Evolução e perspectivas de uso de fibras ópticas para o monitoramento amplo de sistemas elétricos subterrâneos.

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1 10ª edicao - Redes Subterraneas de Energia Eletrica Evolução e perspectivas de uso de fibras ópticas para o monitoramento amplo de sistemas elétricos subterrâneos. Apresentado por: Carlos A. M. DO NASCIMENTO, Cemig D Em nome das equipes: Cemig Distribuição S. A. Cemig D & Centro de Pesquisas e Desenvolvimento em Telecomunicacoes - CPqD O objetivo desta palestra é apresentar a evolução das tecnologias de sensoriamento baseados exclusivamente em fibras ópticas e aplicadas a monitoração de diversos parâmetros nos cabos subterrâneos de energia elétrica. Duas tecnologias básicas com testes de campo: (i) a tecnologia DTS (Distributed Temperature Sensing) e (ii) a tecnologia FBG (Fiber Bragg Grating) serão apresentadas. Outras perspectivas de uso das tecnologias ópticas serão explorados pela CEMIG D em conjunto com o CPqD. 04-junho-2014

2 Sumário Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico Ativos de Subestações, Linhas e Redes de Energia Monitoramento de Ativos (CAPEX, OPEX) Banda Larga Tecnologia de Sensores Opticos O equilibrista e o operador de Centro de Operacões Técnicas de monitoramento por fibras opticas Pontual Grade Bragg Distribuído - DTS e DTSS Outras técnicas Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Resultados Próximos passos Conclusões

3 Linhas e Redes de Energia Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico Monitoramento de Ativos: Objetivo (Otimizar CAPEX e Reduzir OPEX) Como serão as linhas e redes de energia do futuro? Condutores Aéreos e Subterrâneos Nus Isolados a seco Isolados por dutos com fluído refrigerante Outra Forma de Transmissão de Energia?

4 Linhas e Redes de Energia Link Grande BH 138 kv HTLS Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico Futuro dos Sistemas de Energia & Comunicação Distribuição 138 kv 2 X 600 MVA Condutor HTLS 94,2 km Av. Contorno 13,8 kv CSC Condutor ACCC/TW Smart Conductor SHTLS Conductor PeD_D421 Smart SuperConductor SHTS Conductor PeD_D712

5 1960 Chave do Sucesso para o futuro das Redes...Usuários das Redes ? Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico 2014 Av. Afonso Pena Centro de Belo Horizonte

6 Banda Larga Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico 4 Necessidades básicas da sociedade no futuro! H 2 O + Sol Alimento Energia Internet Entretenimento Novos negócios Surgem casamentos via Surgem novos maníacos via Sociedade

7 Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico Tecnologia de Sensores Opticos FIBRA ÓPTICA (dimensões próximas da nano tecnologia) D d d = 8 a 10 micrômetros D = 125 micrômetros núcleo (n1) casca (n2) (10 6 micrometro = 1 µm) 1550 nm (10 9 nanometro = 1 nm)

8 Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico Vantagens dos sensores de fibra óptica São passivos; São imunes às interferências eletromagnéticas; Têm capacidade de multiplexação de sinais de vários sensores em uma única fibra; São mais resistentes a corrosão e às altas temperaturas; Têm capacidade de transmissão de sinais de elevada frequência e elevada largura de banda. (1,6 Terabits/s em um único par de fibras). y x PROPAGAÇÃO DA LUZ E H v = c/n(λ) v = velocidade da onda no meio n(λ) = índice de refração do meio z

9 O equilibrista e o operador de Centro de Operacões Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico Vamos aceitar por abstração a hipótese da similaridade entre um equilibrista e um operador de COD! Por, Carlos Alexandre M. do Nascimento - Cemig

10 Motivação para o uso de fibras ópticas no Arquitetura setor elétrico O equilibrista e o operador de Centro de Operacões Ativo de energia Sensor e Transdutor Meio de Comunicação Algoritmos Console do Operador Ambos, o equilibrista e o operador de COD já estão ocupados, qualquer nova tecnologia de monitoramento dos ativos deve ser de usuabilidade simples!

11 Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico Problema Clássico: Monitoramento de Ativos Condições de Contorno Limites de Operação e Manutenção Monitoramento de Ativos Modelo de Representação Limites de Projeto

12 Motivação para o uso de fibras ópticas no setor elétrico Problema Clássico: Monitoramento de Ativos SmartGrid Level of design optimization Design Statistical or Probabilistic Static or Deterministic Dynamic rating Prediction rating Operation Level of knowledge for safety operation

13 Pontual Grade Bragg y Técnicas de monitoramento por fibras opticas x Intensidade Reflexão λ λ Luz refletida Luz Incidente Grade Bragg = periodicidade Λ localizada do índice de refração do núcleo E Luz Transmitida Intensidade H z λ

14 Técnicas de monitoramento por fibras opticas Pontual Grade Bragg Mi-Parâmetro a ser medido λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λ7 Optoeletrônica λ3 M1 M2 Fibra Óptica λ1 Processamento M6 λ4 M5 λ2 M3 Mi λ7 POSIÇÃO Gráfico das variações de cada Mi M7 λ6 M4 λ5

15 Distribuído - DTS Princípios físicos do SMTD (DTS) e do SMDD (DTSS) Monitoramento Ópticos sem sensores Técnicas de monitoramento por fibras opticas SMTD e SMDD Rayleigh Anti-Stokes Stokes Raman Brillouin Brillouin Raman T, ε T, ε T Espalhamento Raman: Temperatura Espallhamento Brillouin: Deformação e Temperatura Espalhamento Rayleigh: Vibração λ 0 Comprimento de Onda

16 Técnicas de monitoramento por fibras opticas Distribuído - DTS Diagrama de blocos do SMTD (DTS) sinal pulsado gerador de pulsos Laser EDFA fibra Osciloscópio Foto Filtros sinal retro-espalhado

17 Técnicas de monitoramento por fibras opticas Outras formas (Técnica FP Fiber Powering) Braço da chave D

18 Técnicas de monitoramento por fibras opticas Outras formas Técnica FP Fiber Powering Ruptura tecnológica - video monitoramento sem uso de cabo metálico 1W - microcamera

19 Outras formas Técnicas de monitoramento por fibras opticas Câmeras Alimentadas por Fibra Óptica Vídeo FM

20 Resultados Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Tecnologia Óptica para monitoramento de ATIVOS PeD-D297 (GP Maurissone Guimarães) OPTS Optical Point Temperature System (grades de Bragg) LDS Santa Efigênia BH Centro, 138 kv

21 Resultados Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Resultados obtidos: Prototipagem Impressora 3D

22 Resultados Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Encapsulamento e montagem dos sensores

23 Resultados Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Projeto: SOMLT D110(2004), D264(2011) e D531(2013) Medição de Força em Linhas Aéreas Tecnologia Grade Bragg Aumento de Ampacidade com aumento de segurança em Linhas Aéreas

24 Resultados Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Montagem Empacotamento mecânico

25 Resultados Free Space Optical - Tecnologia Óptica para monitoramento de ATIVOS na alta tensão - PeD_D446 Fiber Optic Colimator Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Free Space Optics High Voltage Cable Colimator Isolator Fiber Optic (a) Fiber Optic Colimator High Voltage Cable Free Space Optics Isolator Colimator Fiber Optic (b) FSOIS Free Space Optical Insulation System (c)

26 Resultados Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Evolução do SMTD (DTS) - montagem inicial

27 Resultados Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Evolução o SMTD (DTS) - primeiro protótipo

28 Resultados Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Evolução o SMTD (DTS) - teste de campo - (LD Sub Gutierrez Barro Preto, 138 kv)

29 Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Resultados SOMCS Testes de Campo: SE Bonsucesso 138 kv Cemig D

30 Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Resultados SOMLAC Testes de Campo: LD Bonsucesso Gutierrez, 138 kv

31 Próximos passos Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Compartilhado de fibra óptica Telecomunicações e sensoriamento 1310 nm com linha de sensores ilhados ao longo da linha e operando na banda C, 1530 nm λ 1565 nm

32 Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Próximos passos Comunicação Dados Vídeo (FM) Todas funções de Monitoramento, Controle e Automação das Ns Unidades Remotas de qualquer ativo subterrâneo de GTD já pode ser implementada com uso de fibras ópticas!

33 Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Conclusões SOMLAC To r Câmera Fibra óptica Fonte alta potência NTSC-Ethernet Cabo aéreo Receptor É tecnologicamente viável monitorar todos os ativos GTD do setor elétrico por meio de tecnologias ópticas. SMTD SMDD DAOLT DAOBar SOMCS Cabo subterrâneo LT Isolador FBG Isolador Bar FBG DMChS ChS DMChS ChS Fibra óptica Fibra óptica Splitter Fibra óptica Interrogador R am an/b rillouin Fibra óptica Interrogador FBG Interrogador FBG Fonte alta potência DMChS Splitter Fibra óptica Receptor NTSC-Ethernet Switch ChS Rede de dados Centro de Monitoração

34 Conclusões - Reflexões para o Futuro: Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D 1)A infraestrutura óptica será construída na última milha no Mundo. 2)Se o setor elétrico não construir as suas redes ópticas privadas ou não, com certeza outro setor irá construí-las. 3)Uma empresa de distribuição só será rentável se tiver Banda Larga na última milha. 4)Pensem na janela de oportunidades do setor elétrico com uso em larga escala de redes ópticas para monitoramento de todos ativos de GTD! (smart grid all included). 5)Investir em redes wireless? Uma vez que as redes ópticas são imbatíveis na robustez e na banda larga.

35 DE: Conclusões Podemos mudar a História do Setor Elétrico Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D PARA: Ator Principal

36 Evoluçao e Perspectivas da Tecnologia Óptica na Cemig D Loucura é querer resultados diferentes fazendo tudo exatamente igual!... de Albert Einsten Em nome das equipes de desenvonvolvimento, empresas e entidades dos financiamentos. Obrigado pela atenção!

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