Proteção digital dos sistemas elétricos de potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes

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1 Proteção digital dos sistemas elétricos de potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos Prof. Titular Denis Vinicius Coury, Prof. Dr. Daniel Barbosa, Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando

2 Universidade de São Paulo - USP Escola de Engenharia de São Carlos EESC Departamento de Engenharia Elétrica Laboratório de Sistemas de Energia Elétrica - LSEE Docentes Prof. Titular Denis Vinicius Coury (coury@sc.usp.br) Prof. Dr. Daniel Barbosa (daniel.barbosa@pro.unifacs.br ) Prof. Juliano Coêlho Miranda (doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br) Prof. Lázaro Eduardo da Silva (doutorando lazaro@usp.br) Goiânia, Junho de 2012.

3 SUMÁRIO Proteção Digital dos Sistemas Elétricos de Potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes Este minicurso apresenta o desenvolvimento histórico dos relés de proteção, iniciando com os relés eletromecânicos e culminando em pesquisa realizada na implementação de relés digitais inteligentes. Também fazem parte do seu conteúdo uma revisão geral das principais filosofias de proteção, bem como a teoria matemática dos algoritmos dedicados a proteção digital de linhas de transmissão, transformadores, máquinas rotativas e barramentos. Ênfase também será dada a novas tecnologias aplicadas à proteção, incluindo o uso de ferramentas inteligentes tais como Redes Neurais Artificiais e Algoritmos Genéticos. Assuntos correlatos tais como mídia de comunicação para os relés digitais, o uso do protocolo IEC e simulação digital de sistemas faltosos também são abordados.

4 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA 1 Proteção Digital de Sistemas Elétricos de Potência: dos Relés Eletromecânicos aos Microprocessados Inteligentes** D.V Coury, M. Oleskovicz, R. Giovanini Universidade de São Paulo, 378p., 2007 ISBN: Computer Relaying for Power Systems** A. G. Phadke and J. S. Thorp John Wiley & Sons Inc ISBN Power System Protection** Volume 4: Digital Protection and Signalling Edited by Electricity Training Association IEE ISBN Digital Protection for Power Systems** A. T. Johns and S. K. Salman Peter Peregrinus Ltd IEE ISBN Protective Relays - Application Guide, GEC Measurements 6 Power System Relaying A. G. Phadke and S. H. Horowitz Research Studies Press Ltd ISBN Protection Techniques in Electrical Energy Systems H. Ungrad, W. Winkler and A. Wiszniewski Marcel Dekker, Inc. ISBN

5 Desenvolvimento dos relés computadorizados 1.1 Desenvolvimento dos relés computadorizados Inicio das investigações em Programas CC, fluxo de carga, estabilidade já estavam implementados proteção seria o próximo campo promissor. Velocidade + Preço = Problema

6 Desenvolvimento dos relés computadorizados 1.2 Background histórico Idéia inicial: proteção manipulada por um único computador. Iniciou-se, portanto estudos de algorítmicos encarando as complexidades da área. Área de maior interesse: proteção de linhas de transmissão. Era esperado um desempenho, no mínimo, igual ao dos relés convencionais. Na década de 1970 houve um avanço significativo no hardware computacional. Houve uma diminuição do tamanho, do consumo e do custo dos relés bem como um aumento na sua velocidade de processamento. Comprovando a possibilidade de implementação dos relés computadorizados.

7 Desenvolvimento dos relés computadorizados 1.3 Benefícios esperados com o uso da proteção computadorizada Custo: Inicialmente o relé computadorizado era de 10 a 20 vezes mais caro que o relé convencional. Atualmente o preço de um relé digital sofisticado (incluindo o software) é praticamente igual ao preço de um relé convencional. Auto-checagem e confiabilidade: O relé pode ser programado para monitorar seu próprio software e hardware, aumentando a sua confiabilidade. Integração do sistema e ambiente digital: Tendência geral, sistemas de medição, comunicação de dados, telemetria e controle serem computadorizados. Crescente utilização dos cabos OPGW. Flexibilidade: dispositivo programável, podendo mudar suas características. Execução de diversas funções: medição, monitoramento, localização de faltas, característica adapatativa. Possibilidade de Implementação de Técnicas Inteligentes: RNA, Fuzzy, AGs e Agentes. * Alguns Problemas: adaptação da tecnologia, mudanças no hardware, linguagem, ambiente hostil para o equipamento, etc.

8 Desenvolvimento dos relés computadorizados 1.4 Arquitetura do relé computadorizado TPs e TCs - transdutores Módulos de interface Sample and Hold Multiplexador Conversores analógico/digital Processador. TC corrente TP tensão Módulo de Interface (Transformadores + filtros passa-baixa) Sample and Hold + Multiplexador Disjuntor Linha de Transmissão * O suprimento de energia é geralmente fornecido por baterias Conversores Analógico/Digital Microprocessador (para algoritmo de localização de faltas)

9 Organização do processo de amostragem: a) Multiplexador de alta velocidade b) Uso do S/H MUX A/D Sampling clock entrada analógica S/H S/H MUX A/D c) A/D individual (mais caro) S/H A/D A/D Buffer Sampling clock A/D Sampling clock

10 Elementos básicos da proteção digital Arranjo da conversão analógica/digital do relé 1 2 v a v b S/H S/H Princípio de um Multiplexador Entrada do sinal Saída do sinal v c i a i b i c S/H S/H S/H S/H MUX CAD Data Bus Controle do sinal Microprocessador Start Conversion End of Conversion MUX Address Sample/Hold

11 Elementos básicos da proteção digital Elementos básicos da proteção digital Unidade auxiliar de transformação Unidade Digital do Relé v a v b v c i a i b i c Filt Filt Filt Filt Filt Filt S/H S/H S/H S/H S/H S/H M U X A/D CLK I D B CPU Memória D/I D/O Sinal de Trip i 0 Filt S/H Tap

12 Compensação devido a não simultaneidade dos sinais: Para fasores: x(t) y(t) amostra no tempo amostra no tempo t x t y Os dois fasores vão diferir de um ângulo: 2 t t. ( rad ) x y T Onde T é a frequência fundamental do sinal. Assim, os sinais podem ser colocados na mesma referência compensando-se o. x(t) Interpolação: x k = { x 1, x 2,..., x n } t k = { t 1, t 2,..., t n } T t k? x k será? t x k = x k + ( x k+1 - x k ). T / (t k+1 - t k )

13 Desenvolvimento dos relés computadorizados 1.5 A conversão analógica digital Número de bits do conversor: Quanto maior o número de bits do conversor, menor é o erro de quantização. Máximo erro introduzido: ± ½ x nível de quantização (erro de quantização). Taxa amostral: outro parâmetro importante. Conversor N bits 2 N valores a serem representados Exemplo: N = = 8 (8 níveis de quantização)

14 Desenvolvimento dos relés computadorizados 1.5 A conversão analógica digital Convertendo um sinal analógico em um código binário

15 Conversão analógica/digital Amostragem de um sinal analógico

16 Conversão analógica/digital Conversão digital/analógica

17 Conversão analógica/digital Efeito aliasing em um sinal amostrado. Frequência < 0,5 f s

18 Teorema da amostragem: 1.6 Filtros anti-aliasing Para que uma determinada frequência f 1 do sinal analógico seja ou possa ser completamente reconstituída, a taxa amostral, no processo de digitalização, deve ser no mínimo igual a 2xf 1. f 1 = Frequência de Nyquist Para que não ocorra o fenômeno conhecido como sobreposição de espectros (aliasing), filtros anti-aliasing devem ser usados.

19 Teorema da amostragem: Ganho f c frequência * A linha contínua mostra a característica ideal do filtro para uma frequência de corte fc. O gráfico pontilhado mostra a característica real do filtro.

20 Comparação entre diferentes filtros para uma frequência de corte igual a 360 Hz: 1.6 Filtros anti-aliasing Filtro RC resposta em frequência e tempo 1.26K 2.52K 0.1f 0.1f * Filtro RC com frequência de corte de 360 Hz Ganho Saída Frequência (Hz) Tempo (ms)

21 Comparação entre diferentes filtros para uma frequência de corte igual a 360 Hz: 1.6 Filtros anti-aliasing Comparação entre o filtro Butterworth e Chebyshev.

22 Relé Digital Diferencial L90 Relé diferencial com disponibilidade de comunicação (via UCA 2.0) de alta velocidade via rede Intranet. Software resgata oscilografia e eventos para rápido diagnóstico de falta. Bastante flexível quanto ao uso. Característica modular pode ser atualizado em campo com módulos substituíveis. Possibilidade de sincronização de dados via GPS (Global Positioning System).

23 Tendências Modernas na Proteção de Sistemas A Comunicação de Dados e as Fibras Ópticas: Processo de compartilhamento e trocas de informação. Cabos OPGW (Optical Ground Wire) O uso do GPS e dos PMUs (Phasor Measurements Units): Permitem as concessionárias de energia a determinação de fasores de tensão e corrente com relação a uma referência fixa. O uso da Transformada Wavelet e Ferramentas Inteligentes. A Aplicação de Tecnologias Intranet.

24 Agradecimentos Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos Prof. Titular Denis Vinicius Coury, Prof. Dr. Daniel Barbosa, Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando

25 Proteção digital dos sistemas elétricos de potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes Proteção de Sistemas Elétricos, Revisão Prof. Titular Denis Vinicius Coury, Prof. Dr. Daniel Barbosa, Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando

26 A proteção de sistemas elétricos revisão Introdução. Filosofias básicas da proteção. Proteção das linhas de transmissão, máquinas, transformadores e barramentos. Transformadores de potencial e de corrente.

27 2.1 Introdução aos sistemas de proteção Apanhado geral dos princípios operacionais dos relés em funcionamento atualmente. Entrada {V e I fasoriais} Saída {on-off - mudança de status} Razão principal desta revisão: ponto de referência para a proteção microprocessada. Muitas técnicas digitais utilizam dos mesmos princípios de maneira mais sofisticada. Histórico: Os primeiros relés eletromecânicos: robustos mecanicamente, imunes a EMI e lentos. Relés de estado sólido (final dos anos 50): componentes eletrônicos, não necessitavam de manutenção, mais flexíveis e com maior velocidade de atuação. Relés digitais Atualmente há uma combinação de eletromecânico + estado sólido + digital nos SEPs.

28 2.2 Função da proteção Proteger os SEPs dos efeitos danosos de uma falta. Atributos cada vez mais exigidos crescimento, complexidade e interligamentos dos SEPs. Os relés de proteção devem provocar, sem delongas, o desligamento total do elemento defeituoso. Prováveis causas dos defeitos: Ar: CC por aves, roedores, galhos de arvores, TCs, rigidez dielétrica afetada por frio ou calor. Isoladores de porcelana curto-circuitados ou rachados. Isolação de transformadores e geradores afetados pela umidade. Descargas atmosféricas. Surtos de chaveamento. Efeitos indesejáveis dos CC: Redução da margem de estabilidade do sistema. Danos aos equipamentos próximos a falta. Explosões. Efeito cascata.

29 Quadros Estatísticos dos defeitos

30 Quadros Estatísticos dos defeitos

31 Subsistemas do Sistema de Proteção 7

32 Circuito Disjuntor: isola o circuito faltoso interrompendo uma corrente quando esta esta próxima de zero. É operado por um disparador energizado pela bateria, que por sua vez, é comandada pelo relé. Transdutores: TPs e TCs reduzem a magnitude da V e I (dentro de certos limites, reproduzem fielmente os valores observados). Relés: são os elementos lógicos do sistema de proteção. Normalmente respondem a V e I acusando a abertura ou não dos disjuntores. Bateria: fonte reserva do sistema (tem que ser independente do sistema a ser protegido).

33 Características Funcionais dos Relés Sensibilidade Confiabilidade Relé De Proteção Seletividade Velocidade de atuação 9

34 Sensibilidade: capacidade da proteção em responder às anormalidades nas condições de operação e CC a qual foi projetada, retirando de operação apenas a parte do sistema que se encontra sob falta, deixando o resto do sistema operando normalmente. Seletividade: isolar completamente o elemento defeituoso e desligar a menor porção possível do sistema, operando os disjuntores adequados a ele associados. Velocidade de atuação: minimiza o vulto dos defeitos e risco de instabilidade. É o tempo entre a incidência da falta e o comando de abertura do disjuntor dado pelo relé. Confiabilidade: probabilidade de um componente, um equipamento ou um sistema satisfazer uma função prevista, sob dadas circunstancias e evitar operação desnecessária durante a operação normal do sistema ou na presença de faltas fora de sua zona de proteção.

35 5 M M 5 Zonas de Proteção 3 Estação C 2 Estação A 3 Estação B G G G Proteção de geradores 2 - Proteção de transformadores Proteção de barramentos 4 - Proteção de linhas de transmissão 5 - Proteção de motores 3 Estação D A responsabilidade da proteção de uma porção dos SEPs é definida por uma linha pontilhada limite chamada zona de proteção.

36 Tempo de operação D12 D21 D23 P2 D32 P1 Zona 1 P1 4 Zona 2 D24 P2 Zona 3 D42 R12 R12 T 3 R23 R12 T 2 R Localização da falta

37 O sistema de proteção: responsável pelas faltas ocorrendo dentro das zonas. Os disjuntores isolarão o defeito respeitando a zona que a falta incide. As zonas primárias são definidas pelos disjuntores. Importante: as zonas de proteção se sobrepõem para garantir que nenhuma porção do sistema seja deixada sem proteção primária de alta velocidade (eliminação de pontos cegos). É desejável manter esta região a menor possível.

38 Circuito primário duplicado, proteção local e proteção de retaguarda.

39 Deve ser ressaltada a exigência da proteção de retaguarda caso a principal não funcione: Opções: Duplicação de alguns elementos do sistema como secundário do TC, disparador do circuito disjuntor, etc. Função de proteção de Retaguarda Remota e Local (retardo de tempo de coordenação).

40 Classificação dos relés Princípios fundamentais dos principais tipos de relés: Relés de Magnitude: respondem as mudanças em magnitude; relés de sobrecorrente. Relés Direcionais: respondem ao ângulo de fase entre duas entradas AC: V e I ou I 1 e I 2. Relés de Distância: respondem a razão de dois fasores de entrada número complexo. Exemplo: Relé de impedância. Relés diferenciais: respondem a soma algébrica de correntes entrando em uma zona de proteção. Exemplo: Transformadores. Relés de Fio Piloto: utiliza comunicação da informação da localização remota como sinais de entrada.

41 2.3 Proteção de Linhas de Transmissão Relés de sobrecorrente: respondem a amplitude de sua corrente. Pode ser usado para proteger qualquer elemento do sistema: LT, trafos, geradores, etc. Para um sistema radial: A B Fonte de Potência R

42 Descrição funcional: I f I p disparo I f I p bloqueio Onde: I p corrente do enrolamento secundário do TC previamente definida (pickup) I f corrente da falta

43 Ajuste do relé Há normalmente dois tipos de ajustes: a. Ajuste de corrente: Ip através de tapes do enrolamento de atuação. b. Ajuste de tempo: característica no tempo pode ser deslocada (½ atuação + rápida, 10 + lenta). Frequentemente é desejável se obter o tempo operacional dependente da magnitude da corrente: característica inversa, muito inversa, extremamente inversa. A escolha da característica vai depender da aplicação.

44 Tempo operacional em segundos Time-dial setting Tempo Corrente a. Temporizado: característica de tempo inversa b. Instantâneo

45 Curva de tempo-inverso típica de um relé de sobre-corrente comercial.

46 Relés direcionais Quando o sistema é não radial, o relé de sobrecorrente pode não prover uma proteção adequada. A F1 B F2 Sistema loop há fonte geradora em ambos os lados Dependendo da fonte, a corrente fluindo para a falta F1 (vista pelo relé B) pode ser menor em módulo do que a fluindo para a falta F2. No entanto, para faltas em F1, o sentido da corrente de falta vista por B inverte. O relé direcional dará melhor proteção que o de sobrecorrente.

47 Descrição funcional: 0 0 opera bloqueia onde: é o ângulo entre a corrente de falta e a referência (tensão) I B Falta Reversa I B Falta E B Na realidade, tomando-se a natureza indutiva das linhas: /2 para falta em F2 ou condição normal - /2 para falta em F1.

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49 Relés de distância Diagrama Unifilar e Diagrama R-X

50 A F B k V, I k distância fracional com relação ao relé. Considere x, y = a, b, c (fases). Se houver uma falta fase-fase-terra entre as fases x e y (x y), pode ser mostrado que: E I x x E I y y kz 1 Z 1 impedância de sequência + da linha toda

51 Similarmente, para uma falta fase-terra, na fase x: I x E x mi 0 kz 1 Onde: m=(z 0 Z1)/Z 0 Z 0 = impedância de sequência 0 I 0 = corrente de sequência 0 B Relé mho: + comum em relés eletromecânicos e de estado sólido. K Quadrilátero: forma mais apropriada relés digitais. A R

52 Tipos de características de relés de distância.

53 Característica Operacional de um Relé de Distância tipo impedância

54 Característica Operacional de um Relé de Distância tipo Mho

55 Característica Operacional de um Relé de Distância tipo Quadrilateral

56 F2 F3 C X D B C D A R Como os limites do relé não são bem delineados, temos que usar relés de múltiplas zonas para cobrir a linha toda. Zona 1: opera instantaneamente Zona 2: opera temporizado Linha XY = operação instantânea de ambos os relés. Fora dela, um relé opera instantaneamente e, o outro, de forma temporizada (F2 e F3.) Uma zona adicional 3 é criada para a proteção de retaguarda.

57 2.4 Proteção de transformadores Transformadores maiores (2,5 MVA ou mais) são geralmente protegidos por relés diferenciais percentuais (corrente). Representação esquemática: Bloqueio Disparo Bloqueio

58 2.4 Proteção de transformadores Corrente efetiva na bobina retenção: (I1 +I2)/2 Corrente efetiva na bobina operação: (I1 I2) Para uma falta externa (ou corrente de carga): Op: (I1 I2) = 0 plena retenção Ret.: (I1 +I2)/2 = I1 = I2 Para uma falta interna : (I2 torna-se negativo) Op: (I1 + I2) fortalecido Ret.: (I1 +I2)/2 enfraquecido

59 Característica do relé diferencial percentual Esquema de um transformador monofásico, com conexão de relé de proteção diferencial. Conexão dos transformadores de corrente (TCs). N1:N2: RT (primário e o secundário) do transformador principal. 1:n1 e 1:n2: RT entre os ramos e os TCs.

60 Característica do relé diferencial percentual Característica operacional de um relé diferencial percentual. Ajuste: Valor inicial Declividade

61 Característica do relé diferencial percentual Durante a energização, correntes anormais podem fluir no enrolamento. Corrente de magnetização: causada pela saturação do núcleo do trafo (processo aleatório) altas correntes. É necessário distinguir entre faltas e correntes de magnetização. Uma técnica usada para impedir a atuação sob condições de magnetização é detectar a segunda harmônica. A corrente de falta é quase puramente de frequência fundamental. Isso pode ser feito através de filtros analógicos ou por meio de filtros digitais (corrente harmônica é usada para fortalecer I ret.). Outra situação a ser observada é quando o trafo está sobre-excitado. Neste caso, a corrente de magnetização apresenta um componente de quinto harmônico significativo (fortalecer o I ret ).

62 Relé diferencial percentual 10 8 Fase A Fase B Fase C Corrente Diferencial (A) Tempo (s) Corrente de magnetização durante a energização de um transformador.

63 Relé diferencial percentual 60 Fase A Fase B Fase C Corrente Diferencial (A) Tempo (s) Corrente de falta interna em um transformador.

64 2.5 Proteção de reatores e geradores A proteção principal para um reator e ou um gerador é similar a proteção diferencial de transformadores. Os transformadores de corrente empregados nos dois terminais de um enrolamento de um gerador são especialmente casados. Não é necessário nenhum artifício para considerar os erros causados pelas mudanças dos taps. Não é preciso se preocupar com a corrente de magnetização. Usualmente é relacionada ao aquecimento do rotor causado pela corrente de sequência negativa nos enrolamentos do estator (correntes desbalanceadas do estator). A corrente de sequência negativa do relé é testada para a quantidade: 2 i K, abertura ou alarme 2 K, não operação

65 2.6 Proteção de barramento Por não ser fisicamente longo, o relé diferencial é usado para sua proteção. Quando não há falta no barramento: soma algébrica de todas as correntes deve ser zero (considerando TCs idênticos).

66 2.6 Proteção de barramento Problema a ser considerado: saturação do TC para uma falta externa. Exemplo: corrente no ramo faltoso é alta, o TC corre o risco de se tornar saturado. TC saturado não produz corrente de secundário Solução: relés de alta impedância ( a impedância mais baixa do secundário do TC saturado bypassa a corrente diferencial do relé).

67 2.7 Transformadores de corrente e de potencial Transformadores de corrente TCs Existe um erro na corrente secundária causado pela saturação do núcleo do TC. Mesmo quando o núcleo do TC não está saturado, a corrente secundária apresenta um erro devido a corrente de magnetização (fluxo no núcleo). Uma aproximação usual do TC e o diagrama fasorial das grandezas envolvidas.

68 2.7 Transformadores de corrente e de potencial Transformadores de potencial TPs TPs em baixa tensão são muito precisos e, em geral, seus erros de transformação podem ser ignorados.

69 Transformadores de potencial TPs 1/2f (C1+C2) = 2f L: defasamento entre fase de (C1 + C2) é cancelado pelo atraso de fase da L para todas as correntes de carga e, a tensão secundária estará, em fase com a tensão primária. O erro em regime permanente do TPC é desprezível. Motivo de preocupação: resposta transitória. A tensão primária passa rapidamente do seu estado de pré-falta para valores de pós-falta, a tensão de saída experimentará um transitório atenuado antes de atingir o seu valor final de regime permanente.

70 Transformadores de potencial TPs Este transitório atenuado depende dos parâmetros do TPC, impedância da carga e fator de potência, bem como do ângulo de incidência da falta primária. A resposta transitória do TPC causa dificuldade nas tarefas de proteção que requerem entradas de tensão (criam imagens falsas da tensão nos terminais de entrada do relé.

71 Agradecimentos Proteção de Sistemas Elétricos, Revisão Prof. Titular Denis Vinicius Coury, Prof. Dr. Daniel Barbosa, Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando

72 Proteção digital dos sistemas elétricos de potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes Proteção Digital de Linhas de Transmissão Prof. Titular Denis Vinicius Coury, Prof. Dr. Daniel Barbosa, Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando

73 Base matemática para a proteção digital Introdução A detecção da falta. Uso de técnicas dos mínimos quadrados, Fourier, Walsh e Kalman. A classificação da falta. Sistema completo de proteção de distância para linhas de transmissão. A proteção baseada em ondas viajantes. A proteção diferencial de linhas com três terminais.

74 3.1 Introdução Atrai maior interesse de pesquisa por possuir a maior possibilidade de melhora de desempenho. Muitos algoritmos se baseiam no cálculo da impedância (valendose dos processos de filtragem como a TDF ou mínimos quadrados). Outros tipos de algoritmos são baseados no modelo R-L da linha, ondas viajantes, lógica diferencial.

75 3.1 Introdução Janela de dados 3 amostras (quando a nova amostra surge, a última é abandonada - movimento). t tempo entre amostras t tempo que o microcomputador tem para completar os cálculos: processadores mais potentes ou algoritmos mais simples. t precisão J2 e J3 contém dados de pré e pós-falta Os dados tem pouco significado para os algoritmos de ajuste.

76 Comprimento da janela de dados janela de dados tempo para a janela passar o ponto de falta tempo de decisão Por outro lado : janela de dados habilidade do algoritmo em rejeitar componentes de alta freqüência. Há portanto um compromisso ou relação inversa entre velocidade e precisão.

77 Fontes de erro As ondas faltosas de corrente e tensão não são senoides de frequência fundamental, ou seja, elas são compostas por: Termo exponencial (componente CC,) que decai exponencialmente com a constante de tempo da linha. Sinais de alta freqüência associados com a reflexão das formas de onda. Erros nos TPs e TCs. Erros na conversão A/D (quantização e amostras não espaçadas exatamente em t). Filtros anti-aliasing que reduzem a componente de alta freqüência e introduzem defasagem de tempo.

78 Finalmente a própria linha de transmissão e as condições de falta são responsáveis pelo processo aleatório do ruído presente nas ondas: Pode portanto, ser criada uma família de curvas (forma de onda) alterando-se: ângulo de incidência da falta; estrutura da rede, tais como capacidade das fontes; tipo de falta; localização da falta ao longo da linha e resistência de falta. * Todos estes parâmetros devem ser levados em conta no processo de escolha do filtro digital a ser usado.

79 Ondas típicas de corrente e tensão para uma falta fase-a-terra com dados de dados pré e pós-falta.

80 3.2 A detecção da falta Primeira Etapa: detecção do defeito, seguida da confirmação do mesmo, verificação da zona de proteção, etc. O defeito pode ser detectado de várias formas e é geralmente associado a mudanças no sinal da tensão e ou corrente. 1 o Método: 1. Amostra-se a corrente nos instantes 1, 2, 3, 4 em (a). 2. Faz-se a estimação (predição: algoritmo) de 1, 2, 3, Compara-se os valores estimados com os reais: havendo mudança substancial, detecta-se a falta.

81 2º Método: Os sinais de tensão e corrente são retificados: 1 para variação positiva 0 para variação negativa Condição normal: senóides os períodos das variações positivas e das negativas são iguais. Condição de defeito: a variação positiva é diferente da negativa e isto é refletido.

82 3º Método: As mudanças podem também ser detectadas pela comparação das formas de onda da V e I com o ciclo anterior correspondente. k inicialmente é zero e é incrementado a cada variação significativa da tensão. Detecta-se o defeito quando k atingir um certo valor.

83 k 3.3 Técnica baseada nos mínimos quadrados Admite-se uma forma de onda com os componentes descritos anteriormente: N t 1e m1 [ k 2m sen( mt) k 2m 1 cos( mt)](*) Onde: k 1, k 2,..., k n+1 são os parâmetros incógnitos N =número de componentes de harmônicos = constante de decaimento = freqüência angular T N t 1 e [ 2 ( ) 2 k msen mt K cos( m 2 t))] } m1 E { I ( k m 1 o Onde: I = forma de onda a ser considerada T = período amostral As soluções do procedimento de minimização são os parâmetros incógnitos k: Os parâmetros k do componente de frequência fundamental são utilizados para calcular a impedância aparente vista na locação do relé. O modelo básico (*) pode ser simplificado eliminando-se os harmônicos e considerando componentes CC constante. A precisão depende do período de amostragem e do número de amostras por ciclo.

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85 Técnica baseada na transformada Fourier Esta técnica se fundamenta na teoria de transformadas ortogonais: um par ortogonal de funções bases são correlacionadas com os dados amostrais para extrair os componentes da função base da forma de onda de entrada. TDF par ortogonal (funções seno e coseno)

86 Para expressões dadas na forma retangular, para um ciclo de dados a amostra k: Assim, as expressões podem ser convertidas a forma polar, sendo a expressão para a tensão: V c 2 / N{ N 1 T 1 V T cos[(2 / N) T]} V 2 2 ( V s Vc ) 1 2 V s 2 / N{ N 1 T 1 V T sen[(2 / N) T]} Z z tan 1 ( V s V V V ) /( I I ) 21 ( s c s c c ) z tan 1 ( V I) Vi = amostra de tensão N = número de amostras por ciclo

87 Está implícito na análise de Fourier a filtragem dos dados: melhor precisão quando se utiliza de janela de ciclo completo. Com o intuito de melhorar o tempo de resposta do algoritmo, foram desenvolvidos dois outros métodos baseados na TDF: TDF de meio ciclo: alguns erros foram introduzidos devido a componente CC e altas frequências. FFT (Fast Fourier Transform): versão otimizada da TDF no que diz respeito a eficiência computacional.

88 Resposta em frequência de uma TDF de um ciclo completo e de meio ciclo.

89 Nº Amostras Nº de Operações para a TDF Nº de Operações para a FFT Resposta em frequência de um algoritmo de um ciclo completo e 12 amostras por ciclo. DFT Método dos Mínimos Quadrados

90 Técnica baseada da função Walsh Intimamente relacionada com a Transformada de Fourier de um ciclo completo. Porém, as funções ortogonais são ondas quadradas (par e impar). O cálculo é simplificado: ondas quadradas ± 1 somente: Y n 1 2 2n k1 Y k W n ( k)

91 Um grande número de termos devem ser incluídos para se obter uma boa estimativa. A simplicidade deve ser contrabalançada por grande número de termos: problema para proteção digital (tempo excessivo). Ex: 4 primeiras funções Walsh Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y

92 Técnica baseada no filtro de Kalman O filtro de Kalman é um estimador ótimo recursivo dos componentes de frequência fundamental de V e I. É necessário um conhecimento estatístico das condições iniciais e o modelo do processo. É necessário uma precisão do sinal de ruído: Função de auto-correlação e variância do sinal de ruído baseada na frequência e ocorrência de diferentes tipos de faltas. A probabilidade de distribuição da localização da falta.

93 Técnica baseada no filtro de Kalman Muito bem aplicado em processamento digital on-line. Os dados de entrada ruidosos (medidos) são processados recursivamente: quando cada amostra se torna disponível em tempo real, ela é utilizada para atualizar a estimativa prévia. Isto é repetido até o estado-estável, onde nenhuma melhoria é alcançada. O resultado possui rápida convergência para 60 Hz e baixo esforço computacional. O filtro de Kalman é inicializado com uma estimativa do sinal e sua covariância com uma do erro.

94 O sinal de tensão é modelado segundo as equações: H k cos( k) sen( k) X k Y Y c s k O sinal da corrente é modelado segundo as equações: H k cos( k) sen( k) 1 X k Onde: Y Y c s Y 0 k t e O modelo de três estados leva em consideração o componente CC. X k = vetor de estado do processo (nx1) no tempo t K. k = matriz de transição de estado (n x N) H k = matriz que relaciona as medidas e os estados. Em ambos os casos a covariância do sinal de ruído é: Rk Ke Kt / T

95 Técnica baseada nos parâmetros RL da linha A técnica assume a representação do modelo da linha de transmissão com seus parâmetros concentrados. Considera o componente CC como parte válida da solução. Baseada na solução da equação diferencial, modelando o sistema e não o sinal. V ( t) Ri( t) L di( t) dt

96 É então proposta a integração da equação em dois intervalos de tempo distintos para obtenção de R e L. dt t di L t Ri t V ) ( ) ( ) ( ) ( ( { ) ( ) ( ) ( ( { ) ( ) ( t t t t t t t t t i t t L dt t i R dt t V t i t t L dt t i R dt t V e(t) L R i(t) ^ n n n n n n n n n n n n n l l r r l l r r n n l l n n l l r i i i i i i i i v v i i v v i i kr ^ 2 n n n n n n n n n n n n n l l r r l l r r n n r r n n r r l i i i i i i i i v v i i v v i i h k L

97 3.3 Técnica baseada nos parâmetros RL da linha Considerando-se 3 amostras de corrente e tensão suficientes para computar as estimativas, temos (k, k+1 e k+2). A solução é obtida através da regra trapezoidal. Através dos valores de R e L calcula-se Z = R + jl e tem-se o procedimento idêntico aos outros. No entanto, deve ser dito que o modelo anterior não considera capacitância em paralelo (ou série) associada as linhas de transmissão. Assim, um novo modelo proposto acomodará tanto o componente CC como componentes de alta frequência. A equação básica será: V ( t) R( i) L di( t) dt LC d 2 V ( t) dt 2

98 No entanto, o esforço computacional é aumentado consideravelmente. Outros modelos de linhas foram propostos, incluindo filtros para compensar o efeito capacitivo das linhas. i(t) L R e(t) C V ( t) R( i) L di( t) dt LC d 2 V ( t) dt 2

99 3.4 A classificação da falta Amostra k va, vb, vc ia, ib, ic Uma vez que o tipo de falta não é a priori conhecido, pode-se calcular a distância supondo 6 diferentes tipos Cálculo da distância para a fase a-b 1 de falta. Somente alguns dos cálculos apresentará resposta dentro da zona de proteção do relé, ou outros estarão fora, dependendo do caso: a - b = bloco 1 a - b - terra = blocos 1, 4, 5 a - b - c = todos os 6 blocos b - c c - a a - t b - t c - t * Haverá uma considerável diminuição do tempo computacional se houver determinação inicial do tipo de falta. Checagem da falta (zona de proteção) Saída

100 Assim, considerando uma sub-rotina para classificação de falta: Amostra k Tipo de Falta Distância k

101 Os métodos de classificação de faltas normalmente são implementados através da comparação entre os componentes superpostos dos fasores normalizados de Ia, Ib, Ic e I 0. Esses valores são comparados a valores limites e a classificação da corrente pode ser obtida. Se a classificação for incerta, a situação deve ser reconhecida pelo processador e as seis quantidades anteriores devem ser calculadas.

102 Processo de classificação de diferentes tipos de faltas em uma linha de transmissão.

103 3.5 Algoritmo completo de proteção de distância Sinais Tensão e Corrente Filtragem Digital Detecção da Falta Amostras Fourier Walsh Kalman MQ Fasores Filtragem Digital Classificação da Falta Os dados ruidosos são processados para determinar as quantidades (fasores) requeridas pelo relé. Imp. aparente (distância) Decisão Abertura

104 3.6 A proteção baseada em ondas viajantes Possibilita uma extinção extremamente rápida da falta. Frequências amostrais mais elevadas se fazem necessárias para perfeita representação do fenômeno transitório. Faz a estimação da localização da falta através do intervalo de tempo entre a chegada de uma onda incidente e a correspondente onda refletida pela falta.

105 3.6 A proteção baseada em ondas viajantes Os componentes injetados Vf e If podem ser expressos em termos de uma onda viajante direta (f1) e uma onda viajante reversa (f2) representadas por: Onde v e Z 0 são a velocidade de propagação e a impedância característica da linha. x é a distância que a onda viaja do ponto de falta até o relé. Na prática, a seguinte função de correlação discreta de valor médio é usada: S1 e S2 são os seus valores médios e Ƭ é o tempo entre as ondas (indica a distância da falta).

106 3.7 Proteção digital diferencial de linhas Princípio básico da proteção diferencial de corrente de linha A corrente diferencial e de bias são formadas por: D(t) = i x (t) + i y (t) + i z (t) B(t) = i x (t) - i y (t) - i z (t)

107 Princípio básico da proteção diferencial de corrente de linha Os valores instantâneos das correntes em cada terminal são modulados em frequência e transmitidos aos outros via microondas. Construção básica de um sistema FM de relé.

108 A figura abaixo mostra a característica básica de um relé diferencial percentual FM típico.

109 As quantidades modais diferenciais e bias podem ser definidas por: ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t B K K t S D t K t B K D t B S S B threshold K S valor ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 1 t i t i t i t i t i t i t B t i t i t i t i t i t i t D cz az cy ay cx ax cz az cy ay cx ax ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 2 t i t i t i t i t i t i t B t i t i t i t i t i t i t D bz az by ay bx ax bz az by ay bx ax

110 O ALGORITMO LÓGICO DE DECISÃO:

111 (a) (b) Forma de onda típica para falta externa. Forma de onda típica para falta interna.

112 Agradecimentos Proteção Digital de Linhas de Transmissão Prof. Titular Denis Vinicius Coury, Prof. Dr. Daniel Barbosa, Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando

113 Proteção digital dos sistemas elétricos de potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes Proteção Digital de Transformadores, Máquinas Rotativas e Barramentos Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br

114 Transformadores (87T) Motores (87M) Linhas de Transmissão (87L) Geradores (87G) Proteção Diferencial (87) Barramentos (87B)

115 Proteção Diferencial Utiliza a Leis de Kirchhoff Zona de Proteção Seletiva N I nó = I k 0 k=1 D Limites dos TCs 87 A B Elemento Protegido C

116 Proteção Diferencial A B Equivalente 87 Comunicação 87 Equivalente I a + I b I I I Ajuste a Comparação entre Fasores ou Valores momentâneos b I a I b I

117 Proteção Diferencial: Defeito Externo A B C Elemento Protegido A B C Não passa corrente nas bobinas de operação

118 Proteção Diferencial: Defeito Interno A Curto-circuito entre as fases A e B A B C Elemento Protegido B C

119 Proteção Diferencial Tradicional Numérico Circuitos galvanicamente conectados, devendo ser conectados à terra apenas ser uma vez Diferentes RTCs precisam ser adaptados por TCs aux. Circuitos dos TCs são segregados e devem ser aterrados em cada lado Diferentes RTCs são compensados numericamente A A A A B Elemento Protegido B B Elemento Protegido B C C C C I I I I

120 Proteção Diferencial: Barramento (1) Zona de Proteção 87 Cargas Equivalente

121 Proteção Diferencial: Barramento (2) Carga Cargas Zona de Proteção 87B Carga Cargas

122 Proteção Diferencial: Barramento (3) Central de Processamento Zona de Proteção Bay Unit Bay Unit Bay Unit Bay Unit Bay Unit Bay Unit Cargas Equivalente

123 Proteção Diferencial: LT Comparação de Corrente Comparação de Corrente (50/60 Hz) por meio de conexão com par metálico A B Equivalente 87 Equivalente

124 Proteção Diferencial: LT Comparação Fasorial Comparação Fasorial com comunicação digital A B Equivalente Link dedicado Equivalente Outros Serviços MUX Fibra Ótica Microondas MUX Outros Serviços

125 Proteção Diferencial: Máquina Rotativa Gerador A A B B C C I I I

126 Proteção Diferencial: Máquina Rotativa a 87 b 87 c 87

127 Proteção Diferencial: Transformador Transformador de Potência I p I s 1:n 1 1:n 2 N p :N s i ps i ps +i ss i ss Relé diferencial percentual

128 Proteção Diferencial: Transformador A A B B C C I I I Relé 87

129 Proteção Diferencial: Curva característica Funcionamento I OP = N i=1 I i I RT = k N i=1 I i

130 Proteção Diferencial: Falsas Correntes Diferenciais I Diff 4 ZONA DE OPERAÇÃO 3 Erro Total 2 Saturação de TC 1 Erro de RTC / TAP Corrente de Energização I Rest

131 Proteção 87T: Parametrização da Curva Tipo 1 I OP Característica Ideal para os Defeitos Faltas Internas Limite 2 o Slope Instantâneo Limite 1 o Slope I mínimo 1 o Slope 2 o Slope I Rest

132 Proteção 87T: Parametrização da Curva Tipo 2

133 MÉTODOS DE DETECÇÃO

134 Proteção 87: Merz & Price Patente de 1904 a: alimentador b: gerador c: subestação d: Enrolamento Primário do TC e: Enrolamento Secundário do TC f: Terra ou condutor de retorno g: fio piloto h: enrolamentos do relé i: disjuntores k, l: Contatos fixo e móvel do relé m: circuito n: bateria o: dispositivo eletromagnético com armadura p.

135 Proteção 87: Relé de Indução Eletromecânico I 1 I 2 Elemento Protegido i 1 i 2

136 Proteção 87: Comparador de Diodos e Bobina Móvel

137 Proteção 87: Relé estático

138 Proteção 87: Relé Digital Valores Instantâneos I Ak A B Elemento Protegido I OP = I = I Ak + I Bk I Bk I Restrição = I = I Ak + I Bk *Figura extraída de G. Ziegler, 2005

139 Proteção 87: Relé Digital Fasores A I A Elemento Protegido I B B I j I AS I A I BC I AC, I AS 87 I BC, I BS 87 I B I AC j I BS I trip I OP = I = I A + I B I> Restrição SI I Restrição = I = I A + I B

140 Proteção 87: Relé Digital Sincronização de Fasores A B I B (t A3 ) I AC, I AS Elemento Protegido a I B (t B3 ) 87 I BC, I BS 87 t A1 t A2 t PT1 Fasores de Corrente... t A1 t B1 t B2 t BR a t B 3 ta T P t AR t A3 t A4 t A5 t PT2 Fasores de t A1... Corrente t B3 t V t t t transmissão PT1 PT 2 *Figura extraída de G. Ziegler, 2005 t D t t t A1 AR D 2 t B3 t B4 t B5 t t t B3 A3 TP2

141 Proteção 87: Relé Digital Sincronização de Fasores Velocidade do canal de comunicação é crucial Risco do aparecimento de falsas correntes diferenciais Tempo de comunicação entre 0,10 à 0,25 ms Sincronização por GPS Mais insensibilidade do relé

142 Proteção 87: Saturação de TC A B Elemento Protegido 87 Falta Interna Falta Externa

143 Proteção 87: Saturação de TC

144 Proteção 87: Saturação de TC Falta Externa *Figura extraída de G. Ziegler, 2005

145 Proteção 87: Saturação de TC Falta Externa *Figura extraída de G. Ziegler, 2005

146 Proteção 87: Saturação de TC Inicio da Saturação Aumento da Restrição I Restrição I Operação *Figura extraída de G. Ziegler, 2005

147 PARALELISMO VS PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE TRANSFORMADORES

148 Proteção 87T: Paralelismo Aumento do nível de curto circuito Melhoria da confiabilidade Flexibilidade de manobra Permite um maior carregamento do alimentador Redução da impedância equivalente Ex.: algumas indústrias

149 Proteção 87T: Paralelismo Esquemático (Exemplo) Paralelismo

150 Proteção 87T: Paralelismo Energização solidária Influenciado pela entrada TR2A

151 Proteção 87T: Paralelismo Energização solidária Envoltória das correntes de energização

152 Proteção 87T: Paralelismo Energização solidária Conteúdo harmônico das correntes logo após a energização de TR2A

153 Proteção 87T: Paralelismo Energização solidária SEP Ajustes Restrição Harmônica Slopes Pickup Instantâneo 2ª Harm 5ª Harm 1º Slope 2º Slope 15% 35% 25% 50% 0,3 pu 8 pu

154 Proteção 87T: Paralelismo Energização solidária T1 FI_D_A10B10_ANG330

155 Proteção 87T: Paralelismo Energização solidária T2 FI_D_A80_A50_ANG00

156 ASPECTOS ESPECÍFICOS DA PROTEÇÃO 87T

157 Proteção 87T: Sobreexcitação

158 Proteção 87T: Sobreexcitação

159 Proteção 87T: Sobreexcitação I 1 I 2 Y Y Y 87

160 Proteção 87T: Ajustes

161 dy11 Correção Grupo Vetorial: C B A C B A I I I I I I Matriz de correção I 0 : Proteção 87T: Aquisição de dados

162 Proteção 87T: TAP - Compensação da Corrente - Trafo Y Enrolamento em Enrolamento em Y I A1 IRelé A1 = TAP 1 I Relé I B1 B1 = TAP 1 I Relé I C1 C1 = TAP 1 IRelé A2 = I Relé B2 = I Relé C2 = I A2 I B2 TAP 2 3 I B2 I C2 TAP 2 3 I C2 I A2 TAP 2 3 TAP = S MVA 1000 kv LL RTC 3 C C = 1 (TCs em Y) C = 3 (TCs em )

163 Proteção 87T: Grupo Vetorial Refere-se ao defasamento angular entre os dois lados do transformador Transformadores Y A a a2 C1 A2 a1 C2 A1 c1 b1 b2 b C B1 B2 B c2 c

164 Proteção 87T: Grupo Vetorial Compensação por TCs A A B B C C Não passa corrente nas bobinas de operação

165 Proteção 87T: Grupo Vetorial Compensação por Matriz

166 Proteção 87T: Grupo Vetorial (IEEE Std. C37.91)

167 Proteção 87T: Eliminação I 0 A eliminação do I o é necessária em todos os enrolamentos com neutro aterrado ou com transformador de aterramento na zona de proteção A sensibilidade para faltas à terra é reduzida a 2 3! Indicação incorreta do tipo de defeito! A eliminação do I o fornece alta sensibilidade para defeitos à terra e indicação correta da fase sob defeito. Todavia, exige um TC de neutro Como uma alternativa, a proteção de terra restrito pode ser usada para defeitos à terra

168 Proteção 87T: Eliminação I 0 - Falta Externa *Figura extraída de G. Ziegler, 2005

169 Proteção 87T: Eliminação I 0 - Falta Interna *Figura extraída de G. Ziegler, 2005

170 Proteção 87T: Falta AT Trafo solidamente aterrado

171 Proteção 87T: Falta AT Trafo aterrado com Impedância I F = h U R R E I K = h ω 2 ω 1 I F = h U 2n U 1n 3 I F I K = h 2 13 U 2n U 1n U R R E

172 Proteção 87T: Falta entre espiras

173 Proteção 87T: Proteção de Terra Restrito

174 Proteção 87T: Proteção de Terra Restrito Aumento da sensibilidade com faltas à terra próximas ao neutro do enrolamento Y De preferência, utilize essa função em caso de resistência ou reatância aterramento do neutro Sensível aos curtos-circuitos entre espiras

175 Proteção 87T: Proteção de Terra Restrito Comparação de amplitude e fase entre I o I N Pode ser usada para proteger um reator shunt separado ou transformador com neutro aterrado em adição a proteção diferencial Não se aplica em autotransformadores! O princípio de alta impedância pode ser usado neste caso.

176 Proteção 87T Proteção de Terra Restrito

177 Agradecimentos Proteção Digital de Transformadores, Máquinas Rotativas e Barramentos Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br

178 Proteção digital dos sistemas elétricos de potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes Ferramentas Inteligentes e Aplicações Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br

179 Novas Ferramentas utilizadas em Proteção Sistemas Inteligentes Sistemas Fuzzy Algoritmos Genéticos Redes Neurais Artificiais Agentes PSO... Transformadas Wavelet Clarke Park...

180 Sistemas Inteligentes Inspirados na biologia Aplicações Reconhecimento de padrões Otimização Tratamento de dados quantitativos Etc...

181 Algoritmos Genéticos Adaptação Seleção Evolução

182 Algoritmos Genéticos Soluções Real Binário Híbrido codificação cromossomos cruzamento mutação Máximo avaliação Soluções Mínimo decodificação nova população seleção cálculo da aptidão roleta classificação truncamento torneio

183 Algoritmos Genéticos: Resumo Gênesis Seleção Cruzamento Mutação Elitismo Critério de Parada Criação da População Inicial Associação de cada indivíduo a probabilidade de reprodução, ou seja, valor de aptidão Melhoramento Genético Proporcionar diversidade a população Seleciona os indivíduos mais aptos para a próxima geração Ponto no qual o algoritmo será finalizado

184 AGs e Estimação da Frequência f t f t = S 2H : variação de frequência no tempo S : variação de potência (kva) H: const. de inércia dos geradores

185 AGs e Estimação da Frequência

186 AGs e Estimação da Frequência Modelo matemático da forma de onda v t = V pico sen 2πft + φ f: frequência do sinal φ: ângulo de fase Representação do cromossomo V pico f φ

187 AGs e Estimação da Frequência Sinal de corrente e(t) = x(t) - x e (t) t Sinal estimado - x e (t) t 1 t 2 t 3 t 4... t m-3 t m-2 t m-1 t m Tempo Sinal amostrado - x(t) Função de Avaliação: f a m k 1 m 1 e 2 k m: n de amostras do sinal Δ: 0,00001 Algoritmo Genético minimizar o vetor de erro sinal estimado sinal amostrado

188 Erro AGs e Estimação da Frequência Resultados Variação da amplitude AMPLITUDE FREQUENCIA 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,3004 0,6997 0,5000 ÂNGULO FASE 0,6994 0,4004 Forma de onda a 60 Hz 0º - ½ ciclo para mostrar a influência da variação da amplitude na estimação dos parâmetros. 0,10 0,00 0,0015 0,0009 0,0001 0,0019 0,0012 2,5 5 7, ,5 Amplitude

189 Erro AGs e Estimação da Frequência Resultados Variação da Taxa de Amostragem Amplitude Frequencia 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Ângulo de fase 0,8992 0,5000 0,5000 0,2005 0,0002 0,0015 0,0025 0, Taxa de Amostragem Forma de onda a 60hz 0º - ½ ciclo para mostrar a influência da taxa de amostragem na estimação dos parâmetros.

190 Erro AGs e Estimação da Frequência Resultados Variação da frequência Amplitude Frequencia 0,80 0,70 0,60 0,50 0,6994 Ângulo Forma de onda a 60 Hz 0º - ½ ciclo para mostrar a influência da variação da frequência na estimação dos parâmetros. 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,1007 0,0024 0,0019 0,0028 0, Frequência (Hz)

191 Redes Neurais Artificias Informação Experiência Aprendizado

192 Redes Neurais Artificias Neurônio Artificial Neurônio Real

193 Redes Neurais Artificias Tipo MLP Kohonen Hopfield Art Topologia Camadas Treinamento Supervisionado Não Supervisionado Generalização Conjunto de Treinamento Conjunto de Teste

194 RNAs e Saturação de TCs Saturação transitória com componente cc Saturação em regime permanente com corrente ca

195 RNAs e Saturação de TCs RTC 2000:5 13,8kV

196 RNAs e Saturação de TCs

197 RNAs e Saturação de TCs

198 RNAs e Saturação de TCs

199 RNAs e Proteção de Transformadores Transformadores de Potência (S Nominal 10MVA) Proteção diferencial percentual com restrição harmônica como proteção primária Possíveis erros de detecção de defeito (energização, saturação dos TCs, faltas próximas ao neutro,..) Método alternativo utilizando a lógica diferencial associada a RNAs para melhorar o desempenho da proteção Após a detecção da corrente diferencial, as RNAs farão o reconhecimento dos casos de energização e falta interna. O relé só atuará no segundo caso.

200 RNAs e Proteção de Transformadores i A1 i A2 i A3 i A4 i B1 i B2 w ij w ij Transformador 25MVA 13,8kV/138kV Curva de Saturação i B3 i B4 1 ou 0 i C1 i C2 i C3 i C4 w ij CAMADA DE ENTRADA CAMADA OCULTA CAMADA DE SAÍDA Melhor arquitetura de RNA testada Processo de treinamento de uma rede MLP com Backpropagation. Aproximadamente 400 casos foram utilizados.

201 RNAs e Proteção de Transformadores Saída da RNA A rede neural analisada confirmou a correta classificação de todos os padrões testados. 100% de acerto Amostras

202 Sistemas Fuzzy Vou ao SBSE! Incerteza Ponderação/Equilibrio Decisão

203 Sistemas Fuzzy: Estrutura Regras Variáveis Medidas Valores Linguísticos Inferência Regras: Se Então Região de Saída Valores Linguísticos Nível Linguístico Nível Numérico Fuzzificação Entradas Defuzzificação Saídas

204 Sistemas Fuzzy: Exemplo

205 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtAGH) Pré - processamento Sistema Fuzzy Entradas Janeladas I a I b I c i a i b i c Correntes Harmônicos DFT FFT AG Normalização Corrente Diferencial Corrente de Restrição Componentes Harmônicas Primário x secundário 1 a. Harm 2 a. Harm 5 a. Harm Fluxo m A1 (x) Fuzzificação Regras Relação de Implicação: Mandani Inferência Saída Trip Bloqueio V a t v p, k v p, k 1 L p i p, k i p, k 1 V b 2 i p, k is, k i p, k 1 is, k V 1 c Tensão Fluxo Corrente de Operação m A1 (x) centro de área Defuzzificação Próxima janela de dados

206 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG) Pré - processamento Componentes a b g Sistema Fuzzy I a Primário Secundário Primário m A1 (x) I b I c i c Ref. A Entradas Janeladas I c i a Correntes I b I a I c I b I a I a I b I c i b i a i c i b i a i a i b i c Ref. B Ref. C Secundário Ref. A Ref. B Ref. C m A1 (x) Fuzzificação Regras Relação de Implicação: Mandani Inferência Saída Trip Bloqueio i b i c Transformada de Clarke Primário e Secundário Cálculo Diferencial Ref. A a centro de área Defuzzificação Ref. B Ref. C b g 29 Próxima janela de dados

207 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG) a, b e g N α ph = I ph (k) + i ph (k) I ph I βph I γph = I ph I ph+120 I ph 120 k=0 N β ph = I βph (k) + i βph (k) k=0 N γ ph = I γph (k) + i γph (k) k=0 I c I b I a I a I c I b I b I a I c Referência Ângular 30

208 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG) Componentes de Clarke: defeito interno à terra 31

209 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG) 32

210 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtAGH e ProtABG)

211 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores Resultados Energização

212 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores Resultados Energização sob defeito AG em 10% no Secundário em Estrela

213 Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores Resultados Defeito bifásico A50%-A5% no Secundário em Estrela

214 Agentes Ambiente Mobilidade Individual/Coletivo

215 Agentes Um agente é uma entidade real ou virtual, capaz de agir num ambiente, de se comunicar com outros agentes, que é movida por um conjunto de inclinações (sejam objetivos individuais a atingir ou uma função de satisfação a otimizar), que possui recursos próprios, que é capaz de perceber seu ambiente, que dispõe (eventualmente) de uma representação parcial deste ambiente, que possui competência e oferece serviços, e cujo comportamento tende a atingir seus objetivos utilizando as competências e os recursos que dispõe, levando em conta os resultados de suas funções de percepção e comunicação, bem como suas representações internas.

216 Agentes Agentes humanos Agente de viajem; agente de investimentos, etc Possuem conhecimentos específicos e contatos para realização de uma tarefa determinada Realizam a tarefa de maneira mais rápida e eficiente Agentes computacionais São programas de computador que possuem algumas características específicas São projetados para realizar tarefas específicas, com eficiência e baixo custo Várias definições foram propostas

217 Agentes Reatividade Autonomia Orientação a objetivos (ou pró-ativismo) Continuidade temporal Comunicabilidade Inteligência Mobilidade

218 LAN da Subestação Agentes e Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Ambiente Agentes Sensor de Entrada Acionador de Saída Agente Comunicação + Algoritmos de Proteção e Controle

219 Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) Sistema 400 kv com 3 terminais simulado (PSCAD/EMTDC) com o sistema de proteção e a rede Intranet (software NS2) 100km 30km 100km 400kV 10 80km T 400kV 0, kV 1 5

220 Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) Agentes Locais de Operação Agente 1a Zona monitora a condição operacional de um dado terminal Agente Estado do Disjuntor Agente de Coordenação monitora mudanças de topologia do sistema. Agente de Coordenação coleta informações, toma decisões e dissemina conhecimento aos outros agentes, além de escolher a correta característica a ser usada. Agente Estado do Disjuntor dados comandos Agente de Operação - Interface com o Sistema de Potência - Linhas 1, 2 e 3

221 Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) Rede de Comunicação Sistema Hierárquico para Proteção de Distância Baseado na Tecnologia de Agentes Microcomputador da Subestação Agente Agente Agente Agentes Locais Relé Digital 01 Relé Digital 02

222 Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) #1 #2 #4 #3 Proteção não piloto 20km Esquema Adaptativo: A área de abertura instantânea aumentou para 67 km. Zonas primárias aumentam. #1 #2 #4 Proteção usando Agentes 67km #3

223 ms Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) Sistema de Transferência de Abertura: Diminuição considerável no tempo de extinção da falta, mesmo com condições de tráfego intenso. 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 Não Piloto Tráfego 1 Tráfego 2 Tráfego 3 0,05 0, Terminal da Linha de Transmissão

224 Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2) Sistema 400 kv com 4 barras simulado (ATP) com o sistema de rede Internet (software NS2) Melhorar a cobertura da proteção quadrilateral entre #N e #M #P #N #M #O 100km 150km 100km

225 Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2) Metodologia adotada X Curvas Adaptativas Resistência de falta Simulações de Curtos-Circuitos Ponto de falta Ângulo de Inserção Potência das fontes Curva Quadrilateral Tradicional R

226 Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2) #P #N #M #O 100km 150km 100km Agente de Medição Agente Executor Agente Executor Agente de Medição Agente Servidor

227 Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2) Agente Servidor Relé Digital 1 Resultados Agentes Executores Agentes de Medição Agentes Executores Relé Digital 2... Relé Digital n Aumento do alcance da proteção instantânea (1ª zona) de 80% para 95% Redução do tempo de atuação Nova condição operativa Servidor de dados com as curvas adaptativas Seleção das curvas de ajustes no banco de dados Envio das novas curvas aos relés de proteção Aumento da sensibilidade para até 99% (média de 94%)

228 Agradecimentos Ferramentas Inteligentes e Aplicações Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br

229 Proteção digital dos sistemas elétricos de potência: dos relés eletromecânicos aos microprocessados inteligentes Comunicação de Dados e IEC Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br

230 Volume de Informações no SEP empreendimentos de geração de energia elétrica em operação; Total de 117 GW de potência gerada; agentes investindo no mercado de energia elétrica brasileiro; Elevado número de informações de monitoramento; Várias plataformas de hardware e software [ANEEL, 2012]. 2

231 Níveis Hierárquicos típicos do Sistema de Automação de Subestações - SAS 3

232 Relés de Proteção Permitir a execução de funções de proteção e controle distribuídos sobre um Circuito de Comunicação de Dados e Rede Local.

233 Subsistemas de um Sistema de Proteção Barramento DJ TC Circuito Protegido Circuito de Comando de abertura do disjuntor (TRIP) TP Alimentação Auxiliar Banco de Baterias (Corrente Contínua) Canal de Comunicação Relé de Proteção 5

234 Modelo Genérico de Comunicação 6

235 Modelo Genérico de Comunicação ETD Equipamento Terminal de Dados ECD Equipamento de Comunicação de Dados 7

236 Canal de Comunicação Meio físico que é utilizado entre duas estações em conversação; Normalmente referenciado como linha: Pares de fios; Fibra ótica; Enlace de rádio ou satélite. Cada tipo de canal de comunicação possui características diferentes: Físicas; Elétricas. Traduzindo: Qualidade no enlace; Com efeito na performance.

237 Canal de Comunicação - Sistemas Elétricos Fio Piloto: conexão por cabos de cobre, entre os terminais de linha de transmissão, como relés de proteção; Carrier: onda portadora sobre linhas de alta tensão OPLAT; Rádio Microondas; Fibras óptica; Rede de comunicações, pública ou privada, geralmente digital.

238 Canal de Comunicação Fio Piloto Utilizando sinais DC, sinais AC (60Hz) dos TCs de linha, ou sinais de áudio frequência. 10

239 Utilização Vantagens Desvantagens Proteção de linhas curtas, até no máximo 10 a 12 Km; Religamento Automático. Trata-se de uma proteção ainda em uso para linhas curtas em ambientes controlados. Limitada pela atenuação (elevada) do sinal de comunicação; Índice relativamente alto de manutenção; Média confiabilidade devido a interferências eletromagnéticas; Sujeita a fatores externos (vandalismo e meio ambiente). 11

240 Canal de Comunicação Carrier Utiliza dos próprios cabos de energia da Linha de Transmissão como meio físico de propagação do sinal. 12

241 Utilização Vantagens Desvantagens Proteção de linhas, geralmente opera sobre uma faixa de frequência entre 30 e 300 khz; Econômico; Facilidade de acesso; Baixa capacidade de canalização; Para pequeno número de canais e longas distâncias Não necessita de estações repetidoras para transmissão a longa distância; A Linha de Transmissão é um suporte físico confiável. Faixa limitada do espectro de freqüências; Susceptível a ruídos do Sistema Elétrico de Potência (gerados por curtos-circuitos, manobras de disjuntores e seccionadoras). 13

242 Canal de Comunicação Fibra Óptica 14

243 Utilização Vantagens Desvantagens Proteção e controle de linhas e sistemas, como pela da conexão de relés de proteção. Baixas perdas de transmissão e grande banda passante; Pequeno tamanho e peso; Imunidade a interferências; Fragilidade das fibras sem encapsulamento; Dificuldade de conexão; Isolação elétrica; Segurança do sinal; Configuração básica ponto a ponto; Religamento Automático. Matéria-prima abundante; Menor taxa de erro de bit (10-9 ). Curvas podem provocar perdas. 15

244 Canal de Comunicação Cabo OPGW 16

245 Canal de Comunicação Microondas Microondas de 3 GHz a 30 GHz. 17

246 Utilização Vantagens Desvantagens São sistemas que exigem infra-estrutura onerosa; Proteção e controle de linhas e sistemas, pela conexão de relés de proteção. Serem independentes do Sistema Elétrico de Potência. São afetados pelas condições atmosféricas (sujeito a interrupções temporárias). 18

247 Canal de Comunicação Cabo Metálico (LPCD) Linha Privativa de Comunicação de Dados (LPCD). 19

248 Utilização Vantagens Desvantagens Configuração dos Dispositivos de Proteção, Supervisão e Controle. Todas as facilidades para instalação já existem para utilização do sistema telefônico. São afetados pelas condições atmosféricas (sujeito a interrupções temporárias). Interrupções gerada pelos operadores do sistema. 20

249 Interface Digital - Padrões ITU-T V.28 EIA/TIA 232-E ITU-T V.24 ITU-T V.35 Padrões de Interface Digital 21

250 Interface Digital - Localização 22

251 Interface Digital - Sinalizações 23

252 Interface Digital - Crossover 24

253 LAN, WAN, TCP/IP e Intranet em Sistemas de Potência 25

254 Necessidades da Comunicação Utilizando as Redes de Computadores Comunicação de alta velocidade entre os dispositivos situados nos níveis de processo, bay e estação; Interoperabilidade e intercambialidade entre diferentes fabricantes; Comunicação entre redes do SEP; Facilidade para manejar amostras de dados de tensão e corrente de forma local e distribuída (entre os vários IEDs); Facilidades de transferência de arquivos; Configuração automática; Segurança. 26

255 Rede LAN As redes locais, LANs, são redes privativas que apresentam seus dispositivos instalados em uma área restrita, como a sala de uma subestação ou o prédio da usina elétrica, permitindo o compartilhamento de recursos e a troca de informações. Dentre diversos aspectos que devem ser considerados na LAN: (1) Topologias Físicas, (2) Dispositivos de Hardware e, (3) Topologias Lógicas. 27

256 Topologia Física, Estrela 28

257 Topologia Estrela As principais vantagens: Uma falha no cabo ou dispositivo não paralisa toda a rede, somente aquele segmento onde está a falha será afetado; Facilidade de expansão, pois para acrescentar um dispositivo, basta conectá-lo em uma entrada do componente centralizador; Quando se excede a capacidade de conexão do centralizador, basta trocá-lo por outro com maior número de portas. As principais desvantagens: A rede poderá ser paralisada se houver uma falha no dispositivo central; Apresenta um custo maior de instalação, devido ao componente centralizador e maior quantidade de cabos, pois cada dispositivo deve ser conectado diretamente no dispositivo centralizador. 29

258 Topologia Física, Anel 30

259 Topologia Anel As principais vantagens: Um anel é relativamente fácil de instalar e reconfigurar, pois cada dispositivo é interligado somente com os vizinhos imediatos; Um alerta é gerado se qualquer dispositivo não receber um sinal dentro de um período de tempo predeterminado, técnica que facilita o isolamento de uma falha. As principais desvantagens: Falha de um dispositivo pode afetar o restante da rede; Para ampliar a rede é necessária sua paralisação. 31

260 LAN - Dispositivos de Hardware 32

261 Placa de Rede Preparar dados do dispositivo para o cabo de rede; Enviar os dados para outro dispositivo, diretamente, ou através de um concentrador, como, por exemplo, um hub ou switch; Controlar o fluxo de dados entre o dispositivo e o sistema de cabeamento; Receber os dados vindos do cabo e traduzi-los em bytes, para que sejam entendidos pelo dispositivo. 33

262 LAN - Switch Topologia Lógica: Ethernet 34

263 WAN - Dispositivos de Hardware 35

264 WAN - Dispositivos de Hardware 36

265 Intranet 37

266 Protocolos, Ambiente de Substação DNP3 Fieldbus Modbus UCA2 Hart LON ControlNet DeviceNet /4 Profibus Profinet 38

267 Pilares do Padrão Interoperabilidade Intercambialidade 39

268 Autonomia, alguns pilares Interoperabilidade: troca de informações entre dois ou mais dispositivos de inteligência similar; entender a estrutura de dados (sintaxe); também o seu significado (semântica). Intercambialidade: efeito de permutação, substituição de equipamento de um fabricante por outro, sem necessidade de alterações nos demais equipamentos constituintes do sistema. 40

269 Característica Parte Descrição Aspectos do Sistema 1 Introdução e Visão Geral Composição Básica 2 Glossário 3 Requisitos Gerais 4 Gerenciamento de Sistema e Projeto Configuração 6 5 Requisitos de Comunicação para Funções e Modelos de Dispositivos Linguagem de Configuração para IEDs de Subestações Elétricas (SCL) Estrutura de Comunicação Básica para Equipamentos de Subestações e Alimentadores 7.1 Princípios e Modelos 7.2 Serviços de Interface de Comunicação Abstrata (ACSI) 7.3 Classe de Dados Comun (CDC) 7.4 Classes de Nós Lógicos e de Dados Compatíveis Mapeamento de Serviços de Comunicação Específicos 8.1 Mapeamento para MMS (ISO/IEC 9506 Parte 1 and Parte 2) e para ISO/IEC Valores Amostrais sobre Enlace Serial Unidirecional Multidrop Ponto-a-Ponto 9.2 Valores Amostrais sobre ISO/IEC Ensaios 10 Testes de Conformidade 41

270 Noção de Conexão Diferentes funções (Functions, F) são implementadas em vários dispositivos físicos (Physical Devices, PD); Através da divisão em subfunções, ou nós lógicos (Logical Nodes, LN); Os nós lógicos podem trocar informações necessárias à implementação das funções através de conexões lógicas (Logical Connections, LC) e físicas (Physical Connections, PC).

271 Modelo de Dados XCBR Chave Disjuntor; XSWI Chave Seccionadora; TCTR Transformador de corrente; RREC Religamento automático; CSWT Controlador de chaveamento; MMXU Medição operativa e indicativa; MMTR Contador; MHAI Medição de harmônicos e interharmônicos; MDIF Medição Diferencial; PDIS Proteção de Distância.

272 Exemplo de um Nó lógico (LN), GGIO LN genérico GIO (Generic process I/O); Grupo indicador G (Generic Function References); Dados de indicação geral (Ind) ; stval: valor de estado do dado Ind, responsável por transportar o valor discreto, 0 ou 1 binário; q: qualidade do valor explicito para stval. Parte 5 stval q Ind n LN GGIO m 44

273 Estrutura de Linguagem de Configuração da Subestação (SCL) SSD (System Specification Description) : Descreve o diagrama e a funcionalidade da automação da subestação associado aos nós lógicos. SCD (Substation Configuration Description): Descreve a configuração completa da subestação incluindo a rede de comunicação e informações sobre o fluxo de dados de comunicação. ICD (IED Capability Description): Descreve as capacidades e pré-configurações dos IEDs. CID (Configured IED Description) : Descrição da configuração de um IED específico, ou seja, dos dados que serão fornecidos pelos nós lógicos de cada IED.

274 Fragmento de um Arquivo SCL

275 Tipos de Mensagem e Classe de Desempenho Bay de Distribuição 10ms Bay de Transmissão 3ms Tipo Classe de Desempenho Serviço 1 Mensagem rápida GOOSE/GSSE 1A Trip GOOSE/GSSE 2 Mensagem de média velocidade Cliente/Servidor 3 Mensagens lentas Cliente/Servidor 4 Dados em rajada (raw data) SV 5 Funções de transferência de arquivo Cliente/Servidor 6 Mensagens de sincronismo de tempo Time Sync 47

276 Protocolo 48

277 . Pilha Resumida de Protocolos, IEC

278 Circuito Funcional com Cabeamento Metálico

279 Circuito Funcional com IEC-61850

280 Tempo Médio de Transmissão das Mensagens