Sistema de automação e controle de subestação de atendimento ao consumidor com planta de geração de energia própria a biogás

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1 Sistema de automação e controle de subestação de atendimento ao consumidor com planta de geração de energia própria a biogás Felipe Alexandre Castelari (Universidade Tecnológica Federal do Paraná) felipecastelari@hotmail.com Max Mauro Dias Santos (Universidade Tecnológica Federal do Paraná) maxsantos@utfpr.edu.br Resumo: Este trabalho apresenta uma forma de integração entre o atendimento de energia elétrica oriunda da rede da concessionária e da energia gerada a partir do aproveitamento de fontes próprias, tais como o biogás gerado a partir de processos agroindustriais. É descrita uma maneira de supervisionar e controlar essas duas fontes que trabalham de forma independentes, utilizando-se a tecnologia dos controladores lógicos programáveis CLP para automatizar o processo e assim fornecer a energia elétrica necessária de forma confiável as cargas. Também é apresentada uma forma de telecomando utilizando fibra óptica, a qual demonstra alta confiabilidade para ser utilizada neste tipo de aplicação, além das vantagens associadas à rapidez envolvida na comunicação. Palavras-chave: Subestação, Geração, Biogás, Fibra óptica, CLP. 1. Introdução O aproveitamento de recursos próprios para geração de energia elétrica vem ganhando espaço e tornando-se uma opção para grandes investimentos econômicos na área. Existem diversas maneiras de geração própria com possibilidade de implantação por empresários do ramo industrial e agroindustrial para reduzirem os custos produtivos em suas plantas. Será abordado neste trabalho o aproveitamento de geração de energia a partir do biogás gerado pelo subproduto da criação animal, bem como a instalação de uma casa de máquinas com grupos moto-geradores, e sua inserção para o uso em uma unidade agroindustrial. Há vários detalhes e conceitos que devem ser levantados na etapa de pré-projeto para a possível implantação de uma planta de geração própria, como, por exemplo, o tipo de conexão que existe entre a rede de distribuição da concessionária e a unidade em questão, a forma de entrega da energia, sendo que esta pode ser entregue em tensão primária ou secundária, o tipo de subestação de entrada de energia existente ou a ser construída e o posicionamento das subestações de transformação e forma de atendimento as cargas instaladas. O caso descrito neste artigo aborda o desenvolvimento de um sistema de automação e controle de uma subestação de atendimento de energia em tensão primária provinda da rede de distribuição da concessionária e uma planta de geração própria a ser instalada a 2 km de distância do ponto de entrega. A importância da automação desse caso vem da necessidade crescente em se ter sistemas cada vez mais inteligentes, autônomos, sem necessidade ou com o menor número possível de operadores, garantindo alta confiabilidade e diminuição de erros e perdas. Assim, a determinação de qual fonte que irá fornecer energia elétrica a unidade em determinado tempo será realizada por um sistema automático composto por CLPs e demais

2 equipamentos que irão realizar todo o trabalho lógico de supervisão e controle das operações. 2. Caso de estudo 2.1 Geração própria Neste trabalho é proposto o estudo de caso onde uma unidade consumidora de energia elétrica atendida pela concessionária tem a possibilidade de implantação de uma planta de geração de energia própria. A implantação de geração própria pelas indústrias, agroindústrias e no setor de prestação de serviços vem aumentando muito nos últimos anos, tendo em vista que sua aplicação diminui a dependência total da energia suprida pelas concessionárias, diminuindo perdas de produção em possíveis apagões, e também reduzindo custos de consumo mais caros no horário de ponta (MAMEDE FILHO, 2013). A auto geração permite às indústrias trabalhar de forma isolada do sistema de distribuição, ou seja, nos horários em que os grupo moto-geradores entram em operação a unidade se desconecta do fornecimento da concessionaria de energia que a atende, podendo trabalhar em casos de emergência onde o suprimento seja interrompido por problemas externos inerentes à transmissão e distribuição de energia, ou trabalhar de forma em que os grupo moto-geradores entrem em operação e trabalhem de forma paralela com o suprimento da rede externa. As plantas ou centrais de geração instaladas internamente em indústrias geralmente são térmicas, ou seja, utilizam como fontes primárias para a queima vários tipos de combustíveis como o óleo diesel, óleo combustível, carvão mineral, gás natural, biogás, biomassa. Seu princípio de funcionamento é baseado na queima de combustível pela máquina primária (motor), criando trabalho em seu eixo mecânico, o qual irá girar o eixo de um gerador elétrico. Geralmente é utilizado um gerador síncrono, tendo seu campo excitado por uma fonte externa, sendo essa fonte baterias externas, em que com o controle correto de velocidade e tensão de campo fara surgir em seus terminais externos tensão, os quais conectados as cargas elétrica irão suprir a energia com capacidade conforme levantado em projeto prévio. A matéria primária usada como combustível para o grupo moto-gerador é escolhida na fase de projeto da central geradora, aplicando-se o combustível que tenha um custo benefício melhor e que possua fácil disponibilidade no local de uso. O presente trabalho trata de um estudo de caso onde o combustível primário para a planta geradora será o biogás. 2.2 Biogás A produção de biogás pode vir de várias formas, como por aproveitamento de aterros sanitários, estações de tratamento de efluentes de esgoto doméstico e industrial, ambos concentrados em aproveitamento de recursos próximos as cidades e centros industriais, enquanto na área rural a possibilidade vem do aproveitamento dos resíduos sólidos e líquidos produzido da criação de animais como equinos, bovinos e suínos. Os resíduos oriundos da criação de suínos são um dos que se tem maior proveito, pois são animais criados em maiores confinamentos para a produção de carne em escala industrial, sendo esses confinamentos feitos em todas as etapas da vida do animal, havendo facilidade da coleta dos excrementos e processamento destes em comparação aos outros animais que são criados geralmente em fazendas, em campos abertos (BECK, 2007). A aplicação de um sistema de biodigestores, os quais realizam o processamento do material efluente para biologicamente transformar em gás, vai além da produção da mistura gasosa de metano e dióxido de carbono. Também realiza o importante trabalho de tratamento e de reaproveitamento dos efluentes do processo de criação animal, onde é processado todo o material sólido e líquido e ao final do processo obtém-se água que pode ser devolvida a natureza em condições adequadas para o retorno as bacias hidrográficas locais (PEREIRA et

3 al., 2015). Este projeto partirá do caso onde a geração terá como combustível primário o biogás proveniente de um sistema formado por biodigestores, que trabalharam com o aproveitamento dos resíduos dos excrementos de uma unidade de produção de suínos. A produção do biogás se dá de forma sustentável e renovável enquanto há o funcionamento da unidade, pois a implantação de uma rede de coleta de excrementos e efluentes do processo de criação dos suínos fornece uma grande quantidade do produto a ser processado pelos biodigestores, os quais irão utilizar a matéria descartada para geração do volume de gás, o qual é armazenado em balões para posterior utilização. 2.3 Atendimento de energia O atendimento de energia elétrica para o consumo em unidades industriais e agroindustriais depende da potência instalada e da demanda de energia da instalação, sendo que a partir de uma potência demandada superior a 75 kva o atendimento se dá pelo fornecimento em tensão primária de distribuição, onde no caso do estado do Paraná, essa tensão pode ser em 13,8 kv na região urbana e 34,5 kv para regiões mais afastadas da subestação de distribuição da concessionária (COMPANHIA PARANAENSE DE ENERGIA, 2013). No caso abordado neste estudo, o atendimento de energia pela concessionária é em tensão primária de distribuição no nível de 34,5 kv, onde para receber essa energia é prevista a instalação de uma subestação de entrada de energia, sendo este modelo construído nos casos de atendimento em unidades com demanda superior 300kVA de potência, tendo a medição do consumo de energia, o seccionamento e a proteção instalados na média tensão (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2005). Abaixo é mostrado na Figura 1 o diagrama unifilar da subestação de atendimento ao consumidor ou também referida como subestação de entrada de energia. Figura 1 Diagrama unifilar subestação de atendimento ao consumidor em MT 34,5kV Em diversos casos de instalações de unidades agroindustriais, as cargas elétricas não estão centralizadas em um único ponto ou instalados em um único prédio, podendo estar distribuídas em alguns casos por distâncias razoáveis variando entre poucos metros do ponto da subestação de entrada de energia até quilômetros deste. A distribuição de energia então é feita nos moldes da concessionária utilizando a média tensão, reduzindo perdas, queda de tensão e diminuição da seção dos condutores elétricos quando comparado a distribuição em tensão secundária. A distribuição em média tensão pode ser feita de forma subterrânea

4 utilizando cabos específicos para este fim, e de forma aérea, a qual torna-se, em inúmeros casos, a opção mais viável economicamente. Neste caso consideramos uma rede de distribuição aérea convencional, que distribui a energia em média tensão até os pontos de consumo, onde serão construídas subestações de transformação, para a conversão do nível de tensão de 34,5kV, para a baixa tensão de utilização industrial, neste caso de 380/220V. Abaixo na Figura 2 é apresentado o esquema da distribuição da energia em média tensão, que sai da subestação de entrada de energia até o atendimento nas subestações de transformação distribuídas pela instalação. Figura 2 Esquema unifilar da distribuição de energia em média tensão Na Figura 2 é visível o atendimento em vários pontos distribuídos da instalação, havendo previsão de cargas de cerca de 90% de motores trifásicos no volume total do consumo, com os 10% restantes distribuídos entre iluminação, aquecimento e outros serviços secundários a atividade principal da criação animal. Por esta característica, pode ser ainda vista na Figura 2 a necessidade da instalação de bancos de capacitores também distribuídos para a correção do fator de potência pontual em cada transformador instalado, sendo estes instalados na baixa tensão para a correção do fator de potência das cargas para o valor mínimo de 0, Proposição de instalação de geração própria É proposto para o caso de estudo o aproveitamento do biogás produzido pelo funcionamento dos biodigestores implantados na unidade de produção de suínos, considerando-se que o volume de biogás produzido terá capacidade para gerar a energia necessária para suprir a demanda das instalações de forma contínua, sendo a energia produzida consumida apenas pela unidade agroindustrial em questão, tornando assim a implantação de uma unidade autossustentável em questão energética. Para a realização deste projeto deve-se estudar os requisitos do sistema elétrico a ser instalado para a inserção desta energia de forma segura e confiável na planta. A forma de geração aqui proposta será isolada do sistema elétrico da concessionária, ou seja, a geração será isolada do sistema de distribuição da concessionária não havendo paralelismo com a rede externa de suprimento em nenhum momento. Poderia ser incluído neste projeto o paralelismo e a venda do excedente de energia gerada, mas há um interesse aqui em manter os reservatórios de biogás em níveis desejáveis para apenas suprir a geração própria, pois não se deseja que os grupo moto-geradores operem com pouca quantidade de combustível afetando a qualidade da energia gerada e o suprimento contínuo. Como nesse caso a unidade poderá ser atendida por duas fontes de energia elétrica independentes entre si, é necessário desenvolver uma forma em que o fornecimento provenha de apenas uma das fontes, assim será proposto e desenvolvido um modo de controlar e

5 intertravar qual das fontes irá fornecer e energia para as cargas, não devendo as duas fontes fornecer no mesmo momento. A Figura 3 mostra o diagrama da planta de implantação da casa de máquinas dos grupos moto-geradores propostos com os reservatórios de biogás instalados próximos. 3. Metodologia Figura 3 Planta da casa de máquinas A partir daqui serão discutidas as premissas de projeto da inserção da geração própria a partir do biogás produzido, assim como todos os requisitos de engenharia para inserção da energia gerada no sistema de distribuição de uso particular da unidade agroindustrial em questão. O grupo moto-gerador projetado terá a potência individual de 120/113kVA, sendo 120kVA de potência intermitente e 113kVA de potência que pode ser fornecida de forma contínua, com fator de potência de 0,8. Para o valor médio da demanda da instalação na faixa de 400kVA o projeto contará com uma casa de máquinas composta por quatro grupo motogeradores com as especificações referidas acima, projetados para gerar em baixa tensão nos níveis 380/220V. Cada gerador vem de fábrica com seu quadro de proteção e controle próprio individual, o qual é responsável pela proteção, fechamento do circuito em condições de operação, controle da injeção do combustível, controle de velocidade da máquina primária e secundária, frequência, controle de campo, controle de tensão gerada, corrente gerada, potências sendo geradas entre outros parâmetros inerentes ao grupo. Deverá ser instalado outro quadro centralizado, onde haja a ligação de força dos quatro moto-

6 geradores. Este equipamento recebe o nome de quadro de transferência automática ou simplesmente QTA, o qual é gerenciado e controlado pela USCA Unidade de supervisão de corrente alternada, que recebe informações tanto do barramento de rede quanto do de geração, para poder fazer o controle necessário. Uma das leituras necessárias é o de sincronismo entre as máquinas, as quais devem ser controladas individualmente e reguladas a partir de uma referência, para que possam trabalhar igualmente em frequência e amplitude para haver o paralelismo entre os geradores, sendo que a partir disso a USCA poder enviar a ordem para fechar ao contator principal de geração, conectando os grupos moto-geradores à rede alimentadora particular. Como a tensão gerada será em baixa tensão 380/220V, foi projetada para a conexão da rede particular com a geração uma subestação elevadora, tendo o transformador elevador uma capacidade de 500kVA. Na Figura 4 é mostrado o projeto unifilar do sistema de geração, o controle das unidades geradoras e a subestação elevadora. Figura 4 Diagrama unifilar geração e subestação elevadora Como a unidade se tornará autoprodutora de energia elétrica e trabalhará de forma isolada do sistema da rede da concessionária, será previsto que o disjuntor de média tensão da subestação de entrada trabalhe coordenadamente com o sistema de geração. Dessa forma, haverá o comando para a abertura deste nos casos em que a geração esteja pronta para assumir plenamente as cargas ou nos casos de emergência em que ocorra a falta de energia provinda da rede externa, ou ainda para que seja dado o comando de motorização e fechamento do disjunto de média tensão para que a rede externa da concessionária assuma novamente a cargas instalada. Na Figura 5 é mostrado o esquema proposto para o intertravamento das subestações (de atendimento e de geração) para que apenas uma delas assuma por vez a alimentação das cargas. O sistema a ser aplicado para comunicação, supervisão e controle deverá garantir com baixo grau de erro que as duas subestações trabalhem independentemente uma da outra, não podendo as duas entrar em paralelo. Como estas ficam a uma distância de pelo menos 2km, deverá ser instalado um canal confiável de comunicação para o telecomando. Quando as subestações, tanto de entrada de energia, transformação e geração são próximas é utilizado para a comunicação entre os sistemas de supervisão, controle e automação dos equipamentos

7 cabeamento de cobre, mas com o aumento das distâncias envolvidas, utilizar cabeamento como meio físico pode ter desvantagens tais como queda de tensão elevada, perdas, suscetibilidade a interferências eletromagnéticas, problemas por descargas atmosféricas e etc. Figura 5 Esquema de intertravamento das subestações via fibra óptica Existem outros meios vantajosos para se fazer o telecomando de subestações, como o via rádio que possui a vantagem de não precisar de cabos apenas utilizando o ar como meio de propagação, porém tendo a desvantagem de ter uma certa latência entre as informações transmitidas. Outro meio que vêm sendo cada vez mais utilizado é por fibra óptica, a qual é composta por um cabo construída em sílica, transportando os dados necessários em forma de ondas de luz, as quais se propagam pelo material por reflexão interna em altíssima velocidade (JARDINI, 1996). A fibra óptica será o material escolhido para a comunicação neste projeto por suas características como atenuação reduzida dos sinais enviados, sendo menos de 2,8dB por km, elevada capacidade de transmissão de dados, baixo peso e dimensões reduzidas, os quais proporcionam a fácil instalação em postes juntamente a rede de distribuição, e como já comentado, não sofre interferência eletromagnéticas (CREDER, 2007).

8 4. Projeto e resultados Para a realização do intertravamento das duas subestações será realizado um telecomando utilizando como meio uma fibra óptica monomodo. Em cada extremidade desta deverá ser considerada a instalação de um conversor de fibra óptica, que possui a finalidade de converter sinais elétricos em sinais luminosos para transmissão ou vice-versa. Para o caso será considerado que este conversor óptico emitirá os sinais a partir de um contato seco em uma das extremidades, o que a partir da comunicação irá resultar no fechamento de um contato seco do outro conversor. A Figura 6 mostra o esquema de telecomando utilizando o conversor de sinal óptico descrito acima. Para realizar a lógica da automatização das duas subestações será utilizado um controlador lógico programável CLP, que terá a tarefa de fazer a aquisição dos dados e variáveis envolvidas no processo, realizar o processamento lógico e por fim enviar para suas saídas sinais de comando aos atuadores e também realizar os intertravamentos necessários a partir de seu programa. Neste projeto, teremos um CLP instalado junto a subestação de entrada de energia, o qual terá a função de supervisionar as variáveis ali presentes, enviar sinais aos atuadores presentes e enviar sinais de saída ao conversor óptico para a comunicação entre a subestação de geração, onde haverá outro CLP que realizará tarefas semelhantes inerentes ao processo. Na Figura 7 apresenta-se o projeto físico de integração dos CLPs, conversores e as variáveis de entrada e saída do sistema (MORAES & CASTRUCCI, 2015). Figura 6 Conversores de sinais elétricos e ópticos

9 Figura 7 Projeto de integração entre subestações Na Tabela 1 a seguir é apresentado o endereçamento e função de cada entrada/saída (I/O) para o sistema lógico proposto no CLP 1. Tabela 1 Endereços de (I/O) do CLP 1 instalado junto a subestação de entrada de energia Entradas (I) Saídas (O) Tag Função I1.1 - Estado Disjuntor MT Ler estado do disjuntor (aberto ou fechado) I1.2 - Estado Relé secundário de proteção Ver se há algum trip de abertura do disjuntor de MT pela proteção I1.3 - Falha no Disjuntor de BT Ler a partir de informação do relé secundário se existe continuidade na bobina de abertura do Disjuntor Fonte: Autor (2017)

10 Tabela 1 Endereços de (I/O) do CLP 1 instalado junto a subestação de entrada de energia Entradas (I) Saídas (O) Tag Função I1.4 - Chave seccionadora Ler estado da chave seccionadora I1.5 - Confirmação que o contator de geração está fechado Recebe o sinal do CLP-2 que o contator do barramento de geração está fechado, fazendo que não seja possível fazer o fechamento do disjuntor de MT. - O1.1 Motorização do disjuntor MT Motorização do disjuntor de MT para carregamento das molas de fechamento. - O1.2 Bobina de Fechamento disjuntor MT Alimentar a bobina para fechamento do disjuntor de MT. - O1.3 Sinal sonoro - O1.4 Fonte: Autor (2017) Confirmação que o disjuntor de MT está aberto Emitir sinal sonoro em caso de algum erro no sistema. Manda ao CLP-2 sinal que o disjuntor de MT está aberto, liberando o contator de geração para poder entrar no sistema. Na Tabela 2 é mostrado o endereçamento e função de cada entrada/saída (I/O) para o sistema lógico proposto no CLP 2. Tabela 2 Endereços de (I/O) do CLP 2 instalado junto a subestação de geração Entradas (I) Saídas (O) Tag Função I2.1 - Estado do contator do barramento de geração Ler estado do contator Kg (aberto ou fechado). I2.2 - Estado da geração Ler estado da geração, se as máquinas estão em sincronismo entre si e podem assumir as cargas da instalação. I2.3 - I O2.1 - O2.2 Tensão no barramento de rede Estado do disjuntor de MT da subestação de entrada Bobina do contator do barramento de geração Confirmação que o contator do barramento está fechado Verificar se existe tensão no barramento para verificar se a concessionária ainda está suprindo a energia do sistema. Recebe o sinal do CLP-1 que o disjuntor de MT está aberto e a geração pode assumir as cargas. Alimentar a bobina para fechamento do contator Kg da geração, colocando este a suprir a energia do sistema. Manda ao CLP-1 sinal que o contator de geração está fechado, travando o fechamento do disjuntor de MT. - O2.3 Sinal sonoro Emitir sinal sonoro em caso de algum erro no sistema - O Fonte: Autor (2017)

11 Os dois CLPs deverão realizar a supervisão dos dados nos pontos em que estão instalados e também receber as leituras do estado um do outro. Só assim poderão assumir alguma função nos atuadores ligados em suas saídas lógicas. Abaixo, segue uma lista de premissas utilizadas no projeto dos controladores, sendo essas de observância obrigatórias nesta aplicação: O disjuntor de média tensão MT deverá ser aberto no momento em que houver algum sinal de trip do relé de proteção secundária instalados na subestação de entrada; O disjuntor de MT deverá ser aberto quando houver a confirmação que o grupo de geradores irá entrar em trabalho, tanto de forma manual, de forma automática e em caso de emergência no fornecimento pela concessionária; A geração deverá sempre estar com os grupos moto-geradores em sincronismo e em paralelismo para poderem assumir as cargas; A geração deverá sempre fazer a leitura de tensão de rede para considerar o sistema de fornecimento como barra morta para permitir que as máquinas assumam as cargas; A geração para poder assumir as cargas deverá esperar o sinal vindo da subestação de entrada dizendo que o disjuntor de MT está aberto e não há energia cruzando por ele provinda da rede da concessionária; Não é possível a geração ser desativada caso a chave seccionadora da subestação de entrada esteja aberta, nem mesmo o disjuntor de MT poderá ser fechado caso esta chave esteja aberta; A motorização das molas de fechamento do disjuntor de MT deverá ocorrer sempre após que este receba um sinal de trip ou abertura, para que as molas sempre estejam comprimidas para o próximo fechamento; Os sinais de alerta sonoros deverão ser ativados tanto no lado da geração quanto do lado da subestação de entrada de energia nos momentos em que ocorra algum erro na lógica do processo de religamento da energia, quanto na entrada da geração na rede, para possível averiguação pelos operadores do local. Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14039: Instalações elétricas de média tensão de 1,0kV a 36,2 kv. Rio de Janeiro: ABNT, BECK, A. M. O Biogás de Suinos como Alternativa Energetica Sustentável. XXVII Encontro Nacional de Engenharia de Produção. Foz do Iguaçu, COMPANHIA PARANAENSE DE ENERGIA. NTC : Fornecimento em Tensão Primária de Distribuição. Paraná: COPEL, CREDER, H. Instalações Elétricas. 15.ed. Rio de Janeiro: LTC, JARDINI, J. A. Sistemas Digitais para Automação da Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica. São Paulo: MAMEDE FILHO, J. Instalações Elétricas Industriais. 8.ed. Rio de Janeiro: LTC, MORAES, C. C. & CASTRUCCI, P. L. Engenharia de Automação Industrial. 2.ed. Rio de Janeiro: LTC, PEREIRA, M. S. & GODOY, T. P. & GODOY, L. P. & BUENO, W. P. & WEGNER, R. S. Energias

12 renováveis: biogás e energia elétrica provenientes de resíduos de suinocultura e bovinocultura na UFSM. Revista Eletrônica em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental Santa Maria, v. 19, n. 3, set-dez. 2015, p