Décimo Quinto Encontro Regional Ibero-americano do CIGRÉ Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013

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1 9 a 23 de maio de 23 MÉTODO DE TESTES DINÂMICOS EM SISTEMAS DE PROTEÇÃO COMO ALTERNATIVA AOS TESTES EM RTDS J. R. Lima Jr* G. A. Arruda* R. F. Dias* P. R. Morais * *CHESF RESUMO O método de testes aqui proposto baseia-se no pós-processamento de arquivos COMTRADE gerados em simuladores digitais do tipo ATP/EMTP com estampas de tempo pré-ajustadas, de modo a atender tempos típicos associados a eventos comumente reproduzidos em ambientes RTDS e reproduzi-los ao dispositivo de proteção sob teste. Para garantir a realização dos testes, retratando o mais fielmente possível a realidade, o método em questão faz uso de caixa de teste convencional para reproduzir os sinais analógicos e digitais gerados na simulação e submetê-los ao relé sob teste. Os sinais analógicos são as tensões e correntes nos pontos de monitoração dos relés, originários dos pontos de medição da rede elétrica modelada no ATP e os sinais digitais são os sinais de controle, basicamente contendo informação das binárias associadas, por exemplo, ao esquema de religamento automático e sinais de trip, resultantes de lógicas implementadas em linguagem MODELS do ATP. Através de artifícios criados para as simulações em ATP/EMTP e na bancada de testes, pode-se obter situações muito próximas àquelas obtidas em tempo real utilizando-se o RTDS, permitindo ao analista de proteção uma avaliação confiável do esquema de proteção sob teste. A abordagem aqui proposta não propõe a eliminação dos testes de modelo realizados em RTDS nos laboratórios dos fabricantes, mas pretende propor uma alternativa econômica e bastante útil no auxílio aos estudos de seletividade e análise de perturbações. PALAVRAS-CHAVE RTDS, testes, simulação, ATP/EMTP, caixa de testes.. INTRODUÇÃO Os testes de desempenho de relés de proteção possuem um importante papel na engenharia de sistemas de potência, uma vez que objetivam assegurar que as funções de proteção irão operar tal como requerido. Neste contexto, os simuladores digitais em tempo real (RTDS) constituem-se em uma ferramenta bastante útil para a realização de testes em sistemas de proteção. A precisão e capacidade de processamento do RTDS permitem a condução de simulações em um ambiente bastante realístico, / 8

2 9 a 23 de maio de 23 com velocidade compatível com os tempos típicos de atuação das proteções, permitindo, inclusive, integração em malha fechada do sistema de proteção a ser testado com o modelo computacional da rede elétrica. Na aquisição de grandes sistemas de proteção é comum a previsão de testes em RTDS, com foco na avaliação do IED adquirido no que diz respeito ao desempenho de suas funções e algoritmos para as condições específicas do sistema no qual será aplicado. Testes em sistemas de proteção realizados em simuladores RTDS, apesar de apresentarem vantagens, são bastante onerosos, essencialmente devido à infra-estrutura e logística necessárias, além de necessitar de pessoal qualificado para a condução das atividades. Ainda, no processo de análise de perturbações de sistemas mais simples onde é desejável uma avaliação rápida, simulações em RTDS são desaconselháveis pela complexidade necessária para sua realização e por serem de custo elevado. Desta forma, propomos aqui uma metodologia baseada no pós-processamento de arquivos COMTRADE [] gerados em simuladores digitais do tipo ATP/EMTP [2] com estampas de tempo pré-ajustadas, de modo a atender tempos típicos associados a eventos comumente reproduzidos em ambientes RTDS e reproduzi-los ao dispositivo de proteção sob teste utilizando caixas de teste convencionais, propiciando um método prático e rápido, principalmente para a análise de perturbações. 2 REVISÃO DOS MÉTODOS CONVENCIONAIS DE TESTES 2. Testes estáticos (Malha aberta) Sistemas de proteção podem ser testados convencionalmente através de simuladores de estados estáticos fornecidos por diversos fabricantes. Por outro lado, o comportamento dos relés pode ser verificado submetendo-os a sinais gerados a partir de simulação computacional de transitórios eletromagnéticos, através do emprego de ferramentas como ATP/EMTP, PSCAD/EDMTC, MATLAB/Simulink, entre outros. 2.2 Simuladores Digitais em Tempo Real (RTDS) RTDS é um simulador digital de transitórios eletromagnéticos em tempo real, usado para realizar testes em malha fechada de sistemas de proteção e controle. São uma opção aos testes físicos realizados em laboratório de alta tensão e apresentam uma boa relação custo-benefício quando realizados em sistemas de proteção que exigem um grande número de simulações. Figura Diagrama esquemático do RTDS. Fonte: Site RTDS.com 2 / 8

3 9 a 23 de maio de MÉTODO DINÂMICO DE TESTE Inicialmente, é necessária a modelagem do sistema sob estudo. Na montagem do caso em ATP/EMTP, uma rotina na linguagem MODELS (linguagem do ATP para simulação, representação e estudo de sistemas variantes no tempo) é desenvolvida para controlar o momento da falta e o comportamento dos disjuntores da linha de transmissão sob estudo. Os estados dos disjuntores de ambos os terminais são associados a variáveis previamente criadas que, com manipulação lógica, assumem estados lógicos (-fechado; -aberto) de acordo com os tempos de atuação da proteção, teleproteção e do ciclo de religamento. Na determinação destes tempos são considerados os possíveis atrasos associados a relés auxiliares e abertura dos contatos dos disjuntores. Como condição inicial, os tempos típicos de atuação das proteções envolvidas são informados à rotina MODELS, uma vez que estes tempos são conhecidos a priori, dado que são definidos na simulação o tipo e a localização da falta. Como saída da simulação, os arquivos de simulação transitória (arquivos *.pl4 ) são gerados contendo as tensões e correntes dos pontos de monitoramento dos relés, além de sinais digitais representando a posição dos disjuntores e o instante do trip. Utilizando uma caixa de testes convencional, os sinais analógicos de tensão e corrente são então reproduzidos submetendo os relés às condições de falta simuladas. O comando de trip dos relés é então monitorado e associado a estampas de tempo no aplicativo da caixa de testes, onde são registrados. De posse dos tempos de atuação dos relés, previamente registrados pela caixa de testes e nos registros internos dos relés, de maneira recursiva, atualiza-se os tempos das variáveis na rotina MODELS, adequando a simulação ao comportamento do relé. Podemos dizer, portanto, que a malha da simulação off-line é fechada com a atualização dos tempos associados às variáveis da rotina MODELS do ATP. 3. Vantagens e desvantagens Figura 2 Fluxograma da Simulação A associação do controle dos disjuntores a variáveis da rotina de simulação apresenta grande flexibilidade permitindo uma infinidade de condições de simulação, inclusive a falha da proteção de um dos terminais, falha de disjuntor, entre outras. Ainda, em sistemas mais simples, esta montagem é bastante útil e eficaz na medida em que possibilita ao analista uma rápida resposta acerca de uma dada perturbação através de simulações bem realistas realizadas com softwares do tipo ATP/EMTP. Por outro lado, o número de canais analógicos e digitais disponibilizados pela caixa de testes limita a gama de testes possíveis. Caso seja desejável analisar, por exemplo, a função de religamento automático em dois terminais de uma linha simultâneamente e representando a tensão de sincronismo 3 / 8

4 9 a 23 de maio de 23 destes terminais, é necessário que a caixa de testes tenha canais analógicos e digitais suficientes para tal representação. Alternativamente, uma forma de realizar esta análise é modificar temporariamente a ligação dos canais analógicos associando a informação da tensão de sincronismo ao respectivo terminal da linha, analisando individualmete cada terminal. No caso de testes em relés construídos sob a norma 685, uma forma alternativa que contorna esta limitação é através da reprodução das simulações transitórias diretamente no barramento de processos dos relés utilizando o switch da caixa de testes. Desta forma, é possível realizar a simulação sem limitação de canais analógicos e digitais. 3.2 Caso Exemplo O sistema simulado é uma linha de transmissão de 23 kv do sistema CHESF com 22 km de extensão que foi objeto de simulações em RTDS realizadas na SIEMENS em Erlangen, Alemanha [3], devido previsão contratual para aquisição de unidades de proteção em projeto de modernização das proteções associadas aos terminais desta linha. O caso base tratado aqui se refere a um curto-circuito trifásico localizado a 5% da linha com religamento automático. O presente caso foi escolhido pois permite uma avaliação completa da metodologia proposta Bancada de Testes A bancada de testes foi montada utilizando-se uma caixa de teste convencional do fabricante DOBLE modelo F65 com 2 canais analógicos com potência individual de 5 VA e 6 canais digitais. Na representação dos dois terminais da linha sob estudo, 6 canais analógicos foram configurado para cada terminal: 3 canais de tensão e 3 canais de corrente. Para simulações em transformadores ou terminais de linha com configurações em disjuntor-e-meio topologias diferentes e mais sofisticadas são necessárias. Utilizando esta configuração, a potência por canal é reduzidas a 75 VA, a tensão máxima de simulação é 5 V e as correntes são limitadas a 3 A por até 2 segundos. Os equipamentos sob teste são dois relés de distância do fabricante SIEMENS modelo 7SA62. Uma giga de testes auxiliou na simulação dos disjuntores associados aos dois terminais da linha. Abaixo, um esquemático simplificado da montagem utilizada na simulação: Figura 3 Diagrama esquemático da bancada de testes. 4 / 8

5 9 a 23 de maio de 23 Para reprodução dos casos foi utilizado o software Transwim 3.3, fornecido pelo fabricante da caixa de testes, capaz de reproduzir arquivos com extensão pl4 com amostragem de amostras por segundo. Os canais de tensão e corrente dos arquivos são associados aos respectivos canais da caixa de testes indicando-se adequadamente as relações de tensão e corrente. Nesta montagem simplificada, não será possível avaliar inicialmente as condições de sincronismo por limitação do número de canais analógicos Resultados As figuras 5, 6, 7 e 8 abaixo, mostram as tensões e correntes dos dois terminais da linha sob estudo gerados na simulação inicial considerando os tempos típicos. Os tempos de atuação das proteções de ambos os terminais são registrados e compatibilizados à simulação considerando os tempos de abertura do disjuntor (cerca de 4 mseg) e de atuação dos relés auxiliares ( mseg). Considerando o caso base, uma falta trifásica localizada a 5% da linha, para o terminal (PAF) o tempo de atuação da proteção + abertura do disjuntor é de 56 mseg; Para o terminal 2 (AGL) o tempo de atuação da proteção + abertura do disjuntor é de 64 mseg. [V] 5-5 -,,26,52,78,4 [s],3 (f ile _PAF CFG; x-v ar t) v :v A v :v B v :v C 2 [A] - Figura 4 - Tensões do Terminal - PAF. Simulação inicial. -2,,26,52,78,4 [s],3 (f ile _PAF CFG; x-v ar t) c:ia c:ib c:ic 8, 3,75 -,5-4,75 Figura 5 - Correntes do Terminal - PAF. Simulação inicial. -9,,,26,52,78,4 [s],3 (f ile _PAF CFG; x-v ar t) d:relay PICKUP d:relay TRIP ØA d:relay TRIP ØB d:relay TRIP ØC d:>52-a ØA d:>52-a ØB d:>52-a ØC factors: offsets: d:79 Close -8 Figura 6 Sinais digitais Terminal - PAF. Simulação Inicial 5 / 8

6 9 a 23 de maio de 23 2 [V] ,,26,52,78,4 [s],3 (f ile _AGL CFG; x-v ar t) v :ul v :ul2 v :ul3 2 [A] - Figura 7 Tensões do Terminal 2 - AGL. Simulação inicial. -2,,26,52,78,4 [s],3 (f ile _AGL CFG; x-v ar t) c:il c:il2 c:il3 8, 3,75 -,5-4,75 (file _AGL CFG; x-var t) factors: offsets: d:>cb Aux. L3-6 d:ar CLOSE Cmd. -8 Figura 8 Correntes do Terminal 2 - AGL. Simulação Inicial. -9,,,26,52,78,4 [s],3 d:relay PICKUP 6 d:relay TRIP L 4 d:relay TRIP L2 2 d:relay TRIP L3 d:>cb Aux. L -2 Figura 9 Sinais Digitais Terminal 2 - AGL. Simulação Inicial. d:>cb Aux. L2-4 Após registrados os tempos de atuação da proteção e de eliminação do defeito, atualiza-se a simulação. As figuras 9,, e 2 mostram os registros internos dos relés dos dois terminais após atualização dos tempos na rotina MODELS do ATP. [V] 5-5 -,,26,52,78,4 [s],3 (f ile 2_PAF CFG; x-v ar t) v :v A v :v B v :v C 2 [A] - Figura - Tensões do Terminal - PAF. Simulação Atualizada. -2,,26,52,78,4 [s],3 (f ile 2_PAF CFG; x-v ar t) c:ia c:ib c:ic Figura Correntes do Terminal - PAF. Simulação Atualizada. 6 / 8

7 9 a 23 de maio de 23 8, 3,75 -,5-4,75-9,,,26,52,78,4 [s],3 (f ile 2_PAF CFG; x-v ar t) d:relay PICKUP d:relay TRIP ØA d:relay TRIP ØB d:relay TRIP ØC d:>52-a ØA d:>52-a ØB d:>52-a ØC factors: offsets: d:79 Close -8 6 [V] 8-8 Figura 2 - Sinais Digitais Terminal - PAF. Simulação Atualizada. -6,,26,52,78,4 [s],3 (f ile 2_AGL CFG; x-v ar t) v :ul v :ul2 v :ul3 2 [A] - Figura 3 Tensões do Terminal 2 - AGL. Simulação Atualizada. -2,,26,52,78,4 [s],3 (f ile 2_AGL CFG; x-v ar t) c:il c:il2 c:il3 8, 3,75 -,5-4,75 (file 2_AGL CFG; x-var t) factors: offsets: Figura 4 Correntes do Terminal 2 - AGL. Simulação Atualizada. -9,,,26,52,78,4 [s],3 d:>cb Aux. L3-6 d:ar CLOSE Cmd. -8 d:relay PICKUP 6 d:relay TRIP L 4 d:relay TRIP L2 2 d:relay TRIP L3 d:>cb Aux. L -2 Figura 5 Sinais Digitais Terminal 2 - AGL. Simulação Atualizada. d:>cb Aux. L2-4 4 COMPARATIVO (Validação) Como validação dos testes realizados, os resultados obtidos aplicando-se a metologia aqui apresentada foram comparados com os resultados da simulação em RTDS. Os resultados encontrados utilizando-se o método proposto apresentam comportamento muito semelhante àqueles apresentados pelo RTDS. Do ponto de vista do desempenho dos sistemas de proteção, uma vez simulados os casos no ATP com a implementação da rotina de controle na linguagem MODELS, e atualizando recursivamente os tempos das variáveis da rotina, é possível gerar casos bastante representativos que possibilitem a avaliação do desempenho dos relés sob estudo sem prejuízos quando comparados aos mesmos testes realizados no ambiente RTDS. 7 / 8

8 9 a 23 de maio de 23 Simulações mais complexas onde se deseja representar os dois terminais simultâneamente considerando tensões de sincronismo, representações de subestações com configuração de disjuntor-emeio, devem ser utilizadas caixas de teste com um número de canais analógicos e digitais compatíveis com a topologia considerada. Há módulos de expansão de canais analógicos disponíveis entre diversos fabricantes. Por outro lado, uma vez definido o caso de teste por simulação com tensões e correntes no ponto de monitoramento dos relés de ambos os terminais sob estudo, por exemplo, é possível reduzir a montagem física da bancada para uma análise individual de cada terminal e desta forma obter uma análise mais particularizada das funções de proteção de cada relé. 5 CONCLUSÃO As simulações de condições de falta em simuladores do tipo ATP/EMTP são utilizadas largamente na engenharia de proteção de sistemas e configuram-se em uma ferramenta de análise bastante confiável, uma vez que se tenha um bom modelo do sistema simulado. No ambiente de simulação em tempo real (RTDS) é possível a verificação precisa e análise robusta dos sistemas de proteção sendo bastante indicados para situações onde se deseja um grande número de simulações. Em sistemas mais simples ou mesmo onde se deseja uma resposta rápida para a análise de perturbações, apresentou-se aqui uma metodologia simples e de fácil implementação que permite ao engenheiro de proteção de sistemas uma boa avaliação do desempenho dos relés de proteção. O método proposto utiliza-se de ferramentas e processos bastante familiares ao engenheiro de proteção, demandando pouco esforço de implementação. Do ponto de vista da análise de desempenho dos sistemas de proteção, o método alcançou resultados bastante satisfatórios quando comparados aos resultados apresentados no ambiente RTDS, sem prejuízos de avaliação. Uma vez definidos os casos de simulação, atualizando-se recursivamente os tempos da simulação (atuação da proteção, religamento automático), o sistema se comporta como em malha fechada, pois toda alteração na topologia do sistema provocada pela atuação da proteção está considerada na simulação, submetendo os dispositivos de proteção a condições bastante semelhantes às que ocorrem no ambiente RTDS. O método não propõe, porém, a eliminação dos testes em ambiente RTDS, mas, permitir que, na impossibilidade de sua realização ou quando não for recomendado por sua complexidade e/ou custo elevado, seja possível a análise confiável dos sistemas de proteção. 6 BIBLIOGRAFIA [] Power Systems Relay Committee of the IEEE Power Engineering Society. IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange (COMTRADE) for Power Systems. New York, USA, 999. [2] H. W. Dommel. EMTP theory book. Portland, Oregon, USA: Bonneville, Power Administration, 986. [3] Testes RTDS realizados na SIEMENS em Erlangen, Alemanha 8 / 8