ANALISADOR DE EVENTOS EM TEMPO QUASE-REAL

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 GPC a 25 Novembro de 2009 Recfe - PE GRUPO -V GRUPO DE ESTUDO DE PROTEÇÃO, MEDIÇÃO, CONTROLE E AUTOMAÇÃO EM SISTEMAS DE POTÊNCIA - GPC ANALISADOR DE EVENTOS EM TEMPO QUASE-REAL W. Guerra, N. Kagan, Juan C. Cebran, J. C. Guaraldo, S. X. Duarte A. Alves M. Enerq ct Centro de Estudos em Regulação e Energa Elétrca Energas do Brasl - Enersul Departamento de Engenhara de Energa e Automação Escola Poltécnca - USP - São Paulo RESUMO Este trabalho apresenta a mplementação de uma ferramenta (aplcatvo computaconal) para análse, em tempo quase real, dos eventos na rede elétrca que envolva varações momentâneas de curta duração (VTCD's). Essa ferramenta permtrá dagnostcar: as ocorrêncas quanto à natureza do fenômeno, a localzação da sua causa, a extensão das suas conseqüêncas no sstema e a caracterzação dos valores das grandezas nas barras afetadas pela VTCD's. Também faz parte deste trabalho a ntegração deste sstema desenvolvdo com os sstemas exstentes. Desta forma, fo desenvolvda a comuncação com o banco de dados de regstros osclográfcos exstentes de modo que, a partr do arquvo do regstro, seja possível realzar a análse da perturbação captada. Este aplcatvo fo mplementado para a Empresa de Dstrbução Energas do Brasl (ENERSUL). Apresentam-se resultados das smulações para dferentes eventos. PALAVRAS-CHAVE Localzador de faltas em lnhas de transmssão, Estmação de grandezas, Faltas monofáscas bfáscas trfáscas, VTCD's INTRODUÇÃO As faltas em sstemas de potênca acarretam deslgamentos não programados de seus componentes. Sua extnção deve ser feta de forma rápda e aproprada pelos equpamentos de proteção, desatvando apenas a parte defetuosa do sstema. O tempo e a freqüênca de deslgamento é regulada pela Agênca Naconal de Energa Elétrca ANEEL [2] e [3], através das Resoluções 24 e 505, que defnem a Duração Equvalente de Interrupção por Undade Consumdora (DEC) e a Duração Relatva da Transgressão de Tensão Precára (DRP) respectvamente. Nesse sentdo, é de preocupação das concessonáras desenvolver mecansmos adequados para operar suas redes da forma mas adequada. Este trabalho apresenta, como é a forma de montoração quase on-lne do método de localzação de faltas mplementado na rede de subtransmssão da ENERSUL, onde, após a falta uma análse mas detalhada é mprescndível para a avalação do desempenho das grandezas do sstema, para sso, destaca-se a mportânca da osclografa, que consste do constante montoramento das grandezas elétrcas do sstema de potênca e do estado de operação do sstema de proteção. Na lteratura exstem város trabalhos entre os quas estão o apresentado em [3], onde se faz uma detecção e classfcação de faltas em lnhas de transmssão, a partr da análse de regstros osclográfcos va redes neuras Avenda professor Lucano Gualberto, travessa 3, 158 Bloco A - São Paulo-Brasl) Tel: (+55 11) Emal: wllguech@gmal.com

2 2 artfcas e transformada wavelet. Em [4] apresenta-se a aplcação de Redes Neuras artfcas (RNAs) como uma alternatva para atuar como um localzador de faltas em uma lnha de transmssão. Em [5] utlza-se os parâmetros de seqüênca zero ndependente das característcas físcas do local. Este trabalho utlza uma busca com regras determnístcas para a classfcação e localzação de faltas, onde o dagrama de mpedâncas de seqüêncas postva e zero (confguração de operação) são mprescndíves para o desenvolvmento da metodologa proposta. Este trabalho fo dvddo em três partes: na prmera detalha-se a rede admnstrada pela ENERSUL; a segunda parte lustra a metodologa para fnalmente apresentar alguns resultados dos testes fetos DESCRIÇÃO DO SISTEMA A rede de ENERSUL esta consttuída por sub-estacões (SEs) nterlgadas por váras lnhas em tensão de 138 kv, 69 kv, 34,5 kv e 13,8 kv. O sstema de medção nstalado montora prortaramente as tensões nas barras de 138 kv, o sstema de localzação desenvolvdo esta restrto à localzação de faltas que ocorram entre trechos de lnhas nesse nível de tensão. Quando houver nformações de abertura de dsjuntor que possblte dentfcar defetos em níves de tensão nferores e esse recurso poderá ser utlzado. Como crtéro ncal estabeleceu-se que serão fetas localzações de faltas em lnhas entre as quas exstam barras montoradas pelos regstradores dgtas de perturbações (RDPs). Como em alguns trechos da rede em estudo exstem malhas, se utlzou um método de localzação de faltas que utlza prncpalmente as nformações das tensões regstradas pelos RDPs nstalados em todas as barras das SEs que consttuem a área ploto, defnda neste trabalho. Além das nformações das tensões, ressalta-se que também podem ser utlzadas as nformações referentes às correntes regstradas pelos RDPs e/ou, alternatvamente, as nformações de operação dos dsjuntores das lnhas a fm de possbltar a localzação de faltas em trechos mas restrtos, melhorando o processo de busca do local da falta. A déa para atvação do sstema de localzação de faltas em desenvolvmento admte que esse sstema de localzação seja aconado automatcamente quando algum dos RDPs nstalados regstre alguma ocorrênca de falta na rede. Neste caso, quando algum RDP regstre a ocorrênca de uma falta, o aplcatvo de localzação deve ser atvado automatcamente, efetuar a localzação do defeto e ndcar em uma tela de saída (letura) uma lsta de prováves locas de ocorrênca da falta DESCRIÇÃO DO TRABALHO 3.1 Requstos Báscos para os Equpamentos de Detecção e Medção de Vtcd Para realzar o processo de medção é necessáro que durante o processo de analse das nformações, mantenha umas especfcações necessáras tas como: a. Captura de formas de onda de tensão e de corrente em todas as fases pela montoração contínua dos valores efcazes dessas grandezas, que deverão ser calculados consderando janela de 1 cclo e atualzação a cada ½ cclo (com opção para atualzação a cada 1 cclo); b. Regstro de valores efcazes de tensão e de corrente de todas as fases junto com a captura de formas de onda; regstro durante período ajustável de até 1,5 mnutos contado a partr do nstante de detecção das condções para a captura, sem reníco da contagem caso ocorram novas condções de detecção durante esse período; c. Tensão de referênca para captura pelo valor efcaz de tensão: prever possbldade de escolha entre: valor fxo ajustável, valor flutuante, baseado no últmo valor VTM (valor de 10 mn) da medção do nível de tensão; d. Valores lmtes de tensão para dsparo pelo valor efcaz de tensão: ajustáves, com os seguntes valores default: 90% da tensão de referênca (para detecção) no caso de afundamento e 110% da tensão de referênca (para detecção) no caso de elevação; e. Valores lmtes de corrente para dsparo pelo valor efcaz de corrente: ajustáves de forma ndependente para as correntes de fase e de neutro; f. Regstro da forma de onda com resolução reduzda até a taxa mínma de 16 amostras/cclo, mas preferencalmente de 64 amostras/cclo; g. No níco da ocorrênca: regstro de 30 cclos, sendo 4 cclos antes do nstante de detecção da VMT e 26 cclos após; h. No fnal da ocorrênca: regstro de 10 cclos, caso a duração for superor a 30 cclos, sendo 2 cclos antes do nstante do térmno da VMT e 8 cclos após;

3 3. Regstro de todas as tensões fase-neutro, ndependentemente da fase onde se detectou a ocorrênca de VMT. 3.2 Processamento dos dados de medção Os prncpas dados a serem utlzados no localzador são provenentes dos regstros dos valores nstantâneos das grandezas tensão e corrente de cada fase dos valores efcazes cclo a cclo, capturados por meddores de qualdade de energa quando ocorrem anomalas de tensão (afundamento ou elevação) ou de corrente (sobrecorrente). As prncpas nformações fornecdas pelo processamento ncal são: a. Localzação do meddor; b. Data e horáro de ocorrênca dos eventos regstrados; c. Fasores das tensões e correntes nos períodos pré-falta e durante a falta e do fnal do regstro; d. Componentes de seqüênca postva, negatva e zero nos períodos de pré-falta e durante a falta; e. Varação da tensão efcaz entre as stuações pré-falta e durante falta; f. Fases envolvdas na falta; g. Informações quanto à duração do evento para cada fase; h. Informações quanto à operação de dsjuntor(es), se dsponíves;. Indcação se ocorreu nterrupção de curta ou de longa duração Grandezas a serem obtdas a partr das medções As grandezas serão obtdas a partr de arquvos de regstro das formas de onda das tensões e correntes, para as janelas de pré-falta, de falta e de fnal de regstro. Essas janelas devem ter um período de um cclo, comuns para todas as fases. As grandezas a serem obtdas para estas janelas são: Tensão: - Valores efcazes totas das tensões das três fases; - Valores efcazes dos fasores das tensões das três fases na de freqüênca fundamental; - Angulos dos fasores das tensões (na freqüênca fundamental) das três fases com referênca ao fasor de tensão de uma das fases (a fase A); - Valores efcazes dos componentes de seqüênca postva, negatva e zero das tensões. Corrente: - Valores efcazes totas das correntes das três fases; - Valores efcazes dos fasores das correntes das três fases na freqüênca fundamental; - Ângulos dos fasores das correntes (na freqüênca fundamental) das três fases com referênca ao fasor de tensão de uma das fases (a fase A); - Valor efcaz da corrente de neutro calculada pela soma dos fasores das três correntes de lnha (sstema trfásco), caso não seja dsponível dretamente do meddor; - Valores efcazes dos componentes de seqüênca postva, negatva e zero das correntes Determnação das janelas para obtenção dos fasores de tensão e corrente A defnção aproprada da janela que fo utlzada para obter os fasores de tensões e de correntes representatvos do evento é um ponto mportante para a obtenção de bons resultados no processamento ncal. Isto porque estes fasores servrão de base para a estmação de VTCDs. A defnção nadequada da janela pode fornecer resultados ndesejáves.

4 4 Foram apresentados os crtéros para a defnção das janelas para a obtenção dos fasores que rão caracterzar os períodos de pré-falta, durante a falta e fnal do regstro e que foram elaborados buscando uma compatbldade com o método de caracterzação de VTCDs utlzado. 3.3 Classfcação da falta Os curtos crcutos podem ser dvddos em dos grupos: Curtos equlbrados e curtos desequlbrados. Os curtos podem envolver ou não mpedâncas de defetos, que por sua vez podem ser mpedâncas entre fases ou mpedâncas para a terra. Uma outra forma de dvdr os curtos é consderando os curtos que envolvem a terra e os curtos que não envolvem a terra. Uma tercera forma de classfcar os curtos crcutos é pelo número de fases envolvdas, que pode conter uma, duas ou três fases. São consderados os seguntes tpos de falta: - Trfásca; - Fase-terra, sem e com mpedânca de defeto; - Dupla fase; - Dupla fase - terra, sem e com mpedânca de defeto. 3.4 Localzação da falta Esta etapa de localzação é subdvdda em duas partes: 1. Análse prelmnar das nformações; 2. Execução do algortmo de estmação pelo método de mínmos quadrados. Na análse prelmnar é realzada uma verfcação quanto às fases envolvdas no evento, componentes smétrcas das tensões e outras nformações dsponíves, efetuando uma tragem quanto aos tpos de falta que podem ter ocorrdo, ndcação de localzação em alguma parte específca do sstema, etc. Verfca-se também se a VTCD é orgnára do sstema suprdor. A segur, com os dados de medção e do arquvo de dados de smulações, executa-se o algortmo de localzação de falta baseado no método de mínmos quadrados, descrto na mas adante para logo determnar o tpo e local da falta, que são calculadas as tensões em todos os pontos de nteresse da rede, utlzando o módulo de cálculo de curto-crcuto, que produzrá um arquvo de medções vrtuas. a) Fluxo de carga Após classfcar o tpo de falta fo necessáro utlzar um método de fluxo de carga que determnara as condções de tensão e de corrente na rede em regme permanente e os resultados são utlzados no módulo de cálculo de curto-crcuto como valores pré-falta. O programa de fluxo de potênca utlzado neste estmador suporta redes em malha e com város pontos de suprmento/geração. b) Impedâncas de falta Na secção relatva a cálculos de curto-crcuto, nos casos de faltas que envolvem terra serão usadas mpedâncas de defeto de 0, 1, 5, 10, 20 e 40 ohm. As faltas serão na montante do ponto de suprmento. O localzador dentfcará as stuações de falta a montante (faltas no sstema suprdor) através da análse das dferenças de tensão entre a condção pré-falta e durante a falta nos pontos de medção. Quando as dferenças de tensão para todos os pontos, fase a fase, forem próxmas para os pontos montorados, fo dentfcado o caso de falta a montante. c) Cálculo das condções de curto-crcuto O módulo de cálculo de curto-crcuto é utlzado em duas ocasões: - Obtenção das tensões em condções de curto-crcuto para produzr o arquvo de dados de smulações que conterão as tensões nos pontos de localzação dos meddores para dversas stuações de falta, - Cálculo das tensões em pontos de nteresse da rede, fornecendo resultados de VTCDs estmados para a stuação de falta dentfcada, e;

5 5 - Além dos valores das tensões, devem-se calcular as correntes dos crcutos que são montorados. O programa de curto-crcuto utlzado neste estmador suporta rede em malha e com város pontos de suprmento/geração. Serão guardados em arquvos os valores das tensões da rede obtdos com as smulações de curto-crcuto Tabela 1. Comparação dos resultados entre AnaFas e Aplcatvo consderando város tpos de falta e város pontos de falta, nclundo pontos ntermedáros dos trechos de lnha. 3.5 Smulações ao longo de lnhas É comum que os defetos não sejam orgnados nos barramentos ou nos equpamentos de barra. E como em uma lgação a mpedânca vara ao longo do seu comprmento, é mportante que se faça smulações não apenas em um ponto, mas no decorrer de todos os pontos de cada lgação. Uma dstrbução ntutva para as lnhas sera dvdí-las em 10 segmentos de trechos unformes. Porém, como há trechos de lnha de város comprmentos, o Localzador podera dvdr os trechos em segmentos de 5 ou 10 ohms, por exemplo, calculando os valores a partr das nformações da rede. Banco de Dados da Rede MÓDULO 3 Fluxo de Potênca LOCAL 1 LOCAL 2 LOCAL N Meddor Meddor Meddor MÓDULO 1 Processamento ncal dos dados MÓDULO 2 Controlador de Transmssão de Dados MÓDULO 1 Processamento ncal dos dados... Arquvos de Dados de Medções MÓDULO 1 Processamento ncal dos dados MÓDULO 4 Curto-Crcuto (correntes/ tensões) Arquvos de Dados de Smulações Localzador de faltas Arquvos de Medções Vrtuas Estmador das grandezas Dagnóstco Fgura 1. Fluxograma de Estmação

6 6 3.6 Método de mínmos quadrados O prncípo de localzação de faltas deste estmador é baseado no método de mínmos quadrados aplcado à tensão nos pontos montorados. Por meo desse método procura-se a stuação de falta no sstema que forneça a menor soma dos quadrados das dferenças entre os valores meddos e valores calculados de tensão como lustra a equação (1). Esse ajuste fornece o tpo de falta e a sua localzação no sstema. Consderando um determnado evento da qual se tem os valores de medção de VTCDs, tem-se, para um ponto de medção, a soma dos quadrados dos desvos das tensões (módulos) das 3 fases, para um dado tpo de falta f e local de falta j: med calc med calc med calc [ ] = ( Va Va ) ) + ( Vb ( Vb ) ) + ( Vc ( Vc ) 2 f, j ( f, j f, j ) f, j δ (1) Tomando-se os valores das tensões meddas e os resultantes de smulações, verfca-se, para cada posção de falta e para cada tpo de falta, a somatóra dos quadrados das dferenças entre os valores meddos e calculados de todas as fases de todos os pontos com medção. A posção de falta que fornece a menor somatóra é o local mas provável para a falta consderada. De todos os tpos de falta consderados, aquele que fornecer o menor valor é o tpo que será consderado o mas provável de ter ocorrdo. 3.7 Processamento de Localzador Na Fgura 1, lustra-se o fluxograma do localzador de faltas APLICAÇAO Este trabalho apresenta a especfcação do módulo de localzação de faltas para a rede de subtransmssão da ENERSUL e avalação do mpacto. Na Fgura 2 está o esboço de uma das redes utlzadas na comparação dos valores calculados. Observa-se que os Regstradores Dgtas de Perturbação (RDPs) encontram-se alocados, na rede elétrca da ENERSUR em barras de 138 kv, montorando tensões em barras e correntes nos crcutos vznhos e alocados nos seguntes pontos: Aqudauana CG Almoxarfado CG Cuabá CG Centro CG Industral Maracaju Mmoso (2 RDPs) Ro Verde CG Imbrussú CG José Abraão CG Mguel Couto CG Asss Scaffa Ro Verde Jardm Chapadão do Sul Dourados das Nações (2 RDPs). O Sstema de Osclografa da ENERSUL será o responsável pelo fornecmento da forma de onda da tensão da barra onde está nstalado (138 kv), mutas vezes confgurado para medr também as tensões em barras de baxas de transformadores, por exemplo, 69 kv ou 34.5 kv. Város canas montoram as contrbuções de correntes de defeto em crcutos adjacentes ao RDP. Estas nformações são mportantes para se restrngr a LT em falta, ou anda para se seleconar o transformador de subtransmssão que almenta eventual defeto provenente da rede de 69 kv, por exemplo. De forma a aferr a utlzação deste aplcatvo foram fetos anterormente dversas smulações do aplcatvo AnaFas, e os resultados após os ajustes necessáros foram consderados dêntcos. Na Tabela 1 está o esboço de uma das redes utlzadas na comparação. Observa-se que a dferenca dos valores calculados e valores obtdos dos regstradores (erro%) estão próxmo a zero. Na Fgura 3 e Fgura 4, lustra-se a tela do aplcatvo desenvolvdo, assm como resultados da smulação de uma falta respectvamente. Como se pode ver tem-se três locas prováves. Na tabela 4, pode ver-se os valores das tensões durante a falta e o trechos prováves onde aconteceu a falta, que são trecho 49, 47, 49 ou 51. Apresentando maor probabldade o trecho 49 com um erro aproxmado de 0,34%. Tem-se também a estmação dos valores das grandezas como são as correntes e as tensões nas demas barras do sstema, lustrando-se só parte dos valores na Fgura 4.

7 2 Fgura 2. Sstema de 138 kv. Fgura 3. Sstema de ENERSUL CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES As grandezas calculadas através do fluxo de potenca utlzando metodologa de calculo comparada com os valores extraídos dos regstradores são muto confáves. Os erros estão próxmos a zero. Os resultados obtdos para o sstema ploto foram confáves, porque o localzador determnou um mínmo de locas com seus respectvos desvos. O que faz que o aplcatvo seja de enorme ajuda na operação do sstema, permtndo um rápdo plano de restauração do sstema através de uma adequada toma de decsões dos operadores, prncpalmente reduzndo o DEC.

8 3 Adconalmente este localzador trabalha quase on-lne na operação no sstema de ENERSUL, faz que com que os tempos de atuação dos operadores sejam muto rápdos, o que ncrementa o valor agregado ao servço. As nformações obtdas das correntes montoradas em alguns crcutos, fzeram ao localzador ser mas efcente na aproxmação do local de falta. Para trabalhos futuros sugere-se utlzar métodos de otmzação para reduzr o tempo de processamento para a localzação e estmação da falta, através de estratégas utlzadas na area de ntelgênca artfcal. Fgura 4. Resultado do aplcatvo REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) ANEEL. Agênca Naconal de Energa Elétrca: Resolução Nº p. 27 de Janero de (2) ANEEL. Agênca Naconal de Energa Elétrca: Resolução Nº p. 26 de Novembro de (3) Kleber M. S, Benemar A. de S, Núba S. D. B, Karcus M. D, Flávo B. C, Sandra S. B. S. Detecção e Classfcação de Faltas a partr da Análse de Regstros Osclográfcos va Redes Neuras Artfcas e Transformada Wavelet Revsta Controle & Automação, Abrl, Mao e Junho 2007, Vol.18 no.2 pp (4) Davd C, Jorge D. V. C, André C.P.L.F. de C. Localzação de Faltas em Lnhas de Transmssão de Energa Elétrca Utlzando, Proceedngs of the IV Brazlan Conference on Neural Networks - IV Congresso Braslero de Redes Neuras, 1999 ITA, São José dos Campos - SP Brazl, pp , July (5) Hélo A. da S, Jacques S. Localzação precsa de falhas em Lnhas de Transmssão sem uso da Sequênca Zero, XV SNPTEE Semnáro Naconal de Produção e Transmssão de Energa Elétrca, Outubro 1999, GPC/05.