Telecontrole de Pequenas Subestações Através de Relés Digitais Via GPRS

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1 XIX Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI a 26 de novembro São Paulo - SP - Brasil Telecontrole de Pequenas Subestações Através de Relés Digitais Via GPRS Telvio André do Prado telvio@cemig.com.br Valdeci Custódio da Silva valdeci@cemig.com.br CEMIG DISTRIBUIÇÃO S.A. Palavras-chave Automatizada GPRS Retrifit RESUMO Este trabalho tem como objetivo apresentar o telecontrole de uma pequena subestação, como uma forma econômica de melhorar o DEC e a confiabilidade do sistema atuando no tempo de diagnóstico de falhas e de restabelecimento aos consumidores. Para melhorar os indicadores de qualidade e atingir as metas propostas, foram utilizados os recursos existentes de forma simples, criativa, confiável e prática, com baixo investimento no projeto. Em pequenas subestações não automatizadas e distantes geograficamente das sedes, ao ocorrer qualquer tipo de falha, provisória ou permanente, ocorre uma demanda muito grande de tempo no deslocamento, comprometendo a qualidade do fornecimento de energia. Sob esse foco que foi implementado o telecontrole em aproveitamento de nova tecnologia disponibilizada pelos relés digitais de nova geração (protocolo de comunicação), ligada a um módulo GPRS (General Packet Radio Service). 1. INTRODUÇÃO Ouve-se muito falar em digitalização, subestações inteligentes, protocolo IEC61850, sendo este último a tecnologia de ponta nos dias de hoje, o que, a princípio diminui este trabalho pois, estamos tratando de pequenas automações com protocolo DNP3. Entretanto com o aumento das exigências tanto dos consumidores quanto da ANEEL na qualidade da energia fornecida, o que confronta com as dificuldades de implementação de tecnologias de ponta devido aos custos, tempo nas licitações, previsões de investimento etc.., tivemos então a necessidade de utilização urgente dos recursos existentes com criatividade para atingirmos o desejado. CEMIG DISTRIBUIÇÃO S.A. Av. Coronel José Teófilo Carneiro,2777 Bairro São José Uberlândia MG Fone: (34) Fax (34) telvio@cemig.com.br 1/11

2 A Cemig Distribuição S. A. (Cemig D) possui inúmeras subestações de pequeno porte, distanciadas dos pólos onde ficam locadas as equipes de manutenção. Em casos de ocorrências nas redes de distribuição derivadas destas subestações, algumas equipes precisam se deslocar até 60 Km ao ponto de defeito, para poderem desta forma, restabelecer a falta de energia. Na maioria das vezes o problema é transitório bastando um fechamento manual do equipamento bloqueado. Observa-se que a demora no atendimento ao consumidor contribui bastante para o índice negativo do DEC, o que pode gerar multa da ANEEL para a concessionária além da insatisfação do cliente. Pensando na qualidade e confiabilidade do sistema, bem como na satisfação do cliente, no baixo custo de projetos, foi aproveitada a tecnologia disponível nos relés digitais para viabilizar a automação destas pequenas subestações. Onde foram feitos os retrofit s dos religadores (retirada de mecanismos hidráulicos, proteções eletrônicas, transferindo as funções de proteção e religamento para um relé digital), possibilitou o aproveitamento desta tecnologia, sendo criada uma infra-estrutura de supervisão remota capaz de manobrar e adquirir o status dos principais equipamentos das subestações, além da análise em tempo real de grandezas elétricas e alarmes gerados pelos dispositivos de proteção. 2. OBJETIVO DA AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÕES DE PEQUENO PORTE Melhoria na qualidade do fornecimento de energia elétrica: Com a automação consegue-se redução da quantidade de interrupções (FEC) e também no tempo de restabelecimento (DEC). Custos operacionais: Otimização dos custos de deslocamento das equipes de operação e manutenção. Eficiência operacional: Com a medição on-line, é possível fazer o acompanhamento da carga dos transformadores, modelagem da curva de carga para previsão de investimentos. Além disso, através dos parâmetros dos religadores fornecidos pelos fabricantes, inseridos nos relés de proteção, faz-se o acompanhamento do desgaste dos contatos principais destes equipamentos, relacionando o número de aberturas automáticas e valores de correntes interrompidas, podendo programar as intervenções para manutenção com precisão. 3. PROTOCOLO DNP3 Por ser bastante flexível, podendo ser utilizado em qualquer plataforma de hardware, o protocolo DNP3.0 (Distributed Network Protocol versão 3.0) foi escolhido para esta aplicação, além de ser um protocolo de comunicação aberto e não-proprietário, dentro das especificações do IEC (International Eletrotechnical Commission), adaptado para ser utilizado em aplicações altamente seguras, à velocidade e quantidade de dados moderada. Enquanto o modelo especificado pela ISO-OSI (International Standards Organization - Open System Interconnection) estabelece sete camadas para um protocolo de rede, o IEC especifica um modelo simplificado, que consiste nas camadas física, data link e aplicação somente. Tal modelo é chamado EPA (Enhanced Performance Architecture). A figura abaixo mostra a estrutura da EPA e seu sistema de comunicação. User Layer Application Layer Data Link Layer Physical Layer Figura 1 - Modelo simplificado do ISO-OSI 2/11

3 A camada do usuário (User Layer) pode ser definida como o local onde o usuário manipulará os dados depois de todas as comunicações, sendo utilizada para enviar/receber mensagens completas de/para um dispositivo. A camada de aplicação (Application Layer) é responsável por especificar em detalhes os pedidos da camada do usuário e encaminhar de volta à mesma as mensagem provenientes da camada de Data Link. Em outras palavras, ela agrupa as mensagens da camada do usuário, chamadas de fragmentos, numa mensagem de múltiplos fragmentos com a informação completa para ser processada e enviada para uma estação através da camada data link. A camada data link (Data link layer) é usada para a transmissão das mensagens entre as estações primária / secundária, é onde os dados são empacotados, verificados possíveis erros de transmissão através do CRC (Cyclic Redundancy Check) e enviados para a rede. O protocolo DNP3 permite uma grande variedade de comandos que podem ser utilizados dependendo da necessidade de cada aplicação. 4. GPRS O sistema de comunicação adotado foi GPRS (General Packet Radio Service) que é uma tecnologia não baseada em voz disponibilizada pelas operadoras, que permite o envio e recepção de informações através de uma rede telefônica móvel que suplementa as tecnologias atuais de CSD (Circuit Switched Data) e SMS (Short Message Service). Este sistema garante os requisitos mínimos de segurança evitando acesso de terceiros aos dados sendo transmitidos em rede dedicada. É necessária apenas a aquisição de modems GPRS onde é executado um aplicativo responsável pela detecção de quedas e restabelecimento da conexão com o SCADA. 4.1 CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS DO GPRS Velocidade: Taxas de transferências teóricas de até 171,2 Kbps (kilobits por segundo) usando os oito timeslots simultaneamente. Isso representa uma taxa de transferência de aproximadamente três vezes mais rápida que as possíveis nas redes de telecomunicações fixas e dez vezes mais que nos atuais serviços de CSD nas redes GSM. Comunicação Instantânea: O GPRS facilita a conexão instantânea pois a comunicação pode ser enviada ou recebida imediatamente conforme solicitação do usuário, pois não há necessidade de conexão dial-up através de modems. Diz-se que os usuários GPRS estão sempre conectados e, esta disponibilidade imediata é que justifica a quantidade de máquinas ligadas a esse sistema para compras através de cartões de crédito. Acesso ao serviço: Para acessar ao serviço o usuário necessita de: - um telefone móvel ou terminal que suporte GPRS - uma assinatura de rede de telefonia móvel que suporte o GPRS -um destino e um local e onde receber informações através do GPRS, não necessariamente um celular. 5. O SISTEMA ESCADA O X-Omni é o sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) adotado pela CEMIG D. Sendo este o responsável por receber a conexão de todos os equipamentos instalados nas SE s da área de sua cobertura, totalizando mais de 360 subestações. O X-Omni recebe, organiza e apresenta aos operadores as informações recebidas dos equipamentos telecontrolados de forma que as falhas do sistema possam ser detectadas e corrigidas no menor tempo possível, contribuindo para a redução do DEC. Através de regras pré-estabelecidas, o SCADA pode, automaticamente solucionar uma falha ou deixar a decisão ao operador. 3/11

4 6.0 ARQUITETURA A arquitetura utilizada foi aproveitada, pois já existiam tele controle de outros equipamentos através do protocolo DNP3, sendo alterados os endereços adequando ao projeto. A subestação piloto possui quatro relés digitais onde dois protegem a barra de 13,8KV em redundância e os outros dois são proteção de duas redes de distribuição. Foram utilizados dois módulos de comunicação GPRS, um em cada proteção de alimentador com leitura on-line de corrente, estado e eventos destes, além de estado do carregador de baterias e disjuntor geral. A corrente do disjuntor geral é mostrada ao operador com a soma das correntes medidas nos alimentadores. Figura 2 - Arquitetura utilizada 7. LOCALIZAÇÃO DA SE PILOTO A subestação de São Simão está localizada em Chaveslândia a 60 Km de Santa Vitória que é a cidade pólo, alimentada radialmente através da SE Ituiutaba em 69KV. Figura 3 Localização da SE Piloto Figura 4 - Distância da cidade pólo a São Simão em linha reta 4/11

5 8. SITUAÇÃO ANTERIOR À AUTOMAÇÃO Grande número de ocorrências na SE Índices do conjunto abaixo do esperado Subestação localizada na zona rural Distância do pólo em torno de 60 Km pela BR 365 Distância do posto de atendimento (PAM) em torno de 140Km Distância do posto de Manutenção em torno de 300Km Tempo médio de atendimento de ocorrências 01:40 h. 9. LEVANTAMENTO DE OCORRÊNCIAS EM 2007 Tabela 1 Levantamento das Ocorrências de DESEMPENHO DO CONJUNTO/SUBESTAÇÃO EM 2007 Quantidade de ocorrências sustentadas na SE em Tempo médio de atendimento de ocorrências na SE 01,40 Custo médio de atendimento por ocorrência - R$300,00 Custo total de atendimento a ocorrências 2007 R$2.700,00 DEC, reflexo para o conjunto de Ituiutaba em ,1723 Nº de Consumidores Comprimento total das redes da SE 1.012,69Km. Carga Instalada 12,7 MVA. Distância do Posto de Atendimento PAM 140Km Distância para atendimento da Manutenção 300KM 11. CUSTO DE IMPLANTAÇÃO DA AUTOMAÇÃO Antena de Ganho R$ 190,00 Fonte DC/DC R$ 135,00 Cabos e conectores R$ 150,00. Modem GPRS R$ 600,00 Total R$ 1075,00 x 2 = R$ 2150,00 Tabela 2 Custo do projeto 5/11

6 12. FOTOS DOS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS Figura 6 - Antena de ganho Figura 7 Fonte DC/DC Figura 8 Modem GPRS Figura 9 Relés Digitais 13. APROVEITAMENTO DOS RELÉS Foram explorados os recursos disponibilizados nos relés digitais de forma a atender toda a necessidade da subestação. Foi dividido em dois canais de comunicação, conectados em dois relés, ambos monitorando falhas internas mútuas em cruzamento, também verificando o estado do carregador de baterias, do relé 1T86 e disjuntor geral de 13,8KV. Através das saídas digitais é possível comandar o disjuntor geral e resetar o carregador de baterias. Entradas Digitais * Estado do relé 1T86. * Estado do Carregador de baterias. * Monitoramento cruzado da proteção. Saídas Digitais * Abertura e Fechamento do Disjuntor Geral * Reset do carregador de baterias da SE. 6/11

7 14- ALIMENTADORES TELECONTROLADOS Figura 10 - Religadores 4F4 e 8F4 -Tipo R Retrofitatados na oficina DO/MT Figura 11 Disjuntor Geral 13,8KV Figura 12 Carregador de Baterias 15- SUPERVISÕRIO COD Figura 13 Tela de Controle do religador 4F4 7/11

8 Figura 13 Tela de Controle do religador 8F TELA DE CONTROLE 1F4 Comandos a partir do relé 4F50/51 Comandos de Abertura e Fechamento Medição do vão pela somatória dos religadores 8F4 e 4F4 Figura 13 Tela de Controle do disjuntor Geral 13,8KV (1F4) 8/11

9 15.2. TELA DE RESET DO CARREGADOR DE BATERIAS 125VCC Comandos a partir do relé 4F50/51 Reset Remoto do carregador Figura 14 Tela de Reset do Carregador de Baterias 16. CONFIGURAÇÃO X-OMINI / RELÉS Os relés permitem programação 9/11

10 PT Binárias ( EDs) PT Relés contato seco ( SDs) 01 Estado Disjuntor 1F4 01 Abre religador 4F4 02 Carregador de Baterias 02 Fecha religador 4F4 03 Estado Religador 4F4 03 Bloqueio de Proteção de Neutro 04 Estado da Proteção de Neutro 04 Abre Disjuntor 1F4 ( Geral ) 05 Estado do Religamento Automático 05 Fecha Disjuntor 1F4 ( Geral ) 06 Chave Local /Remoto ( Pulsado) 06 Reset do Carregador de Baterias WOT-DOG 17. CONCLUSÕES Foi apresentada a forma mais econômica, viável e confiável, obtida através da tecnologia disponível nos relés digitais e no sistema SCADA, utilizando os recursos existentes propiciando um melhor aproveitamento e integração de dados e diagnósticos provenientes do sistema elétrico. Os dados e informações coletados neste sistema favorecem a diversos órgãos envolvidos na operação, manutenção e proteção das subestações. A exploração destes recursos é diretamente proporcional ao grau de conhecimento dos profissionais envolvidos em relação à tecnologia digital existente, trazendo ganhos operacionais, qualitativos, econômicos e satisfação do cliente quanto ao fornecimento de energia. 18. BIBLIOGRAFIA (1) CEMIG Distribuição S.A EM/OM-0124/2003 Classificação da importância das subestações dentro do contexto operacional da distribuição. (2) CEMIG Distribuição S.A. Planejamento Estratégico da Cemig. (3) KARDEC, Alan& NARSCIF, Júlio. Manutenção função estratégica. Rio de Janeiro, Qualitymark, (4) MONCHY, François. A função manutenção formação para gerência da manutenção industrial. São Paulo: Editora Durban, /11