Automatismo de Regulação de Tensão em Unidade Remota de Teleacção

Transcrição

1 Automatismo de Regulação de Tensão em Unidade Remota de Teleacção Mário Ferreira Vieira Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Prof. Paulo José da Costa Branco Orientador: Prof. Pedro Alexandre Flores Correia Vogais: Prof. José Manuel Dias Ferreira de Jesus Eng. João António da Silva Pissarro Maio de 2010

2 Automatismo de Regulação de Tensão em Unidade Remota de Teleacção Mário Ferreira Vieira

3 Agradecimentos Este trabalho representa o culminar de vários anos de estudo, dedicação e empenho na concretização de um objectivo pessoal, pelo que, gostaria de agradecer a todas as pessoas que, directa ou indirectamente, contribuíram para este trabalho. Começo por agradecer ao coordenador de curso Prof. Leonel Sousa, pela disponibilidade e facilidade demonstradas na resolução de problemas. Ao Prof. Pedro Flores, agradeço a oportunidade de realização desta tese, ajuda e conselhos práticos dados durante a sua execução. Um agradecimento especial à empresa Siemens, nomeadamente ao grupo em que estive inserido, pelo apoio prestado e facilidade de integração que permitiram a realização deste trabalho nas melhores condições: ao Eng.º João Festas, pela ajuda no primeiro contacto com a empresa, ao Eng.º João Pissarro pelo seu acompanhamento no desenrolar do trabalho e ainda aos Eng.º Luís Santos, Joel Lopes e Jorge Peniche, pelas dúvidas esclarecidas sobre as Unidades de Automação. À minha família e amigos agradeço por tudo aquilo de bom que representam, pela força, motivação e acima de tudo por acreditarem! i

4 Resumo A tensão é uma grandeza de carácter local cuja regulação é efectuada ao longo de todo o sistema eléctrico, através de diferentes técnicas de acordo com o ponto da rede em questão. Ao nível do transporte e distribuição são frequentemente utilizados transformadores de potência com regulação em carga que compensam variações de tensão que ocorrem ao longo da rede, alterando a relação de transformação por meio de um comutador instalado num dos enrolamentos geralmente o de tensão mais elevada, ao qual corresponde a menor intensidade de corrente. Os comutadores de tomadas são controlados pela função de Regulação Automática de Tensão que emite ordens baseadas na leitura das grandezas eléctricas aos terminais do transformador, permitindo assim a colocação em serviço da tomada mais adequada em cada instante. O presente trabalho é referente ao desenvolvimento da função de Regulação Automática de Tensão num autómato da empresa Siemens, considerando os diversos factores que optimizam o seu resultado. Desde logo, a possibilidade de regulação de 5 transformadores em paralelo; a minimização das correntes de circulação que surgem neste tipo de exploração; a compensação da queda de tensão nas linhas ligadas ao barramento e, finalmente, a coordenação com o accionamento de baterias de condensadores. Palavras-chave: Tensão, Transformadores de Potência, Comutadores de Tomadas, Regulação Automática de Tensão. ii

5 Abstract Voltage is a local character greatness whose regulation is performed along all the system using different techniques according to the network point. In the transportation and distribution are often used power transformers with tap changers, compensating voltage variations that occur throughout the system by changing the ratio of transformation with a switch installed in the windings - usually the higher voltage, corresponding to the lowest current intensity. Tap switches are controlled by the function "Automatic Voltage Regulation" that create orders to the motor that controls the tap position, acording to the reading values on the terminals of the transformer, and thereby placing the correct tap in service. This work is about the development of the function of "Automatic Voltage Regulation" in the Siemens automation unit, considering all the factors that optimize the output. Like the possibility of regulation 5 transformers in parallel, minimize the reactive currents that arise in this type of structure, consider the voltage drop in the lines connected to the bus and coordination with the function of capacitor batteries. Keywords: Voltage, Power Transformers, Tap changer, Automatic Voltage Regulator. iii

6 Índice Agradecimentos... i Resumo... ii Abstract... iii Índice... iv Lista de Figuras... vi Lista de Tabelas... vii Lista de Abreviações... ix 1. Introdução Enquadramento Objectivos Estrutura da Dissertação Estado de arte Regulação de Tensão Regulação de tensão nos Sistemas de Energia Eléctrica Transformadores com comutação de tomadas Função de Regulação Automática de Tensão Regimes de funcionamento Configuração da subestação Comando de transformadores em paralelo Compensação da queda de tensão na linha Comando de baterias de condensadores Funções de deslastre Controlo da execução de ordens Sinalizações Unidade de Automação Apresentação Hardware Software Toolbox II OPM II Estrutura de um projecto CAEx Plus Norma IEC Função de Regulação Automática de Tensão Especificações Algoritmo Toolbox II Configuração do projecto Estrutura base Hardware instalado Estrutura de variáveis exteriores Endereçamento de variáveis iv

7 4.4 Programação da função Atribuição de nomes Instância AVR Configuração da subestação Recepção e verificação de medidas do exterior Gestão de regulação em paralelo Transformadores Elaboração de ordens Transformadores Emissão e controlo de ordens Testes funcionais Características da simulação Subestação Linhas de saída Testes Offline Transformadores e comutadores de tomadas Potência de carga Parametrização do menu de configuração Resultados Testes Online Lista de equipamento utilizado Estrutura da montagem Características da rede simulada Parametrização da mala de ensaios Parametrização do transdutor 7KG6000-8EBNN Parametrização do menu de configuração Descrição de ligações da régua de bornes Descrição de ligações da protecção 7SJ Cálculos auxiliares Resultados Conclusões Observações finais Propostas futuras Anexos Anexo 1 Cálculo de correntes reactivas de circulação Anexo 2 Esquema de ligação de blocos Anexo 3 Verificação da simulação online Referências v

8 Lista de Figuras Figura 2.1 Regulação de tensão nos sistemas de energia... 3 Figura 2.2 Comutador de tomadas para transformadores... 4 Figura 2.3 Transformador com regulação de tensão... 5 Figura 2.4 Intervenientes da regulação automática de tensão... 6 Figura 2.5 Ligações numa subestação de distribuição... 7 Figura 2.6 Circuito equivalente da operação de transformadores em paralelo... 9 Figura 2.7 Queda de tensão na linha Figura 2.8 Esquema base do método Centro de Carga Figura 3.1 AK 1703 ACP Rack com 9 slots Figura 3.2 AK 1703 ACP - Instalação das cartas no rack Figura 3.3 Toolbox II Estrutura de um projecto Figura 4.1 Fluxograma do funcionamento da função AVR Figura 4.2 ToolBox II Estrutura de variáveis exteriores Figura 4.3 Atribuição de nomes aos parâmetros Figura 4.4 Configuração máxima das subestações Figura 4.5 Bloco BLC1.1_STN Figura 4.6 Bloco BLC2.1_PWR Figura 4.7 Bloco BLC2.2_TAP Figura 4.8 Bloco BLC4.7_CIR Figura 4.9 Bloco BLC3.1_GRP Figura 4.10 Bloco BLC3.2_PRL Figura 4.11 Elaboração de ordens Figura 4.12 Bloco BLC_4.1_DVI Figura 4.14 Característica do tempo inverso Figura 4.13 Bloco BLC4.2_BDW Figura 4.15 Bloco BLC4.3_CPC Figura 4.16 Bloco BLC4.4_DES Figura 4.17 Bloco BLC4.5_ORD Figura 4.18 Bloco BLC4.6_VRF Figura 4.19 Comportamento do bloco BLC4.6_VRF Figura 5.1 Configuração da subestação a simular Figura 5.2 Diagrama de carga simulado Figura 5.3 Simulação do módulo base da função AVR Figura 5.4 Resultado da simulação da sub-função Bloqueio por mínimo de tensão Figura 5.5 Resultado da interacção com a função Comando de bateria de condensadores Figura 5.6 Resultado do teste da interacção com a função de Deslastre por reposição de tensão Figura 5.7 Resultados do teste da funcionalidade LDC Figura 5.8 Resultados do teste de regulação em paralelo Figura 5.9 Resultados do teste às sinalizações emitidas pela função Figura 5.10 Esquema da montagem simulada Figura 5.11 Montagem laboratorial Figura 5.12 Ligação do transdutor 7KG Figura 6.1 Proposta da página de gestão da função AVR vi

9 Figura 6.2 Proposta da página de parametrização da função AVR Figura 0.1 Parametrização do ficheiro de cálculo Figura 0.2 Esquema de ligações da instância AVR Figura 0.3 Esquema de ligações do bloco BLC4.0_TRF Lista de Tabelas Tabela 2.1 Regime de funcionamento na passagem para paralelo... 8 Tabela 2.2 Regimes de funcionamento em paralelo... 8 Tabela 2.3 Lista de sinalizações emitidas pela função Tabela 3.1 AK 1703 ACP - Hardware Tabela 3.2 Ferramentas da ToolBox II Tabela 3.3 Tipo de dados na norma Tabela 4.1 Resumo das especificações da função AVR Tabela 4.2 Condições de arranque da função Tabela 4.3 Toolbox II Estrutura funcional da função AVR Tabela 4.4 Estrutura de variáveis exteriores dos estados das ligações na subestação Tabela 4.5 Estrutura de variáveis exteriores relativas às medições nos transformadores Tabela 4.6 Estrutura de variáveis de parametrização dos transformadores Tabela 4.7 Lista de ordens enviadas/recebidas pelos transformadores Tabela 4.8 Lista de sinalizações dos transformadores Tabela 4.9 Estrutura de variáveis exteriores relativas às medições dos grupos de transformação Tabela 4.10 Estrutura de variáveis de parametrização dos grupos de transformação Tabela 4.11 Resumo do endereçamento de variáveis exteriores Tabela 4.12 Codificação das configurações dos transformadores Tabela 4.13 Descrição de inputs do bloco BLC1.1_STN Tabela 4.14 Descrição de outputs do bloco BLC1.1_STN Tabela 4.15 Descrição de inputs do bloco BLC2.1_PWR Tabela 4.16 Descrição de outputs do bloco BLC2.1 _PWR Tabela 4.17 Descrição de inputs do bloco BLC2.2_TAP Tabela 4.18 Descrição de outputs do bloco BLC2.2_TAP Tabela 4.19 Descrição dos inputs do bloco BLC4.7_CIR Tabela 4.20 Descrição dos outputs do bloco BLC4.7 _CIR Tabela 4.21 Descrição de inputs do bloco BLC3.1_GRP Tabela 4.22 Descrição de outputs do bloco BLC3.1_GRP Tabela 4.23 Descrição de inputs do bloco BLC3.2_PRL Tabela 4.24 Descrição dos inputs do bloco BLC4.1_DVI Tabela 4.25 Descrição dos outputs do bloco BLC4.1_DVI Tabela 4.26 Descrição dos inputs do bloco BLC4.2_BDW Tabela 4.27 Descrição dos outputs do bloco BLC4.2_BDW Tabela 4.28 Descrição dos inputs do bloco BLC4.3_CPC vii

10 Tabela 4.29 Descrição dos outputs do bloco BLC4.3_CPC Tabela 4.30 Descrição dos inputs do bloco BLC4.4_DES Tabela 4.31 Descrição dos outputs do bloco BLC4.4_DES Tabela 4.32 Descrição dos inputs do bloco BLC4.5_ORD Tabela 4.33 Descrição dos outputs do bloco BLC4.5_ORD Tabela 4.34 Descrição dos inputs do bloco BLC4.6_VRF Tabela 4.35 Descrição dos outputs do bloco BLC4.6_VRF Tabela 5.1 Características das linhas simuladas Tabela 5.2 Características dos transformadores de potência Tabela 5.3 Parametrização da função "AVR" na simulação offline Tabela 5.4 Características dos transformadores de potência Tabela 5.5 Parametrização nominal da mala de ensaios Tabela 5.6 Configuração dos transdutores 7KG Tabela 5.7 Configuração da função "AVR" para a simulação online Tabela 5.8 Ligações das cartas de entradas digitais nas réguas de bornes Tabela 5.9 Ligações da carta de entradas analógicas na régua de bornes Tabela 5.10 Descrição das ligações da carta de saídas digitais na régua de bornes Tabela 5.11 Ligações da 7SJ enquanto comutador de tomadas Tabela 5.12 Valores da simulação para transformadores em paralelo Tabela 0.1 Resultado do cálculo das correntes reactivas de circulação viii

11 Lista de Abreviações Desvio da tensão ACP - Automação, Controlo e Protecção AVR Automatic Voltage Regulator AT Alta Tensão AU Automation Unit BMT Bloqueio por mínimo de tensão IEC International Electrotechnical Commission Corrente complexa no secundário do transformador Corrente complexa de circulação entre o transformador x e transformador y Corrente complexa de carga IL Instruction List LDC - Line-Drop Compensation. Relação de transformação do transformador MT Média Tensão PLC Programmable Logic Controller QEE Qualidade da Energia Eléctrica Resistência de parametrização do LDC SEE Sistema de Energia Eléctrica Identificação do transformador x Módulo da tensão base/ tensão referência (valor eficaz) Tensão complexa no primário do transformador Tensão complexa à saída do transformador ideal Figura 2.3 Transformador com regulação de tensão Tensão complexa no secundário do transformador Reactância de parametrização do LDC - Impedância de curto circuito do transformador vista do secundário ix

12 1. Introdução 1.1 Enquadramento Os Sistemas de Energia Eléctrica em corrente alternada funcionam com frequência e tensão constantes. Esta característica implica a existência de métodos de controlo que permitam manter os valores nominais dentro de limites aceitáveis. A tensão é uma grandeza de carácter local e a sua regulação é efectuada ao longo de todo o sistema, sendo por isso alvo de diferentes técnicas desde a produção ao consumidor final. Ao nível do transporte e distribuição são frequentemente utilizados transformadores de potência com regulação em carga, os quais compensam variações de tensão que ocorrem ao longo do sistema, alterando a relação de transformação por meio de um comutador instalado num dos enrolamentos geralmente o de tensão mais elevada, ao qual corresponde a menor intensidade de corrente. As ordens para o comutador de tomadas são geradas pela função de Regulação Automática de Tensão, presente nos autómatos na subestação. Os métodos de cálculo desta função diferem entre as diferentes marcas de autómatos disponíveis no mercado e são estudados no decorrer deste trabalho. O funcionamento base da função compara permanentemente a tensão aos terminais do transformador com um valor de referência, emitindo uma ordem aos dispositivos de comando dos comutadores de tomadas se o desvio admissível for excedido durante um tempo pré-fixado, resultando assim, o aumento ou a diminuição do valor da tensão secundária. O algoritmo da regulação automática deve considerar outros factores por forma a optimizar o seu resultado. Desde logo, a regulação em paralelo de transformadores de potência minimizando as correntes de circulação que surgem neste tipo de exploração, assim como deverá interagir com outros automatismos presentes na subestação, cuja actuação influencie o perfil da tensão a regular como o accionamento de baterias de condensadores ou funções de deslastre de carga. 1.2 Objectivos Com a realização deste trabalho pretende-se desenvolver o software de regulação automática de tensão, necessário para que a unidade remota de teleacção da Siemens AK 1703 execute a função nas subestações de distribuição de energia. As funcionalidades desenvolvidas deverão ter como base soluções de pesquisa no domínio da automação de energia apresentadas nos últimos anos, de forma a utilizar a solução mais robusta, numa perspectiva de optimização de desempenho da função. A função desenvolvida deverá ser testada e os resultados obtidos validados através de testes realizados em laboratório, sendo que numa fase final o regulador deverá ser instalado num sistema de comando e controlo de uma subestação que esteja em construção. 1

13 1.3 Estrutura da Dissertação A dissertação é constituída por 6 capítulos. No capítulo 1 é feito o enquadramento do trabalho e são apresentados os objectivos na realização do mesmo. No capítulo 2 é feito o estudo sobre a temática da regulação automática de tensão, onde são descritos os principais componentes: o transformador com comutação de tomadas e a automação de regulação de tensão. No capítulo 3 são apresentadas as principais características da solução de automação da Siemens hardware e software onde é desenvolvida a função de regulação automática, assim como o protocolo utilizado no desenvolvimento de novas funcionalidades de acordo com a norma IEC O capítulo 4 descreve o processo de desenvolvimento da função. Começa-se por listar as funcionalidades exigidas e posteriormente são explicados os algoritmos criados para responder às especificações. Na última parte deste capitulo é feita uma descrição funcional dos blocos criados para a função de automação. Os testes funcionais e resultados obtidos são apresentados no capítulo 5, sendo descritos os processos utilizados nos testes, através da validação de valores: em modo offline utilizando o simulador da ferramenta de desenvolvimento; e em funcionamento online com valores recebidos do exterior da função, simulados por uma estrutura de ensaios presentes no laboratório de testes. No capítulo 6 são feitas as considerações finais deste trabalho e propostas novas funcionalidades que podem contribuir para o melhoramento e aperfeiçoamento da função criada. 2

14 2. Estado de arte Regulação de Tensão 2.1 Regulação de tensão nos Sistemas de Energia Eléctrica O Sistema de Energia Eléctrico é altamente dinâmico, e no espaço de um dia verificam-se alterações tanto pela inconstância da carga como, mais recentemente pela injecção de energia de forma descentralizada, proveniente de fontes eólica ou solar a horas não programadas. As perturbações referidas modificam o valor de tensão nos diferentes pontos da rede, sendo por isso necessário meios de regulação ao longo de todo o sistema energético no intuito de manter o seu valor dentro dos limites admissíveis. A tensão é uma grandeza de carácter local que depende fortemente dos trânsitos de potência reactiva, logo o controlo de tensão/potência reactiva é efectuado quer central quer localmente desde a geração até aos consumidores finais. As exigências na sua regulação não são tão severas quanto as da frequência, sendo normalmente aceite uma banda de variação de ±5% do valor nominal. Os métodos utilizados diferem de acordo com a zona da rede em questão, como representado na figura 2.1. Figura 2.1 Regulação de tensão nos sistemas de energia A regulação de tensão na geração é feita através do controlo do sistema de excitação dos geradores síncronos, produzindo ou absorvendo potência reactiva de acordo com a corrente de excitação quando sub-excitados, os geradores consomem potência reactiva e com o aumento da corrente de excitação aumenta a potência reactiva produzida. Outra forma de controlo de tensão representada na figura prende-se com a injecção de potência reactiva em locais estratégicos da rede, como é estudado no ponto deste trabalho. No caso limite, toda a energia reactiva deveria ser produzida localmente onde é consumida, para que o perfil da tensão ao longo da rede seja aproximadamente uniforme. Em termos práticos é possível injectar potência reactiva através da instalação de: Condensadores e bobines em paralelo; Condensadores em série; Compensadores síncronos; Compensadores estáticos. Ao nível do transporte e da distribuição, a regulação de tensão é feita através de transformadores com comutação de tomadas. Estes permitem compensar variações de tensão que inevitavelmente ocorrem ao longo do sistema, através da alteração da relação de transformação 3

15 aumentando ou diminuindo a tensão aos seus terminais, tal como aprofundado no ponto seguinte deste trabalho. A variação da relação de transformação que o comutador de tomadas proporciona altera o fluxo de potência reactiva entre os subsistemas ligados ao transformador, o que acarreta uma modificação do perfil de tensão. Logo, numa rede malhada, é necessário coordenar o controlo dos comutadores de tomadas em todos os transformadores que interligam dois níveis de tensão. As ordens para o comutador de tomadas dos transformadores são determinadas pela função de regulação automática de tensão, presente nos autómatos na subestação e assunto deste trabalho. 2.2 Transformadores com comutação de tomadas O transformador é um dos componentes essenciais dos Sistemas de Energia Eléctrica, permitindo alterar a tensão de uma rede para o nível mais adequado à função que esta desempenha. Se este for dotado de um comutador de tomadas, como o que se encontra representado figura 2.2, pode ainda ser utilizado como regulador de tensão. Figura 2.2 Comutador de tomadas para transformadores O comutador de tomadas permite variar a relação de transformação entre o primário e o secundário do transformador, alterando o número de espiras do enrolamento (equação 2.1 (1) ). De maneira geral, este é instalado no lado da tensão mais elevada o qual é percorrido pela corrente mais baixa. Em subestações de distribuição isso verifica-se no enrolamento primário, onde está ligada a alta tensão logo a alteração da relação de transformação permite regular a média tensão ligada ao secundário do transformador. Onde: m Relação de transformação; (2.1) V 1n Tensão nominal do primário do transformador; V 2n Tensão nominal do secundário do transformador; V 1 Desvio de tensão causado pela alteração do número de espiras. 4

16 A comutação de tomadas pode ser em vazio ou em carga. Neste último caso, o comutador é accionado por um motor controlado automaticamente que mantém a tensão no barramento especificado dentro de limites definidos (uma vez que a variação da relação de transformação não é continua, não é possível regular a tensão para um valor exacto). Devido às condições a que está sujeito durante o seu funcionamento, o comutador em carga é um elemento dispendioso e do ponto de vista de fiabilidade constitui um ponto fraco do transformador. Num transformador com regulação em vazio (caso dos transformadores de distribuição), a gama de regulação v é tipicamente ±5% em escalões de 2,5 %. Por sua vez, os transformadores que têm regulação em carga (caso dos transformadores de rede), a gama de regulação é em geral ±10/15%, em escalões de 1%. O transformador com regulação pode ser modelado de modo simplificado por um transformador ideal com relação de transformação m em série com a impedância de curto-circuito Zcc, resultando o esquema monofásico equivalente, tal como apresentado na figura 2.3. Figura 2.3 Transformador com regulação de tensão a) Esquema unifilar b) Esquema monofásico equivalente Analisando o circuito da figura 2.3 b, obtêm-se as equações: (2.2) V 1 Tensão complexa aos terminais do primário do transformador; V 1 Tensão complexa à saída do transformador ideal. A tensão à saída do transformador ideal é calculada pela equação 2.3 (2.3) V 2 Tensão complexa aos terminais do secundário do transformador; Z cc Impedância de curto-circuito do transformador, vista do secundário; I 2 Corrente complexa à saída do transformador. Combinando as equações anteriores é formulada a equação 2.4, que relaciona as tensões à entrada e saída do transformador (2.4) 5

17 2.3 Função de Regulação Automática de Tensão Os comutadores de tomadas dos transformadores de potência da subestação recebem ordens de subir ou descer da função de Regulação Automática de Tensão (AVR Automatic Voltage Regulator), a qual é executada a partir dos autómatos presentes na subestação. Esta função permite calcular a tomada mais indicada em cada instante considerando os valores aos terminais do transformador que controla, assim como as funções em execução na subestação que podem alterar o perfil de tensão, tal como representado esquematicamente na figura 2.4. Figura 2.4 Intervenientes da regulação automática de tensão A função compara permanentemente a tensão do barramento com um valor de referência prédefinido, calculando o desvio nesse instante. Se o desvio admissível for excedido durante o tempo parametrizado é emitida uma ordem de subir ou de descer aos dispositivos de comando dos comutadores de tomadas em serviço dos transformadores do barramento em questão. O módulo base de cálculo apresentado previamente deve ainda considerar outras funções em execução na subestação e detectar alterações topológicas que influenciem o perfil da tensão a regular. Para além disso, a função é complementada com funcionalidades adicionais, assim como a emissão de sinalizações de acordo com a monitorização de parâmetros, descritas de seguida. 6

18 2.3.1 Regimes de funcionamento A função de regulação de tensão deverá apresentar obrigatoriamente dois regimes de funcionamento distintos (2) : Manual A acção de Regulação Automática de Tensão está inibida e é feito o comando voluntário do comutador de tomadas em serviço localmente ou remotamente. Automático A acção de Regulação Automática de Tensão é permitida e o comando do comutador de tomadas pelo utilizador não é permitido. Em última instância, estes regimes podem ser considerados como o interruptor desta função: permitem ligar ou desligar a emissão de ordens. Adicionalmente, a colocação da função em modo manual deverá atribuir ao automatismo os seus valores iniciais, funcionando desta forma como um reset da função Configuração da subestação As subestações são dotadas de equipamento de protecção e corte disjuntores e seccionadores representados esquematicamente na figura 2.5, cujo accionamento pode alterar a capacidade de entregar energia num determinado barramento. Figura 2.5 Ligações numa subestação de distribuição Estando em serviço, a subestação é sujeita à acção destes equipamentos devido à imprevisibilidade do SEE, pois estes respondem perante a ocorrência de curto circuito, solicitações de potência adicional ou até mesmo o excesso/falta de tensão ou corrente no sistema. A função de regulação automática deve determinar continuamente a topologia da subestação a partir da base de dados representativa da posição dos diferentes órgãos dos painéis AT e MT do transformador e dos painéis MT de fecho ou paralelo de barras, reconhecendo os transformadores que estão ligados a cada um dos barramentos ou semibarramentos MT e, consequentemente, saber se estão em serviço, em funcionamento individual ou em paralelo. A actuação da função é ao nível de cada um dos barramentos ou semibarramentos de média tensão da subestação, comandando os comutadores de tomadas em serviço dos transformadores ligados a esse barramento. Esta deve actuar simultaneamente nos transformadores ligados a barramentos separados, e nos transformadores ligados em paralelo de forma completamente independente. 7

19 A parametrização da função em funcionamento individual pode ser diferente em cada semibarramento. No entanto, se os barramentos forem interligados, deve ser garantida a mesma parametrização em todos os transformadores do grupo. Um caso particular de parametrização é o regime de funcionamento ( Manual / Automático ) que pode ser diferente em cada um dos barramentos. Porém, se dois barramentos em funcionamento individual apresentarem regimes de funcionamento diferentes e se for estabelecido o paralelo entre eles, o regime Automático prevalece sobre o regime Manual e passará a abranger todos os transformadores ligados ao barramento resultante da interligação, de acordo com a tabela 2.1. Condições iniciais (Comando individual) Condições finais (Comando em paralelo) AVR 1 AVR 2 AVR 1 AVR 2 Manual Manual Manual Manual Manual Automático Automático Automático Automático Manual Automático Automático Automático Automático Automático Automático Tabela 2.1 Regime de funcionamento na passagem para paralelo Estabelecido o paralelo dos transformadores, a mudança do regime de funcionamento num deles deverá ser simultaneamente repercutido no outro, de acordo com a tabela 2.2. Ordem voluntária a um dos reguladores de tensão (Comando paralelo) Condições finais (Comando paralelo) AVR 1 AVR 2 Manual Manual Manual Automático Automático Automático Tabela 2.2 Regimes de funcionamento em paralelo Na rede de distribuição da EDP existem no máximo três transformadores a comandar em cada subestação e três barramentos cuja tensão deve ser regulada. Consequentemente, numa subestação com a configuração máxima prevista três transformadores e três semi barramentos deverá ser possível comandar três transformadores em paralelo se os semibarramentos estão todos interligados; ou o comando individual de cada um dos transformadores, caso os semibarramentos se encontrem separados. 8

20 2.3.3 Comando de transformadores em paralelo A operação de transformadores em paralelo é muito habitual em subestações de transporte e distribuição de energia, com mais relevância no desempenho da rede, devido à segurança, fiabilidade e robustez que introduzem no sistema, garantidas pelas seguintes características: Fornecimento ininterrupto de energia em caso de falhas de um dos transformadores; Divisão da potência entre transformadores, não sobrecarregando nenhum deles; Aumento da capacidade de entregar potência naquele ponto da rede; Apesar das vantagens apresentadas, verifica-se que neste tipo de tipologia existe a formação de uma corrente de circulação entre transformadores, representada na figura 2.6 que, sob condições adversas, pode atingir valores que levam à saturação dos transformadores, diminuindo o seu rendimento. Figura 2.6 Circuito equivalente da operação de transformadores em paralelo Correntes reactivas de circulação As correntes de circulação surgem quando se verificam diferentes tensões aos terminais dos transformadores ligados em paralelo. Assumindo que estes transformadores são alimentados pela mesma tensão (igual tensão no primário) e recorrendo à manipulação da equação 2.4, vem: (2.5) Onde Tx corresponde à identificação do transformador do grupo de T1 a Tα. Da análise da equação 2.5, concluiu-se que a diferença de tensões pode ser criada pela posição da tomada de cada transformador provocando diferentes relações de transformação ou 9

21 simplesmente por estes apresentarem diferentes características construtivas, ou seja, diferentes impedâncias de curto-circuito. Considerando agora as correntes de circulação, as correntes no secundário dos transformadores são calculadas pelas equações seguintes (2.6) Onde: I 2 Tx Corrente total que circula no secundário do transformador Tx; I L Tx Corrente no secundário do transformador Tx devido à solicitação da carga; I cir TxTy Corrente de circulação entre os transformadores Tx e Ty. As equações 2.6, 2.7 e 2.8 demonstram que neste exemplo o transformador 1 é adicionalmente carregado com todas as correntes de circulação, enquanto que todos os outros estão aliviados pelas correntes de circulação. Por sua vez, a corrente total na carga é calculada através da equação 2.9 Substituindo as equações 2.6, 2.7 e 2.8 na equação da corrente da carga, resulta Verifica-se que todas as correntes de circulação são eliminadas, sendo possível concluir que estas são independentes da corrente solicitada pela carga, obtendo-se Feita esta consideração é possível calcular a amplitude e o ângulo das correntes de circulação, assumindo que os transformadores se encontram em vazio. Conhecendo as tensões aos terminais dos transformadores ideais definidos no capítulo 2.2, as suas impedâncias de curto-circuito Z cc e desprezando a impedância da ligação entre eles, a corrente de circulação calcula-se através da equação (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) (2.11) De maneira geral as impedâncias dos transformadores são fortemente indutivas e a parte activa pode ser desprezada, logo estas correntes são frequentemente chamadas correntes reactivas de circulação. Acresce a este facto que os valores das impedâncias são habitualmente baixos, por conseguinte resultam correntes de circulação bastante consideráveis, tal como demonstrado nos resultados do programa de cálculo das correntes perante a variação das relações de transformação apresentados no anexo 1. (2.12) 10

22 Desequilíbrio de regulação entre transformadores A exploração de transformadores em paralelo levanta outra questão em termos de regulação relacionada com o valor da tensão no barramento ser alterada parcialmente quando apenas um dos transformadores altera a sua relação de transformação (3). Em termos práticos, se as impedâncias de curto-circuito de todos os transformadores são iguais e um dos transformadores apresenta uma diferença V x, a tensão no barramento é dada pela equação 2.13: Onde: n Representa o número de transformadores ligados em paralelo; V x Diferença de tensão que o transformador x apresenta em relação aos restantes transformadores em paralelo; Esta equação demonstra que para o caso de n=3, três transformadores ligados em paralelo, com a mesma impedância, a variação de tensão de um transformador afecta a tensão no barramento em apenas um terço, logo se a tensão dos transformadores com regulação mais alta for compensada pelos transformadores com as tomadas mais baixas a tensão será ajustada, no entanto irão circular correntes reactivas. (2.13) Métodos de regulação de transformadores em paralelo As dificuldades para regular transformadores em paralelo apresentadas anteriormente representam um problema para os exploradores da rede e fornecedores de dispositivos de regulação automática (3),(4), existindo por isso vários estudos na área relativos à solução que minimize os impactos criados (5), (6). Por forma a conhecer o actual estado da tecnologia, apresentam-se de seguida as principais metodologias utilizadas pelos fabricantes e defendidas pelos investigadores desta matéria. Procedimentos que só consideram a tensão Nestes procedimentos a regulação é feita de forma a que todos os transformadores apresentem a mesma posição de tomadas. Este tipo de regulação representa a filosofia mais simples, na qual os cálculos das ordens para o comutador consideram apenas as tensões aos terminais de um dos transformadores e todos os outros recebem essas ordens. Devido ao seu modo de funcionamento, este é indicado para transformadores com características idênticas. Caso as características sejam distintas é necessário adaptar os valores, de forma a que a posição seja equivalente à mesma tensão em circuito aberto. Em termos gerais para a obtenção de bons resultados de regulação com este método as características deverão diferir no máximo 10%. Master/Slave (Controlo Síncrono na alteração de tomada) Nesta técnica um dos controladores assume o papel de master, funcionando assim como controlador principal, enquanto que os outros reguladores limitam-se a seguir as ordens enviadas pelo master. O 11

23 master deve comparar continuamente a posição da sua tomada com a posição da tomadas dos slaves, se existir um desvio o master garante que os restantes alteram para a mesma posição que este apresenta. Master/Follower (Automatic Synchronism) Neste procedimento o slave é dotado de alguma inteligência e consegue ler activamente a posição da tomada do master, conseguindo posicionar-se independentemente, copiando a posição do master. A regulação com este método permite ainda a introdução de um offset na posição das tomadas para que seja possível a sua utilização em transformadores com características diferentes. Os métodos apresentados revelam-se bastantes práticos e de desenvolvimento intuitivo, mas não respondem aos problemas levantados neste capítulo relativamente às correntes de circulação. Nota-se ainda uma grande dependência na troca de informação entre transformadores, sendo por isso fundamental que estes métodos sejam dotados de sistemas de verificação e atribuição automática de um novo master, perante a avaria deste ou até uma falha de comunicação entre reguladores. Procedimentos que consideram as correntes reactivas de circulação Estes procedimentos consideram novas variáveis no sentido de minimizar as correntes reactivas de circulação através do ajustamento mais adequado de tomadas. A realização dos seus cálculos está dependente do conhecimento das correntes em dois pontos distintos: Saída dos transformadores de potência; Saída do barramento nos painéis de saída da subestação. A medição da corrente reactiva no transformador não é suficiente, uma vez que esta também pode ter origem numa carga indutiva. No entanto, considerando os dois pontos da subestação, a proporção de corrente reactiva solicitada pela carga é matematicamente eliminada no processo (como verificado anteriormente na equação 2.10). O valor da corrente entregue à carga pode ser determinado pela soma vectorial das correntes de todos os transformadores ou medido directamente no barramento de saída da subestação através de um transformador de corrente adicional neste ponto. O conhecimento adicional da corrente permite calcular a potência aparente entregue pelo transformador e pelo grupo, assim como as suas componentes activas e reactivas, uma vez que já é possível determinar o desfasamento entre tensão e corrente e o respectivo factor de potência. I sinδ procedure Trata-se do procedimento mais simples no tratamento das correntes de circulação, considerando que todos os transformadores têm características semelhantes e como tal a corrente de circulação é igual para todos os ramos. O seu principio de funcionamento resulta da análise directa do circuito da figura 2.6, e dos resultados da equação 2.10, onde se verifica que as correntes de circulação são independentes da corrente solicitada pela carga. A corrente reactiva de circulação em cada transformador é calculada dividindo a corrente reactiva entregue pelo grupo pelo número de transformadores, subtraindo este valor à corrente reactiva que passa em cada transformador de acordo com a equação

24 Onde: (2.14) I cirq Tx Corrente reactiva de circulação do transformador x; I 2Q Tx Corrente reactiva no secundário do transformador x; I Q Gx Corrente reactiva entregue pelo grupo de transformação x; I sin φ procedure Este método é uma expansão do método anterior que considera as diferentes características dos transformadores. O seu cálculo é baseado não só nas correntes reactivas do sistema, mas também nas potências que cada transformador entrega, permitindo assim determinar a corrente que passa em cada ramo de acordo com a equação Neste caso a corrente reactiva entregue pelo grupo é ponderada pelos diferentes transformadores de acordo com a potência que cada um entrega em cada instante e a potência entregue pelo grupo. Onde: S Tx Potência entregue pelo transformador x; (2.15) S Gx Potência entregue pelo grupo de transformadores. I cos δ procedure Nos procedimentos anteriores é necessário conhecer os valores instantâneos dos diferentes transformadores, para efectuar os cálculos das diferentes correntes. No entanto, o sistema de energia elétrica é passível de falhas imprevisíveis, as quais podem limitar ou destruir a comunicação desses valores. Como tal, foi desenvolvido este método de cálculo, que permite fazer ou continuar a regulação dos transformadores quando a informação da restante rede não está disponível. O procedimento é baseado na criação de um setpoint da rede onde o regulador está inserido. A criação do setpoint consiste na observação e registo da corrente reactiva no transformador e no barramento de saída quando a rede está a funcionar correctamente e em condições nominais. Em caso de falha da rede a regulação é feita pela simples comparação do valor actual da corrente no transformador com o valor definido no setpoint, ou seja: se a corrente reactiva actual for superior, o transformador deverá descer; caso contrário o comutador deverá subir a tomada. Os métodos previamente apresentados representam as principais formas de regulação utilizadas na actualidade. Verifica-se que aqueles que consideram as correntes de circulação são mais independentes e não necessitam de receber a posição de tomadas de cada comutador, efectuando os cálculos individualmente. No entanto, estes implicam a existência de mais componentes (TI s), logo é necessário adequar o método utilizado às condições de cada instalação. 13

25 2.3.4 Compensação da queda de tensão na linha As redes de transporte e distribuição extensas verificam quedas de tensão significativas ao longo das linhas, devido à sua impedância característica. A existência desta queda de tensão implica que o nível de tensão no barramento secundário da subestação não seja o mesmo no ponto de entrega da energia, ou seja, mesmo que a tensão esteja regulada na saída de subestação, isso não se verificará no ponto de consumo. Em resposta a este problema, surge o LDC - Line-Drop Compensation (7), cujo principal objectivo é manter a tensão constante no consumidor e não no barramento secundário do transformador. O seu principio de funcionamento é baseado no circuito da figura 2.7, onde estão representadas as diferentes quedas de tensão do sistema a analisar. Figura 2.7 Queda de tensão na linha A malha formada desde o barramento secundário do transformador até à carga, é traduzida pela equação 2.16, onde se verifica a influência da queda de tensão na linha. (2.16) O cálculo da queda de tensão na linha pode ser efectuado pela equação 2.17, onde se verifica que esta varia com o valor da corrente I à saída da subestação e com os parâmetros R L e X L resistência e a reatância da linha. (2.17) Combinando as duas equações anteriores, resulta a equação 2.18 que representa o principio de funcionamento deste método, no qual o regulador considera um valor de tensão na saída da subestação superior para diminuir a variação da tensão no final da linha. (2.18) Um dos modos clássicos para ajustar os parâmetros do regulador para cada ponto de regulação denomina-se Centro de Carga. Este método entra em conta com os valores dos transformadores de corrente e de tensão que fornecem os valores para o regulador de acordo com a montagem típica apresentada na figura

26 Figura 2.8 Esquema base do método Centro de Carga A montagem apresentada permite que o controlador ajuste a tomada de acordo com a tensão fornecida pelo transformador de tensão (TT) somando a tensão do circuito compensador de queda de linha. Para isso, o cálculo dos parâmetros é feito de acordo com as equações 2.19 e (2.19) Onde: (2.20) R ajuste Ajuste do regulador para compensação resistiva [V]; X ajuste Ajuste do regulador para compensação reativa [V]; I n Valor do secundário do transformador de corrente [A]; r TT Relação de transformação do transformador de tensão; r TI Relação de transformação do transformador de corrente; R L Resistência da linha até ao ponto de regulação [Ω]; X L Reatância da linha para o ponto de regulação [Ω]. A utilização deste método levanta alguns problemas quando: na saída de subestação estão ligadas várias linhas com diferentes características; ou a carga está distribuída ao longo linha. Como a regulação é feita para um ponto concreto da rede, toda a rede a montante vê uma tensão superior enquanto que a jusante se verificam tensões inferiores. Em tom conclusivo, o método de compensação da tensão na linha funciona perfeitamente para cargas distribuídas uniformemente ao longo da linha, com uma impedância também uniforme ou para uma carga no final da linha. Caso contrário, poderão surgir sobretensões nos consumidores mais próximos da subestação e subtensões para consumidores mais distantes. 15

27 2.3.5 Comando de baterias de condensadores As baterias de condensadores permitem cancelar o excedente de potência reactiva solicitada pelas cargas indutivas ou outras cargas com baixo factor de potência, diminuindo assim a corrente e consequentemente as perdas nas linhas (P P =R*I 2 ). Isto significa que a correcta aplicação de bancos de condensadores pode aumentar a eficiência do sistema e reduzir a queda de tensão. Porém o seu uso incorrecto pode significar maiores perdas e sobretensões. A instalação pode ser efectuada em paralelo para compensar potência reactiva, elevando a tensão naquele ponto, ou em série passando a funcionar como um regulador de tensão automático comandado pela corrente, compensando a reatância da linha. Existem dois tipos de baterias de condensadores disponíveis no mercado: Baterias de condensadores fixas São dimensionados de acordo com a instalação, entregando constantemente a mesma potência, sendo por isso mais baratos; Baterias de condensadores chaveados Apenas são colocados em serviço de acordo com a necessidade do sistema, implicando assim a existência de um software de controlo de ligação à rede. Devido à diminuição dos custos das tecnologias, muitos sistemas utilizam baterias de condensadores com controlo automático cujas principais estratégias de despacho para controlo remoto de condensadores são: Realizado pelo operador; Diário programado; Mediante medições na subestação; Combinação entre medições de variáveis na subestação e ao longo da linha; Uma vez que a ligação das baterias de condensadores altera o perfil da tensão, esta deve ser considerada pela função de regulação automática de tensão. A EDP utiliza em algumas das subestações de distribuição a função comando de baterias de condensadores (8), logo deverá ser garantida uma interação entre as duas funções. A função de regulação automática deverá permitir a diminuição da tensão de base uma percentagem pré-fixada e parametrizável, por ordem da função comando de baterias de condensadores no instante programado de ligação de uma bateria ao barramento em questão. Perante este sinal, a função regulação de tensão deverá emitir ordens de descer até ao restabelecimento do equilíbrio entre a tensão medida e a nova tensão referência. Estabelecido o equilíbrio, a função AVR informará a função comando de baterias de condensadores, desencravando a emissão da ordem de fecho ao disjuntor da bateria e a tensão de base do barramento em questão deverá retomar o valor inicial. 16

28 2.3.6 Funções de deslastre A função de deslastre ocupa um papel primordial nas redes de energia, uma vez que permite responder a situações extremas que sujeitem a rede aos valores inadmissíveis referidos no ponto 2.1. A causa mais habitual que pode despertar esta função, prende-se com a geração insuficiente para servir a carga do sistema saída não programada de um grupo ou central e as linhas de interligação não dispõem de capacidade de transporte suficiente nestes casos a frequência experimenta uma redução sustentada no tempo e a partir de uma diminuição da ordem de 1 Hz, existe o risco de um apagão geral, sendo activadas as funções de deslastre. O deslastre de carga é desencadeando automaticamente por relés, os quais desligam selectivamente blocos de consumidores, de forma a repor o equilíbrio entre a geração e o consumo, em duas situações distintas: Reposição por tensão Para prevenir a passagem do valor máximo admissível da tensão, devido à diminuição da carga; Reposição por frequência Quando o consumo é superior à produção. A função de regulação automática de tensão deverá receber a informação quando os programas de deslastre são activados, para prevenir a passagem do valor máximo admissível da tensão, devido à diminuição da carga provocada pela acção dos respectivos programas de deslastre. Neste caso o regulador deverá dar ordem ao comutador para se colocar na tomada de referência, caso esta se encontre definida e o regulador esteja em modo automático. Ao regressar a tensão a um barramento, após a execução do programa de deslastre por falta de tensão, a característica de tempo-desvio deve ser comutada para tempo inverso em relação ao barramento em questão. O retorno à característica tempo independente verificar-se-á quando a função deslastre/reposição por tensão voltar ao repouso. Por sua vez, perante a acção do programa de deslastre por mínimo de frequência a característica de tempo-desvio deve ser comutada para tempo inverso em relação a todos os barramentos da subestação e o retorno à característica tempo independente verificar-se-á quando a função deslastre/reposição por frequência voltar ao repouso Controlo da execução de ordens Após a emissão de uma ordem de subir ou de descer ao comutador de tomadas em serviço de um transformador, a função deverá verificar se alteração foi bem sucedida. Para isso, deverá ser disponibilizada a configuração de um tempo de espera depois da ordem ao comutador, correspondente à duração da mudança de tomada. Durante o tempo de comutação não deverão ser emitidas quais queres ordens, ficando a função num estado de standby. Findo o período de espera, a função deverá verificar qual a nova posição de tomada, garantindo assim que o comutador efectivamente mudou de tomada no sentido correcto. Se a mudança de tomada não tiver sido correctamente efectuada, a função deverá ficar bloqueada para o transformador em questão, e será emitida a sinalização avaria do dispositivo de comando do comutador de tomadas em serviço ordem não cumprida de acordo com a secção deste documento. 17

29 2.3.8 Sinalizações A correcta execução da função de regulação automática está dependente de vários factores que deverão ser constantemente monitorizados. Alguns dos problemas que podem surgir durante o seu funcionamento apenas são resolvidos com a intervenção do responsável pela subestação. Logo, a função deve ser dotada de lógica que permita emitir ordens para um centro de comando, para que os operadores possam ser alertados. Na tabela 2.3 estão listadas as diferentes sinalizações que a função deverá emitir e os respectivos significados dos diferentes estados (8). Codificação Descrição Estado SNL_001 Modo de funcionamento 0 Manual (Default) 1 Automático SNL_002 Tensão de base reduzida x % [%] SNL_003 SNL_004 SNL_005 SNL_006 SNL_007 SNL_008 SNL_009 SNL_010 SNL_011 SNL_012 SNL_013 SNL_014 SNL_015 Tensão de base reduzida com vista à ligação de baterias de condensadores Característica de tempo desvio Ordem de subir Ordem de descer Bloqueio por mínimo de tensão Excesso de circulação de potência reactiva entre transformadores em paralelo Máximo de tensão Topo inferior Topo superior Avaria do dispositivo de comando do comutador de tomadas em serviço - ordem não cumprida Alarme de corrente de circulação Disparo por corrente de circulação Tomada de referência 0 Tempo independente (Default) 1 Tempo inverso 0 Em serviço (Default) 1 Fora de serviço Tabela 2.3 Lista de sinalizações emitidas pela função 18