição. O valor U rms (1/2) inclui, por definição, harmônicas, interharmônicas, sinais de telecomando (ripple control signals), etc. Detecção O limiar do afundamento ou elevação de tensão é uma porcentagem de (U din ) ou da tensão de referência deslizante (U sr ). A tensão de referência em uso deve ser declarada pelo usuário e para afundamentos de tensão, geralmente não é usada em sistemas de baixa tensão [7]. Em sistemas monofásicos, o afundamento de tensão começa quando a tensão U rms (1/2) cai abaixo do limiar de afundamento de tensão e termina quando a tensão U rms (1/2) for igual ou superior ao limiar de afundamento de tensão somado à tensão de histerese. De forma similar, uma elevação de tensão inicia-se quando a tensão U rms (1/2) se eleva acima do limiar de elevação de tensão e termina quando a tensão U rms (1/2) fica igual ou menor que o limiar de elevação de tensão menos a tensão de histerese. Em sistemas polifásicos, o afundamento de tensão começa quando a tensão U rms (1/2) de um ou mais canais ficar abaixo do limiar de afundamento de tensão e termina quando a tensão U rms (1/2) em todos os canais de medição for igual ou superior ao limiar de afundamento de tensão, somado à tensão de histerese. Similarmente, uma elevação de tensão inicia-se quando a tensão U rms (1/2) de um ou mais canais se eleva acima do limiar de elevação de tensão e termina quando a tensão U rms (1/2) em todos os canais medidos ficarem iguais ou menores que o limiar de elevação de tensão menos a tensão de histerese. Os limiares de afundamento ou elevação de tensão e a tensão de histerese são determinados pelo usuário em função da utilização. Avaliação Um afundamento de tensão é caracterizado por um par de dados, tensão residual (U res ) ou profundidade e duração. A tensão residual é o menor valor de U rms (1/2) medido em qualquer canal durante o afundamento de tensão. A profundidade é a diferença entre a tensão de referência (U din ou U sr ) e a tensão residual. É usualmente expressa em porcentagem da tensão de referência. A duração de um afundamento de tensão é a diferença de tempo entre o início e o fim do afundamento de tensão. Uma elevação de tensão é caracterizada por um par de dados, a máxima magnitude da elevação de tensão e a duração. A máxima magnitude da elevação de tensão é o maior valor da U rms (1/2) medido em qualquer um dos canais durante a elevação de tensão. A duração da elevação de tensão é a diferença de tempo entre o início e o fim da elevação de tensão. O limiar de elevação de tensão e a tensão de histerese são ambas definidas pelo usuário de acordo com o uso. Cálculo da tensão de referência deslizante (U sr ) Se uma tensão de referência deslizante for escolhida para detecção de afundamento ou elevação e tensão, esta deve ser calculada usando um filtro de primeira ordem com uma constante de tempo de 1 minuto. Este filtro é dado por: U U U (1) sr( n) 0, 9967 sr( n 1) 0, 0033 ( 10/ 12) rms

4 onde: U sr(n) é o valor atual da tensão de referência deslizante; U sr(n-1) é o valor prévio da tensão de referência deslizante; é o valor da tensão eficaz de 10/12 ciclos mais recente. U(10/12)rms Quando a medição é iniciada, o valor inicial da tensão de referência deslizante é ajustado para a tensão de entrada declarada. A tensão de referência deslizante é atualizada a cada 10/12 ciclos. Se um valor de 10/12 ciclos for marcado, a tensão de referência deslizante não é atualizada e o valor prévio é utilizado. A incerteza de medição não deve exceder ± 0,2% da tensão de alimentação. Interrupção de tensão A medição básica de interrupção de tensão deve ser U rms (1/2) em cada canal de medição. Os valores de U rms (1/2), incluem, por definição, harmônicas, interharmônicas, sinais de telecontrole, etc. Em sistemas monofásicos, uma interrupção da tensão começa quando a tensão U rms (1/2) cai abaixo do limiar de interrupção de tensão e termina quando o valor de U rms (1/2) é igual ou maior do que o limiar de interrupção de tensão mais a histerese. Em sistemas polifásicos, uma interrupção de tensão começa quando as tensões U rms (1/2) de todos os canais caem abaixo do limiar de interrupção de tensão e termina quando a tensão U rms (1/2) de qualquer um dos canais é igual ou maior do que o limiar de interrupção de tensão mais a histerese. O limiar de interrupção de tensão e a tensão de histerese são ambos ajustados pelo usuário de acordo com o uso. O limiar de interrupção de tensão não deve ser ajustado abaixo da incerteza da medição da tensão residual mais o valor da histerese. Tipicamente, a histerese é igual a 2% de U din. O limiar de interrupção de tensão pode, por exemplo, ser ajustado em 5% de U din. A duração de uma interrupção de tensão é a diferença de tempo entre o início e o fim da interrupção de tensão. A incerteza de medição da duração é menor do que dois ciclos dentro do tempo de backup do sistema de alimentação auxiliar. Desequilíbrio da tensão de alimentação O desequilíbrio da tensão de alimentação é avaliado usando o método das componentes simétricas. Em adição à componente de seqüência positiva, sob condições de desequilíbrio existe também pelo menos um das seguintes componentes: componente de seqüência negativa u 2 e /ou componente de seqüência zero u 0. A componente fundamental da tensão eficaz do sinal de entrada é medida em um intervalo de tempo de 10 ciclos para sistemas de potência a 50 Hz ou 12 ciclos para sistemas de potência a 60 Hz. A componente de seqüência negativa u 2 é avaliada pelo uso da seguinte relação, expressa como uma porcentagem. seqüência negativa u 2= *100% seqüência positiva (2) Para sistemas trifásicos, isto pode ser escrito (com fundamental da fase i para fase j): U ij _ fund = tensão

5 1 3 6 u % (3) com U 12 fund U 23 fund U 31 fund (4) U U U 2 12 fund 23 fund 31 fund A seqüência de componente zero u 0 é avaliada pela magnitude da seguinte relação, expressa como uma porcentagem: seqüência zero u 0= *100% (5) seqüência positiva Variações rápidas de tensões Uma variação rápida de tensão é caracterizada como uma mudança de nível de tensão de um estado para outro. Para que seja caracterizada como uma variação rápida de tensão, os níveis não devem sensibilizar as variações de tensão de curta duração. Os parâmetros que devem ser configurados para este protocolo de medição são: Taxa de variação; Tempo mínimo de duração do estado; Mínima diferença de tensão entre estados; Estabilidade do nível. Flicker A oscilação de tensão (flicker) deve ser calculada de acordo com a norma IEC [8] e os dados agregados devem ser marcados conforme o conceito da norma IEC [5]. Tensões harmônicas e inter-harmônicas As medições básicas de tensões harmônicas e inter-harmônicas, para o propósito desta norma, são definidas na IEC : 2002 [9]. Tal norma deve ser utilizada para determinar uma medição de subgrupo de harmônicas e inter-harmônicas sem descontinuidade de 10/12 ciclos, denominado como de acordo com a norma IEC :2002. Testes de desempenho funcional em instrumentos de medição da qualidade da energia Com o objetivo de demonstrar o desempenho dos instrumentos medidores de QEE disponíveis no mercado, 2 (duas) campanhas de medição foram realizadas, em 2001 e em 2003, na Universidade Federal de Uberlândia [3], [4], sob a responsabilidade do prof. José Carlos de Oliveira, em parceria com o ONS. Os instrumentos em questão, no primeiro teste, 21 aparelhos diferentes, e no segundo, 12 foram submetidos a seis módulos de testes. Dentro de cada módulo, uma série de situações foi simulada por uma fonte programável de tensão, totalizando 74 ensaios no primeiro, e 41 no segundo, abrangendo grande parte das possibilidades de cada um dos fenômenos relacionados à qualidade da energia. Os ensaios foram divididos da seguinte maneira: Módulo 1: Tensões Harmônicas Tensões harmônicas individuais equilibradas e constantes ao longo do tempo; composição harmônica equilibrada; tensões harmônicas individuais com variação da freqüência fundamental; tensões harmônicas variáveis no tempo; Módulo 2: Desequilíbrios de Tensão

6 Nível de desequilíbrio constante ao longo do tempo; nível de desequilíbrio variável ao longo do tempo; Módulo 3: Flutuações de Tensão Níveis de PST propostos pela IEC [8] e constantes ao longo do tempo; somente modulação quadrada; Módulos 4 e 5: Variações de Tensão de Curta duração Eventos equilibrados e desequilibrados; eventos de afundamentos momentâneos de tensão e elevação momentânea de tensão; ensaios contendo vários eventos e outros com somente um evento; ensaios com dois eventos seqüenciais; Módulo 6: Variações de Tensão em Regime Permanente Variações de tensão de longa duração, considerando afundamentos e elevações de tensão ocorrendo uma única vez; tensões trifásicas, equilibradas, fundamentais sem e com distorção; variações de tensão com alternância de valores ao longo do tempo. Os critérios adotados para classificação dos equipamentos quanto ao desempenho frente aos testes foram: Classificação por módulo de testes: Os equipamentos ensaiados não permitiram, na sua totalidade, mensurar todas as grandezas previstas na seqüência dos 74 ensaios. Assim, um dado equipamento pôde ser classificado como Excelente no que tange à medição de distorções harmônicas e não ter sido mencionado quando da medição do fenômeno Flicker; Determinação dos erros para fins da classificação: Os erros foram determinados, quando fosse o caso, individualmente por fase, e calculados pela diferença entre os níveis padrões e aqueles encontrados / documentados pelos representantes. O maior erro dentre as três fases, quando este for o caso, foi utilizado para atribuição da precisão da medição; Atribuição de notas de desempenho: Tabela I Atribuição de Notas Faixa de Erros (%) Nota 0 Erro(%) Erro(%) Erro(%) 20 2 Superior a 20 0 Atribuição de nota de desempenho por ensaio: Para o caso de um fenômeno expresso por um único indicador numérico (ex: distorção harmônica) apenas uma nota foi dada. Para o caso de um fenômeno associado a mais de um indicador numérico (ex: VTCD), atribuiu-se uma nota para cada grandeza avaliada. Nesta última situação, a cada indicador/nota foi ainda atribuído um fator de ponderação para a definição da nota final ao módulo de teste;

7 Atribuição de conceitos de desempenho por módulo: Os resultados finais foram enquadrados conforme as seguintes correlações: Tabela II Atribuição dos conceitos finais por módulo Conceitos Faixa de Notas Excelente 10 a 9 Bom 9 a 7 Regular 7 a 4 Inferior Inferior a 4 Os resultados de cada módulo estão nas tabelas a seguir, separadas por campanhas de medição e por módulo de testes: Tabela III Primeira Campanha - Distorção Harmônica Excelente B1, D1, N1, O1, Q1 Bom A1, C1, F1, G1, L1, M1, U1 Regular H1, I1, P1, S1, V1 Inferior E1, J1, R1, T1 Tabela IV Segunda Campanha - Distorção Harmônica Excelente B2, C2, E2, F2, M2 Bom A2, D2, G2, H2, L2 Regular I2 Inferior J2 Através das tabelas III e IV é possível perceber a evolução dos equipamentos no que se refere às leituras corretas relacionadas com distorção harmônica. É válido destacar que os equipamentos que participaram da segunda campanha de medição estiveram presentes na primeira campanha. Porém, por questão de sigilo, não existe correlação nenhuma entre, por exemplo, o equipamento A1 e o equipamento A2. Tabela V Primeira Campanha - Desequilíbrios de Tensão Excelente A1, D1 Bom B1, G1, H1, O1, V1 Regular C1, F1, I1, L1, M1, N1, P1, Q1, T1, U1 Inferior E1, J1, R1, S1 Tabela VI Segunda Campanha - Desequilíbrios de Tensão Excelente B2, C2, D2, E2, F2 Bom G2, J2, L2 Regular A2, H2, I2, M2 Inferior ---

8 Tal como aconteceu nas tabelas III e IV, as tabelas V e VI revelam também uma melhoria nas medições dos instrumentos, focando, nesta fase, o módulo Desequilíbrio de tensão. As tabelas a seguir, VII e VIII, trazem os resultados do módulo Flutuação de tensão. Este módulo, conforme se pode notar, foi o que mais apresentou erros nas medições. Nas mesmas linhas de raciocínio anteriores, houve uma melhora significativa nos resultados, ou seja, mais equipamentos se apresentaram de forma confiável em medições de flutuações de tensão. Tabela VII Primeira Campanha - Flutuações de Tensão Excelente B1,Q1 Bom N1 Regular --- A1,C1, D1, E1, F1, G1, H1, I1, Inferior J1, L1, M1,O1, P1, R1, S1, T1, U1, V1 Tabela VIII Segunda Campanha - Flutuações de Tensão Excelente A2, C2, M2 Bom B2, E2, F2 Regular D2 Inferior G2, H2, I2, J2, L2 As tabelas IX e X, referentes ao módulo Variações de tensão de curta duração e as tabelas XI e XII, referentes à variações de tensão de regime permanente mostram uma certa similaridade entre a primeira e segunda campanhas de medição, revelando uma certa fidelidade entre todos os fabricantes que participaram dos testes. Tabela IX Primeira Campanha - Variações de tensão de curta duração Excelente F1, M1, N1, O1, Q1, T1, U1 Bom C1, D1,G1, J1, L1 Regular A1, B1, H1, I1, R1 Inferior E1, P1, S1, V1 Tabela X Segunda Campanha - Variações de tensão de curta duração Excelente A2, B2, E2, L2, F2, M2 Bom C2, J2 Regular D2 Inferior G2, H2, I2 Tabela XI Primeira Campanha - Variações de tensão de regime permanente

9 Excelente D1, F1, G1, H1, I1, N1, O1, Q1, U1, V1 Bom A1, B1, C1, E1, L1, M1, P1, R1, S1, T1 Regular Inferior J1 Tabela XII Segunda Campanha - Variações de tensão de regime permanente Excelente A2, B2, C2, D2, E2, F2, G2, H2, I2, J2, M2 Bom -- Regular L2 Inferior -- Vale reforçar que, por questão de sigilo, os fabricantes foram identificados por letras, onde não existe correspondência nenhuma entre, por exemplo, A1 e A2. Como não houve a permanência de todos eles nas 2 campanhas de medição, não se pode comparar o desempenho dos fabricantes através destas. A busca de uma norma brasileira voltada para os procedimentos corretos de medição de itens associados à QEE tem sido cada vez mais necessária. Tais procedimentos são baseados em algoritmos próprios que devem ser respeitados pelos diversos fabricantes de equipamentos, no intuito de uma medição confiável e adequada ao sistema elétrico real, que apresenta perda de qualidade. Assim, deve-se conhecer os modos de medição e algoritmos apropriados traduzidos da norma internacional IEC A grande problemática relacionada com a falta de padronização pôde ser verificada através de campanhas de medição realizadas pela UFU em parceria com o ONS, onde se verificou a divergência entre os resultados de medições dos diferentes itens que identificam a QEE. Tal inconformidade pôde ser facilmente verificada analisando as tabelas referentes à primeira e à segunda campanha de medição. Muitos equipamentos foram classificados como regulares ou inferiores em diversos módulos, além da grande maioria não conseguir mensurar, com excelente exatidão, todos os fenômenos em questão. A validação deste esforço através de campanhas de medição fica evidente quando se compara a primeira com a segunda etapa, pois alguns fabricantes que já haviam participado daquela campanha, corrigiram seus instrumentos adequadamente. A definição de padronização oficial de protocolo de medição dos vários fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica no país é prioritária à realização de medições que visem subsidiar o processo regulatório de estabelecimento de indicadores e limites adequados às peculiaridades do sistema elétrico nacional. Referências [1] ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico Submódulo 2.2: Padrões de Desempenho da Rede Básica, 2002, disponível no site [2] ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica - PRODIST Módulo 8 Qualidade de Energia Elétrica, disponível no site [3] Brasil, D. O. C., Medeiros, J. R., Ribeiro, P. F., Oliveira, J. C., Delaiba, A. C., Assessing the Accuracy of Power Quality Instrumentation, 11th ICHQP - International Conference on Harmonics and Quality of Power, 2004.

10 [4] Brasil, D. O. C., Medeiros, J. R., Ribeiro, P. F., Oliveira, J. C., Teixeira, M. D., Considerations on Power Quality Measurement Instrumentation, 7th EPQU - International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, [5] IEC Ed 1: Eletromagnetic Compatibility (EMC) Part 4 30: Testing and Measurements Techniques Power Quality Measurement Methods. [6] Zimath, S. L., Vieira, G. R., IEC : A Norma Definitiva para Medição de Parâmetros de Qualidade, VI SBQEE Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica, [7] IEC ( ) Part 2-8: Environment - Voltage dips and short interruptions on public electric power supply systems with statistical measurement results. [8] IEC Ed 1: Eletromagnetic Compatibility (EMC) Part 4 7: Testing and Measurement Techniques - Flickermeter - Functional and Design Specifications. [9] IEC Ed 1: Eletromagnetic Compatibility (EMC) Part 4 30: Testing and Measurement Techniques - General Guide on Harmonics and Interharmonics Measurements and Instrumentation, For Power Supply Systems and Equipment Connected Thereto. [10] McEachern, A., A New Ultra-low-cost Power Quality Measurement Technology, 9th EPQU - International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, Barcelona, Spain, Fernando N. Belchior, Benedito D. Bonatto, Rafael F. Silva, Leonel D. Leite, Alexander B. Bacco e Túlio S. Carvalho são da UNIFEI Universidade Federal de Itajubá, do Instituto de Sistemas Elétricos e Energia ISEE - fnbelchior@unifei.edu.br, bonatto@unifei.edu.br, rafael_faria_eel@hotmail.com, leonel.dl@hotmail.com, alexanderbacco@yahoo.com.br, tusallum@yahoo.com

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