DESMISTIFICANDO E APLICANDO SISTEMAS DE RECUPERAÇÃO AUTOMÁTICA DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO SEM COMUNICAÇÃO COM ÓTIMOS RESULTADOS

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1 JULIO SHIGEAKI OMORI, Eng. Eletricista COPEL Companhia Paranaense De Energia Superintendente ANDRE HELEBRANDO, Eng. Eletricista EATON Corporation Gerente de Vendas PALAVRAS-CHAVE: Restauração Automática Self-Healing Smart Grid Religador Loop Scheme Índices de Confiabilidade DEC D3.2 Novedades en la gestión y tecnologías en redes de distribución DADOS DA COPEL Dirección: Rua Jose Izidoro Biazetto 158, Curitiba, PR, Brasil Código Postal: Teléfono: +55 (41) julio.omori@copel.com DADOS DA EATON Dirección: Rodovia Marechal Rondon km 125, Porto Feliz, SP, Brasil Código Postal: Teléfono: +55 (41) andrehelebrando@eaton.com RESUMO O conceito de Smart Grid aplicado à rede de distribuição existe há mais de 40 anos através do uso de controles eletrônicos com funções agregadas que efetuam a restauração automática de uma rede configurada em anel aberto e sem comunicação entre equipamentos. Apesar da longa existência, aplicações desse tipo foram pouco utilizadas por empresas de energia na América Latina por razões diversas como desconfiança, falta de conhecimento, ou mesmo de falta de planejamento para sua realização. No entanto, empresas como a Copel (Companhia Paranaense de Energia) tem voltado suas atenções para implantação deste recurso pelo seu grande potencial de melhoria de confiabilidade, instalação simples e rápida e a um custo baixo. Excelentes resultados foram verificados, os quais estão descritos neste trabalho. ABSTRACT The Smart Grid concept applied on distribution grid exists for more than 40 years through the usage of electronic controls with added functionalities to perform grid self-healing, configured in open loop, and no communication between devices. Despite the long existence, Latin America utilities have very few installations like this for many reasons such as distrust, lack of knowledge, or even miss of planning for its deployment. However, utilities like Copel have turned its attention to deploy this feature due to its great potential to improve reliability, simple installation and very low cost. Excellent results have been verified, which are described in this paper.

2 INTRODUÇÃO O interesse da aplicação de sistemas de restauração automática sem comunicação vem ressurgindo nos últimos anos devido à crescente necessidade de melhoria por parte das empresas provedoras de energia nos índices de confiabilidade e por sua facilidade de instalação e baixo custo de implantação. A Copel foi uma das empresas que decidiu implantar sistemas de restauração automática em sua rede, com o objetivo de atingir melhores índices de confiabilidade em circuitos considerados críticos em relação à duração das interrupções. Tais circuitos possuem características que favoreciam a implantação dos tradicionais sistemas de recuperação automática sem comunicação como longas distâncias entre os religadores e a dificuldade de instalação de um sistema efetivo de comunicação. SISTEMAS DE RESTAURAÇÃO AUTOMÁTICA E SUA EVOLUÇÃO Tendo surgido a mais de 40 anos, sistemas de recuperação automática sem comunicação formaram a base de conhecimento que está presente nos mais modernos sistemas desenvolvidos até os dias de hoje. No início, quando ainda não havia equipamentos microprocessados, foram desenvolvidos controles eletrônicos com a função específica de controlar duas chaves seccionadoras de operação sob carga para executar a transferência de fonte dentre duas fontes disponíveis quando da falta de tensão em uma delas. Neste caso, a chave conectada à fonte principal permanecia na posição normalmente fechada, enquanto a chave conectada à fonte secundária permanecia na posição normalmente aberta e ambas conectadas a uma carga prioritária, com necessidade de recuperação imediata em caso de falta de alimentação. A conexão do controle às chaves e aos transformadores de potencial era feita por cabos, o que requeria que as linhas de distribuição das fontes e todos os equipamentos estivessem em um mesmo local para que todo o esquema de recuperação automática pudesse ser montado. Já nos anos 90, com a chegada dos religadores com controles microprocessados, os antigos controles eletrônicos dedicados à executar a lógica de recuperação automática foram transformados em módulos eletrônicos instalados na cabine dos controles dos religadores individualmente. Com esta evolução, tornou-se possível implementar lógicas de restauração automática com dois, três ou cinco religadores, além de possibilitar que os equipamentos estivessem instalados a longas distâncias uns dos outros. Nos controles microprocessados de religador atuais, o módulo de restauração automática passou a ser parte do software instalado nos controles, bastando a simples programação de parâmetros e não mais dependendo de dispositivos adicionais. O custo de implantação desse tipo de solução costuma ser muito baixo, principalmente pelo fato de não requerer compartilhamento de dados entre os equipamentos do sistema, dispensando a instalação de rádios ou outros dispositivos de comunicação dedicados para este fim. Os pontos de estado e comandos relativos ao funcionamento do sistema ficam disponíveis no local e para o sistema de supervisão e controle (SCADA) quando este estiver disponível. Os custos então associados à implantação inicial de um sistema de recuperação automática sem comunicação serão somente de treinamento, ensaios em laboratório, movimentação de equipe para programação dos controles e comissionamento. Curitiba, 17 de Julho de

3 BENEFÍCIOS E CONDIÇÕES DE CONTORNO Os principais benefícios de um sistema de recuperação automática são o de manter a alimentação de cargas em trechos de linha não afetados por uma falta permanente e, consequentemente, obter uma melhora dos índices de confiabilidade, chegando a reduzir expressivamente a duração equivalente de interrupção por unidade consumidora (DEC), índice utilizado no Brasil equivalente ao System Average Interruption Duration Index (SAIDI). Além deste, podem-se considerar como benefícios adicionais o uso de funções agregadas dos religadores, adicionando-se valor ao investimento realizado, auxílio na localização de falta, uma vez que o esquema de recuperação automática acaba realimentando somente os trechos de linha saudáveis e isolando os trechos com defeito. Embora seus benefícios sejam comprovadamente satisfatórios, o esquema de recuperação automática sem comunicação tem algumas condições a se considerar, tais como: limitação a 2 fontes, não há formas simples de prevenir fechamento sob falta e não há como executar o retorno automático ao estado inicial sem algum recurso externo como uma rotina no sistema SCADA, por exemplo. Uma das maiores preocupações das empresas de energia é o fechamento sob falta que pode ocorrer em determinadas situações, fato este que é consequência da ausência de comunicação entre os equipamentos ou a um sistema externo mais inteligente. Entretanto, na maioria das vezes, a simples redução do número de tentativas de religamento e a correta coordenação entre os dispositivos é condição suficiente para mitigar o problema e fazer com que o sistema traga mais benefícios do que dúvidas. COMPARAÇÃO COM SISTEMAS DE RECUPERAÇÃO AUTOMÁTICA COM COMUNICAÇÃO Comparando-se um sistema de restauração automática sem comunicação tradicional com os sistemas que tenham comunicação local ou mesmo os mais modernos, vê-se que cada um deles possui seus benefícios e limitações e, portanto, devem ser aplicados ao ambiente adequando. Variáveis como tipo de usuário, número de fontes, complexidade da solução, e velocidade desejada de resposta devem ser levados em consideração. Um resumo pode ser visto abaixo para auxiliar na determinação do sistema ideal para cada aplicação: Caso 1 Tipo de usuário: Rural, Residencial ou Comercial Número de fontes: 2 Complexidade: Linha de distribuição única Velocidade: Menor que 1 minuto SOLUÇÃO: Sistema de Recuperação Autom. CUSTO DE IMPLANTAÇÃO: Muito baixo MEIO DE COMUNICAÇÃO: Sem comunicação NUM. RELIGADORES: 3 a 5 Caso 2 Tipo de usuário: Hospitais, Industriais Número de fontes: 2 Complexidade: Carga prioritária Velocidade: Instantâneo SOLUÇÃO: Transferência Automática de Fonte CUSTO DE IMPLANTAÇÃO: Baixo MEIO DE COMUNICAÇÃO: Fibra óptica NUM. RELIGADORES: 2 Caso 3 Tipo de usuário: Residencial ou Comercial Número de fontes: 2 ou mais Complexidade: Município Velocidade: Menor que 1 minuto SOLUÇÃO: Soluções Centralizadas de Reconfiguração Automática CUSTO DE IMPLANTAÇÃO: Alto MEIO DE COMUNICAÇÃO: Rádio, Celular NUM. RELIGADORES: Vários Curitiba, 17 de Julho de

4 LOOP SCHEME Loop Scheme é o nome dado pelo fabricante ao sistema de recuperação automática implantado nos religadores utilizados nos projetos da Copel. Trata-se de um módulo de software que é carregado em conjunto com os parâmetros de proteção e outros ajustes e transferido para o controle do religador para ativar as funções de recuperação automática. Uma vez ativada, a função melhora a continuidade dos sistemas de distribuição através de esquemas de transferência de carga e conexão/seccionamento de circuitos em anel. Os controles dos religadores podem alterar o esquema de proteção com a ação do Loop Scheme. Os controles possuem vários perfis de proteção, os quais podem ser configurados diferentemente, de forma que um esquema de Loop Scheme possa ser facilmente implantado para aplicações como seccionalizador ou conexão. O controle detecta a queda de tensão do lado da fonte e/ou lado da carga e executa as funções programadas depois de uma temporização ajustada. Dependendo do ponto em que o religador está instalado dentro do esquema de Loop Scheme, o controle deve ser programado em modo de operação de seccionalizador ou de conexão. O modo de seccionalizador mede a tensão do lado da fonte de um religador normalmente fechado, sendo ativado na ocorrência de uma queda de tensão do lado da fonte. O controle poderá ser programado para executar abertura ou alterar o perfil de ajustes, conforme necessidade no circuito em anel. O modo de conexão mede a tensão de ambos os lados de um religador normalmente aberto, sendo ativado com a queda de tensão de qualquer lado e executando o fechamento e outras possíveis ações. Transferência de carga Um esquema simples de transferência de carga pode ser implementado utilizando-se 2 religadores conforme mostra o diagrama da Figura 1: Fonte S1 Fonte S2 F1 R1 Religador Seccionalizador R2 Conexão F2 Carga Figura 1 - Esquema de transferência de carga Nesta configuração o religador R1, normalmente fechado, mede tensão no lado da fonte. Quando for detectada uma queda de tensão na fonte S1 (por exemplo, quando ocorrer uma falta em F1), a função de Loop Scheme inicia, simultaneamente, a contagem de tempo nos religadores sendo que, R1 estará programado para abrir antes que o tempo programado para R2 fechar para restaurar o serviço a partir da fonte alternativa S2. Uma vez executada a transferência, quando houver necessidade de retornar a alimentação pela fonte preferencial S1, os controles podem ser operados manualmente ou através de comandos de um sistema SCADA. Na eventualidade de uma falta permanente em F2, R1 deverá executar sua sequência de operações até sua abertura definitiva (bloqueio). Ao detectar a queda de tensão no lado carga, R2 fechará e deverá executar a sequência de operações até sua abertura definitiva. Contudo, a sequência de operações em R2 pode ser reduzida a uma única operação de abertura para bloqueio, utilizando uma opção de ação de bloqueio Curitiba, 17 de Julho de

5 de religamento momentâneo após a ação de fechamento pelo Loop Scheme, de forma a evitar que ocorram religamentos se houver uma operação de fechamento sob falta dentro de um tempo ajustado do fechamento. Este tempo momentâneo de bloqueio de religamento pode se configurado em torno de 30 segundos, por exemplo. Loop Scheme Utilizando 3 Religadores O diagrama da Figura 2 mostra um esquema típico de seccionamento e recuperação de circuito em anel com 3 religadores. Fonte S1 Fonte S2 F1 R1 Alimentador Seccionalizador R2 F2 R3 Conexão Figura 2 - Loop Scheme com 3 Religadores Os religadores alimentadores R1 e R2 estariam localizados aproximadamente no meio do trecho entre os dois alimentadores e suas respectivas cargas. As pontas finais dos alimentadores são conectadas em um religador normalmente aberto (CONEXÃO), R3. Os religadores alimentadores R1 e R2 são programados para executar a função de seccionalizador dentro do Loop Scheme, enquanto R3 é programado com a função de conexão. Para exemplificar o funcionamento do esquema, R1 e R2 podem ser ajustados para um disparo mínimo de fase de 560 A e programados para executar como ação do Loop Scheme para alterar seus perfis de ajuste para um perfil alternativo com novo disparo mínimo apropriado (280 A neste exemplo) ou, dependendo dos requisitos do sistema, podem ser ajustados para abertura. O religador R3 deve ser ajustado para um disparo mínimo de 400 A. Quando ocorrer uma queda de tensão no lado da fonte de R1 por um tempo ajustado de 25 segundos, o Loop Scheme altera o perfil de ajustes de R1 para o alternativo cuja programação deverá ser de uma operação de abertura definitiva e seu ajuste de disparo mínimo será de 280 A. O religador R3 fecha em 30 segundos após a queda de tensão. Na eventualidade de que a queda de tensão detectada ter ocorrido por uma falta F1, o religador R1 irá abrir e bloquear imediatamente. Sob condições normais (S1 energizado), se ocorrer uma falta F2, o religador R1 executará sua sequência de operações até a abertura definitiva. Depois de 30 segundos, R3 fecharia sobre falta e bloquearia em sua única operação. Em todos os casos a falta é isolada em um único trecho defeituoso. Loop Scheme Utilizando 5 Religadores Um esquema de seccionamento e recuperação de circuito em anel com 5 religadores tem capacidade de isolar uma falta permanente em porções menores do circuito de distribuição enquanto mantém o serviço nos trechos sem defeito restantes. Fonte S1 Fonte S2 Figura 3 - Loop Scheme com 5 Religadores Neste esquema, cada circuito de distribuição é dividido em três seções de igual carga com religadores normalmente fechados R1, R3 e R2, R4. Os dois circuitos Curitiba, 17 de Julho de R1 Alimentador Seccionalizador R2 F1 R3 Intermediário Seccionalizador R4 F2 R5 Conexão

6 são levados ao ponto de conexão com um religador normalmente aberto, R5. Os controles dos religadores alimentadores R1 e R2 são programados para atuarem como seccionalizadores, que abrem e bloqueiam os religadores em um evento de queda de tensão da fonte após uma temporização programada. Os controles dos religadores intermediários R3 e R4 também estão programados para atuarem como seccionalizadores, porém, com a queda de tensão de fonte e após um tempo programado (maior que o tempo programado de R1 e R2), altera o perfil de ajustes para proporcionar um valor diferente de disparo mínimo e de um número reduzido de operações de abertura. O controle do religador R5 é programado como um religador de conexão Loop Scheme que irá fechar o religador quando detectar a queda de tensão em qualquer dos lados após um tempo programado maior que a dos religadores intermediários R3 ou R4. Como exemplo (vide diagrama da Figura 3), quando ocorrer uma queda de tensão na fonte S1, os religadores R1, R3, e R5 irão detectar e começarão a contar o tempo simultaneamente. O religador R1 expira seu contador primeiro e executa a abertura. A seguir, o perfil de ajustes de R3 é alterado e seu valor de disparo mínimo (antes ajustado para 560 A) se torna 280 A para coordenar com o religador de conexão. O recurso de bloqueio de religamento também é habilitado, ao menos, momentaneamente. Finalmente, o religador de conexão executa o fechamento. A maior parte do circuito do anel estará fechado até R1 e ficará alimentado pela fonte S2. Quando for restabelecida a fonte S1, o retorno à operação normal do sistema poderá ser realizado manualmente ou através de comandos do SCADA. Se ocorrer uma falta permanente em F1, o religador R1 opera sua sequência de operações até a abertura definitiva normalmente. R3 e R5 detectam a queda de tensão e começam a contar seu tempo. O religador intermediário R3 expira seu contador de tempo e altera seu perfil de ajustes para um novo valor de disparo mínimo de 280 A e a sua sequência de operação é modificada momentaneamente para religamento bloqueado. Em seguida, o religador de conexão R5 expira seu contador de tempo e executa o fechamento sobre a falta quando R3 deverá abrir e bloquear. A falta será definitivamente isolada entre R1 e R3. O circuito restante estará energizado, tendo restabelecido o serviço na maior parte do circuito em anel. Se ocorrer uma falta permanente em F2, R3 irá operar normalmente sua sequência de operações até a abertura definitiva. Então, R5 detecta a queda de tensão e, após expirar a contagem do tempo programado, R5 executará o fechamento sobre a falta e deverá abrir e bloquear. A falta estará isolada entre R3 e R5 e o restante do circuito ficará energizado. A IMPLANTAÇÃO NA COPEL Em março de 2016 foi iniciado o processo de implantação do primeiro Sistema de Recuperação Automática da Copel. A Copel opera uma rede de média tensão de aproximadamente KM, 2500 circuitos com 350 subestações automatizadas. O circuito escolhido como teste opera na tensão de 34,5 kv, que é utilizada para subtransmissão e para distribuição de energia principalmente em áreas rurais. A Figura 4 ilustra a configuração do Sistema Elétrico, composto por duas Subestações Fontes de 138/34,5/13,8 kv, denominadas de RZA (Realeza) e DVI (Dois Vizinhos). Da SE RZA partem dois circuitos de 34, 5kV que alimentam a Estação de Chaves de SLA (Salto do Lontra), que atende todas Curitiba, 17 de Julho de

7 as cargas urbanas e rurais do município ao qual está instalada. Um dos circuitos da Estação de Chaves SLA é utilizado para interligação de outro circuito proveniente da Subestação Dois Vizinhos. Este circuito alimenta aproximadamente consumidores rurais, cuja maioria são produtores da cadeia de frango, cujo estado do Paraná (área de concessão da Copel) é o maior exportador mundial e que hoje são extremamente dependentes da energia elétrica para execução de suas atividades produtivas. A segunda etapa foi a realização de testes em laboratório para validar a lógica de atuação. Foram construídas gigas de teste para efetuar a simulação em conjunto com fontes de tensão e corrente controláveis para simulação de defeitos. A Figura 6 ilustra esta configuração de teste implantada. Figura 6 Testes no Laboratório Figura 4 Configuração do Sistema Elétrico Para implantação da configuração foi idealizado a instalação de cinco religadores automáticos com a função de Loop Scheme embarcada, seccionando o trecho de interligação dos alimentadores da Estação de Chaves SLA e da Subestação DVI em quatro partes, conforme ilustra a Figura 5. A terceira etapa realizado foi o treinamento dos profissionais de proteção, manutenção, automação e operação realizada em ambiente controlado. A quarta etapa foi a instalação física dos religadores em campo assim como do sistema de comunicação. Neste caso foi implantado um sistema de RF digital utilizando a tecnologia mesh em 900 MHz. Figura 5 Pontos do Sistema de Recuperação Automática Escolhidos A primeira etapa da implantação foi a realização de estudos de proteção para identificar a coordenação de proteção e os grupos de ajuste principal e alternativos a serem implantados. Curitiba, 17 de Julho de

8 Figura 7 Instalação em Campo A quinta e última etapa foi a implantação do sistema em campo com a respectiva configuração de proteção e automação, conforme ilustra a Figura 8 com a tela do sistema SCADA da Copel. Segundo Evento: Desligamento entre o LTU41 e o LPN41 em 29/07/2016. Duas tentativas de religamento do LTU41; Troca do ajuste dos RAs LIA41 e LPN41; Fechamento do LIA41. Terceiro Evento: Desligamento entre o DV041 e o LTU41 em 11/08/2016. Figura 8 Implantação da Subestação RESULTADOS Com apenas um mês de atuação houveram eventos em todos os segmentos possíveis da configuração. Neste primeiro mês houve um acompanhamento detalhado da atuação da função, conforme descrição: Duas tentativas de religamento do DV041; Troca do ajuste dos Religadores automáticos LIA41 e LPN41; Abertura do LTU41; Fechamento do LIA41. Quarto e Quinto Eventos: Desligamento do RA SL100 (fonte da ECP SLA) nos dias 19/08 e 21/08 com reversão automática da alimentação na EC SLA. Durante o período de um ano a função operou 26 vezes com defeitos distintos em locais distintos. Foram em média mais de duas operações por mês, sempre de forma assertiva contribuindo de forma decisiva para a melhoria dos indicadores de qualidade da Copel. CONCLUSÃO Primeiro Evento: Desligamento entre o LPN41 e o LIA41 em 26/07/2016. Duas tentativas de religamento do LPN41; Troca do ajuste do LIA41; Fechamento do LIA41. O trabalhou apresentou a filosofia, e os resultados da aplicação de um projeto piloto do primeiro sistema de recuperação automática da Copel sem comunicação entre os dispositivos. Pode-se verificar que houve rapidez na implantação do sistema apesar de ser um projeto piloto inédito para Copel. Os expressivos resultados que reduziram o DEC da configuração em aproximadamente 70%, motivaram a Copel na continuidade Curitiba, 17 de Julho de

9 da expansão de implantação de novos sistemas similares. Está em curso a implantação de mais 55 sistemas cuja previsão para finalização desta etapa é o início de Apesar de terem sido apresentados dados que enfatizaram a melhoria na qualidade do fornecimento de energia, também é importante ressaltar que outros benefícios advindos da implantação de um sistema de automação tais como a redução dos custos operacionais para localização do defeito em áreas críticas e o aumento dos pontos de observação de carga que podem auxiliar também na avaliação de perdas e melhoria do planejamento da distribuição de energia também são auferidos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS COOPER POWER SYSTEMS. Controle Microprocessado do Religador Form 6, Guia de Programação S P. Estados Unidos da América: set Curitiba, 17 de Julho de