TÍTULO: APENAS RELIGADORES INTELIGENTES CONSTROEM REDES INTELIGENTES (ORIGINAL: ONLY SMART RECLOSERS BUILD SMART GRIDS) AUTORES: NEIL O SULLIVAN, BRUNO KIMURA Resumo: Atualmente quase todas as concessionárias de energia elétrica possuem redes inteligentes (Smart Grids) nos seus planos. Uma rede realmente inteligente inicia-se com a automação das redes de distribuição, onde o religador automático é um bloco chave na construção dessas redes automatizadas. O que os religadores modernos precisam oferecer para serem, verdadeiramente, estes blocos chave? Este artigo tenta resumir a resposta. Introdução: As concessionárias ao redor do mundo enfrentam desafios similares todos os dias para lidar com assuntos de geração, transmissão e distribuição. Estes vão desde qualidade e fornecimento ininterrupto de energia até investimentos e questões comerciais, almejando aumento de receitas, evitando penalidades dos órgãos reguladores (em alguns países) e, finalmente, aumento de retorno financeiro para investidores. Embora não haja uma definição única e universalmente aceita para Smart Grid, o seu conceito certamente está ligado à aplicação de produtos de alta tecnologia para melhorar a operação do sistema elétrico de potência, aumentar a qualidade de energia, aperfeiçoar o uso dos equipamentos, reduzir custos de manutenção e reparo de equipamentos, criar e manter novos serviços geradores de receita, diminuir perdas elétricas nos sistemas de distribuição, reduzir a demanda elétrica geral, vender mais kilowatt-hora de eletricidade, conseguir economias relacionadas à mão-de-obra, alcançar metas ambientais e outros. Considerando os catalisadores de negócios acima, atuais oportunidades na automação da distribuição envolvem melhoria da relação VOLT/VAR, detecção e isolação de falta, restauração, proteção digital e automação do controle, aplicações gerais de monitoramento e diagnóstico, alavancagem de sistemas SCADA, DMS, OMS, GIS e outros. Especialmente para a distribuição, sem dúvidas o mais problemático e, portanto, menos confiável setor do sistema elétrico de potência, a detecção e isolação de falta e posterior restauração permitem que as concessionárias de energia façam a reconfiguração da rede de maneira remota e/ou automática em resposta a desligamentos planejados ou não planejados. Os atuais sistemas inteligentes de proteção digital permitem que tais processos sejam automatizados. O benefício principal da detecção, isolação e restauração após falta é o aumento da confiabilidade, frequentemente medida através dos índices de duração e frequência de interrupção como, por exemplo, o DEC/FEC. Religadores são vistos como blocos chave na construção de redes inteligentes, disponíveis para a detecção, isolação e restauração pós falta nos sistemas de distribuição. A consequência direta desse fato tem sido um crescimento sem precedente na demanda global por este produto. Muitas concessionárias são tentadas a comprarem a solução mais barata. Uma solução completa pra este tipo de produto considera um tanque de longa vida útil com contenção e exaustão de arco interno como segurança, medição de corrente e tensão em ambos os lados do dispositivo e um controle baseado em micro processador avançado capaz de fornecer soluções completas para redes inteligentes. Um religador inteligente oferece um projeto completo, com funcionalidades de Smart Grid integradas, permitindo não apenas controle remoto, mas também automação, medição e registro de dados analógicos para alcançar os objetivos de negócios das
concessionárias. Religadores inteligentes permitem automação da distribuição, medição analógica instantânea para melhoria da relação VOLT/VAR, detecção automática de falta incluindo direcionalidade completa para isolação e restauração automática, múltiplos protocolos de comunicação para integração SCADA e capacidade de mapeamento por GPS para ser integrado aos últimos sistemas DNS. A visão dos autores é que apenas religadores inteligentes, em hardware e software, constroem redes inteligentes. Algumas das importantes características desses computadores em postes são brevemente discutidas nos próximos parágrafos. Hardware Inteligente Embora grande parcela do que um religador inteligente é capaz de realizar esteja intimamente ligada com o código que o seu firmware e software possuem, possuir o hardware correto é a base não apenas para suportar tais softwares avançados, mas também para assegurar uma longa vida útil livre de manutenção e provada em campo. Atuadores Magnéticos Para religadores de poste uma das considerações mais críticas a serem feitas deve estar sempre associada com a energia necessária para operar o dispositivo. Em virtude da instalação em poste, um sistema UPS é necessário para operar o controle e o equipamento de comunicação remota. É também importante que o equipamento de chaveamento/interrupção seja capaz de ser operado independente da presença de AT, assegurando assim operações de abertura e fechamento em linhas não energizadas. Atuadores magnéticos combinados a interruptores a vácuo permitem o máximo em forças de operação e o mínimo em energia necessária, fornecendo assim a melhor solução. Os atuadores magnéticos também permitem a execução de ciclos de religamentos automáticos tão rápidos quanto CO-0.1s-CO-1s-CO-1s-CO, utilizando energia armazenada em capacitores para abrir e fechar o dispositivo. Figura 1 Modelagem 3D no Projeto de Religadores Inteligentes Isolação em Dielétrico Sólido: Sem Óleo / Sem Gás Os religadores automáticos têm sido usados nas redes aéreas de distribuição desde o início dos anos 40, com o advento dos primeiros dispositivos hidráulicos que utilizavam óleo como meio de interrupção e isolação. A evolução então trouxe interruptores a vácuo dentro de tanques de alumínio e aço, óleo como meio de isolação e buchas de porcelana. A próxima geração de produtos utilizava SF 6 como meio de interrupção e isolação. Desenvolvimento posterior trouxe o uso de interruptores a vácuo dentro de tanques com isolação em SF 6 e buchas em porcelana ou poliméricas. Algumas dessas opções de produtos ainda podem ser encontradas atualmente, mas devem ser consideradas como ultrapassadas devido aos riscos de saúde e ambientais associados com o uso de SF 6 e manutenções regulares, não sendo consideradas viáveis atualmente. Houve, então, a introdução de produtos no mercado com interrupção a vácuo e isolação em dielétrico sólido. A maioria desses produtos utiliza resina de epóxi ciclo alifática e embute os interruptores a vácuo nos pólos de resina que estão expostos ao ambiente. Os mecanismos do tipo atuadores magnéticos são então usados para operar cada pólo. Tais atuadores magnéticos são geralmente dispostos em tanques de aço, fornecendo uma base para montagem dos pólos de resina ciclo alifática. Essa última configuração atingiu o objetivo de eliminar o uso de isolantes
nocivos tais como óleo e SF 6, sendo a melhor escolha atualmente, considerando a segurança e o meio ambiente. Contenção e Exaustão de Arco Interno Embora o uso de dielétrico sólido tenha alcançado o objetivo de eliminar o uso de isolantes nocivos como o SF 6 e o óleo, cuidando das questões ambientais atuais, ele não trata das questões de segurança e longa vida útil de maneira aceitável. Os religadores devem fornecer contenção e exaustão de arco interno de acordo com as exigências da IEC62271-200:2003. Esse importante aspecto de segurança assegura que o religador falhe de maneira controlada no caso do desenvolvimento de uma falta dentro do tanque e o respectivo arco não puder ser extinto, resultando na elevação da pressão interna. Essa é uma preocupação que deve ser considerada, particularmente com a crescente prática de instalações em linha viva adotada por concessionárias ao redor do mundo quando da instalação de novas plantas e equipamentos de média tensão não apenas em áreas rurais, mas também urbanas de alta densidade demográfica, como parte dos seus projetos de redes inteligentes. A patenteada contenção e exaustão de arco interno é alcançada através da fabricação do tanque em aço inox com mecanismo exaustor de arco presente no lado do tanque que faceia o poste. Figura 2 Operação da Contenção e Exaustão de Arco Medição de Tensão na Fonte e Carga Para maximizar o desempenho do sistema utilizando todas as funcionalidades de automação, assim como oferecer as configurações de proteção atualmente exigidas pelas concessionárias é necessário a capacidade de medir tensão em todas as seis buchas. Embora a maioria dos religadores possa ser aprimorada para permitir esta medição completa, isto geralmente é alcançado através da instalação de acessórios comprados e instalados posteriormente. Religadores inteligentes devem possuir um conjunto completo de acessórios de medição, ou seja, serem capazes de medir tensão nas seis buchas e corrente nas três fases e neutro, permitindo que funcionalidades de proteção e automação sejam completamente implementadas. Isto pode ser alcançado através de sensores de tensão capacitivamente acoplados e transformadores de corrente, como padrão. Projeto Eletrônico Confiável Religadores inteligentes são, literalmente, computadores avançados instalados em postes. Os postes, por outro lado, constituem ambientes bastante severos para a instalação de computadores, com alto grau de vibração, ruídos e distúrbios elétricos. Por esta razão, ao projetar-se produtos confiáveis de longa vida útil, todo e qualquer aspecto do projeto eletrônico importa e deve ser considerado. Visto que o tanque do religador está localizado próximo às linhas de MT, onde os campos elétricos são mais intensos, e também devido à vibração existente durante o ciclo de operação, é inteligente transferir toda eletrônica ativa do mesmo para a cabine de controle, onde as questões acima mencionadas são minimizadas. PCI s instaladas dentro do tanque já provaram ser um ponto fraco no projeto de religadores visto que não apenas a taxa de falha aumenta significativamente, mas a manutenção sempre requer mais trabalho e implica em custos mais altos. Religadores inteligentes devem possuir projeto modular, tornando a produção, testes, inspeção e eventual substituição
consideravelmente mais fáceis e rápidas. Os módulos propriamente ditos abrigam as placas de circuito impresso e, portanto, devem ser construídos em aço, constituindo em uma gaiola de Faraday para a eletrônica interna e também fornecendo boa sustentação mecânica. A comunicação entre os diferentes módulos deve ser feita através de cabos curtos e bem isolados para reduzir interferências e ruídos nos sinais mv, assim como eliminar contatos elétricos incipientes através de conexões apropriadas e robustas, tornando o interior da cabine mais limpo e organizado. Tal comunicação também deve ser regida por um protocolo confiável como o CAN, largamente utilizado nas indústrias automotiva e aeronáutica, onde o erro pode ser fatal. A combinação das melhorias incrementais acima descritas contribui para um excelente desempenho em campo, percebido apenas quando o equipamento é colocado em operação. Controle Baseado em FPGA Os controles dos religadores inteligentes exigem sofisticados processamentos de sinais para disponibilizarem as funcionalidades de proteção, medição e automação. OS FPGA s fornecem a capacidade de realizar processamento paralelo permitindo que algoritmos complexos sejam processados simultaneamente. Um FPGA é capaz de calcular todos os componentes fundamentais de proteção e medição, incluindo sequência de componentes e dados. Ao utilizar um FPGA e as ferramentas de síntese é possível otimizar o sistema analógico e permitir ao processador principal acesso direto à base de dados de sinais analógicos do FPGA. Figura 3 Diagrama de Controle Baseado em FPGA Suporte de Campo Simples & Poderoso A comunicação remota é um dos pontos fortes das redes inteligentes, permitindo que operadores monitorem e controlem religadores a grandes distâncias e, portanto, evita custos relacionados a deslocamento destes operadores. Todavia, apesar da existência e desenvolvimento contínuo dos meios de comunicação, eles também sofrem cortes e nem sempre estão disponíveis. Além disso, algum nível de manutenção operacional sempre será necessário ao substituir-se uma bateria, um módulo ou, talvez, realizar alguma limpeza. Quando essas situações ocorrem, o controle do religador deve possuir uma interface completa e simples com operador, permitindo monitoramento completo e ajustes das configurações de proteção e comunicação através de navegação inteligente. Itens como um grande LCD capaz de disponibilizar todas as informações necessárias de uma só vez, eliminando rolagens excessivas, combinado a teclas de atalho e LED s de sinalização fazem da experiência de campo algo simples. A interface com o operador também deve fornecer completo suporte de idiomas, permitindo que usuários em países diferentes tenham as mesmas vantagens em equipamentos poderosos como os religadores inteligentes.
Software Inteligente Combinado à disponibilidade de hardware de alta eficiência, o desenvolvimento de softwares inteligentes abre o caminho para infinitas possibilidades com relação a proteção, automação, comunicação e registro de dados. Isso é importante enfatizar visto que as tendências e necessidades das redes inteligentes são dinâmicas e os softwares (tanto firmware embutidos quanto software de aplicação em PC) bem estruturados devem estar prontos para um desenvolvimento rápido e contínuo. No entanto, as atuais funcionalidades básicas para religadores inteligentes incluem: Proteção Direcional Completa O sistema elétrico atual é formado por circuitos distintos que estão sendo gradativamente interconectados uns aos outros devido ao compartilhamento e transferência de carga, necessidades de retaguarda, etc., formando uma rede maior e de múltiplas fontes onde lados fonte e carga nem sempre podem ser determinados. Da perspectiva do religador, a impedância e, portanto, níveis de curto, assim como número de outros dispositivos de proteção, diferem nos circuitos à montante e à jusante. item obrigatório para religadores inteligentes. Algoritmos de Automação Embarcados Isolação de carga viva e self healing são outros dois conceitos que estão se tornando cada vez mais importantes conforme a rede se diversifica e as exigências por fornecimento ininterrupto provem não apenas dos órgãos reguladores, mas também dos consumidores. Em situações onde a fonte principal está desligada pode ser necessário prevenir que cargas vivas realizem alimentação inversa através de religamento controlado por tensão (VRC). Está funcionalidade monitora a presença de tensão em ambos os lados do religador e inibe uma operação de fechamento caso não haja tensão no lado fonte. Controles inteligentes também permitem a configuração dos lados fonte e carga e também possuem modo anel. A VRC também é entrada de outros algoritmos de self healing como o Restauração Automática de Alimentação (ABR), que permite que pontos NA funcionem como chaves inteligentes de backup, restaurando a alimentação a partir de um alimentador secundário após decidir sozinha que a situação exigiu tal providência. Estudos prévios são necessários, porém uma vez que o equipamento tenha sido programado corretamente eles vão pensar e agir para reduzir desligamentos e áreas afetadas, assim como restabelecer o fornecimento para cargas críticas, como hospitais e escritórios de concessionárias. Figura 4 Proteção Direcional Completa em Redes de Múltiplas Fontes A capacidade de realizar proteção direcional completa permite que o religador seja programado com ajustes de proteção (incluindo mapa de auto religamento, curvas e tempos) completamente diferentes e independentes, dependento do sentido da falta: direta ou reversa. O controle programado com o ângulo de torque correto é capaz de determinar tal direção e aplicar os ajustes de proteção pertinentes, objetivando a isolação adequada da falta. Tal funcionalidade depende da medição completa de corrente e tensão, sendo um Figura 3 Algoritmo de Self Healing Conforme o número de religadores instalados na rede torna-se maior, as concessionárias enfrentam o desafio de realizar a coordenação correta e possível entre dispositivos de proteção em série.
Funcionalidades tais como Coordenação de Sequência de Zona (ZSC) e Adição Provisória de Tempo (TTA) permitem que religadores em série se mantenham sincronizados durante o processo de isolação de falta, mesmo quando estão configurados com curvas de proteção similares ou idênticas, respectivamente. Esse último caso pode ser necessário quando o alimentador está divido por um grande número de religadores coordenados entre si e todos precisam operar abaixo de 0,8 1,0s antes do disjuntor principal da SE. Poderoso Software de Aplicação Projetado em conjunto com a chave e o controle, poderosos softwares de aplicação também devem ser disponibilizados pelos fabricantes para permitir completa configuração, monitoramento de dados e captura dos eventos para fins de planejamento da proteção e automação, assim como para estudos do sistema elétrico ou resolução de possíveis problemas do equipamento. Estes softwares também devem permitir que o usuário gerencie seus arquivos de forma inteligente, inclusive através do compartilhamento e transferência (cópia) de conteúdo entre eles Softwares mais avançados também aceitam o endereço de instalação do dispositivo (ou coordenadas de latitude e longitude) e o encontra, por exemplo, utilizando o Google Maps. Isto permite que o usuário visualize o equipamento real no poste e também as áreas circunvizinhas. A interface gráfica torna os estudos de coordenação e seletividade simples e fáceis ao fornecerem ao usuário conjuntos de curvas padrão ou não (incluindo curvas definidas pelo usuário) e parâmetros modificadores para customizações. Tal interface também deve exibir as alterações feitas nas curvas assim que elas ocorrem. Figura 4 Software de Aplicação Completo e Inteligente Softwares de aplicação combinados ao firmware inteligente do controle permitem configuração completa do protocolo, incluindo identificação dos pontos, classes, banda morta, etc., tornando possível a integração dos dispositivos a quaisquer estações mestre pré-existentes. Afinal, limitações não são inteligentes. Registro de Dados O gerenciamento de redes inteligentes está intimamente ligado com as capacidades de entender a rede e gerenciar as interligações para melhor distribuir as cargas e reduzir picos, quando possível. Os dados disponibilizados pelos religadores inteligentes devem poder ser acessados remotamente pelo sistema SCADA, fornecendo informações detalhadas e precisas sobre cada alimentador. Informações como estas podem ser usadas no compartilhamento de carga e planejamento do crescimento da rede. Simulação Ferramentas de simulação que permitem o desenvolvimento e testes de cenários de falta são cruciais no desenvolvimento e comissionamento de soluções de Smart Grid. Como sequências complexas de simulação do sistema elétrico de potência não são facilmente geradas, ferramentas de injeção primária e secundária podem ser programadas e injetadas nos dispositivos através de ferramentas de simulação de PC. Acesso de Engenharia Remoto & Completo Com o advento dos sistemas de comunicação TCP/IP, o compartilhamento de canais de comunicação para o acesso remoto a múltiplos dispositivos é prática
comum atualmente. Com a pilha IP fornecida nos controles inteligentes, os protocolos SCADA podem ser roteados, os protocolos do mestre SCADA e proprietário podem ser roteados para os softwares remotos dos fabricantes, permitindo completo acesso de engenharia aos controles dos religadores inteligentes. A comunicação TCP/IP é o futuro das redes de distribuição inteligentes. Biografia: Conclusão: As redes inteligentes (Smart Grids) são o futuro da indústria de distribuição de energia elétrica. Muitas concessionárias possuem orçamentos grandiosos e planos detalhados de Smart Grid para serem executados ao longo da próxima década, sendo a cuidadosa escolha do religador automático que será o bloco chave na construção das redes inteligentes será o principal fator de sucesso. Neil O Sullivan é Presidente da NOJA Power Switchgear Pty Ltd. Ele é membro do IEEE e possui mais de 20 anos de experiência na indústria de energia. Sua experiência inclui projeto, fabricação, marketing, vendas e serviço de produtos de interrupção em média tensão. Sua atuação na indústria o levou a trabalhar com concessionárias e empresas de energia em todos os continentes. Com tal experiência vem um considerável entendimento sobre as atividades e práticas atuais das concessionárias, principalmente nas aplicações de equipamentos de chaveamento e interrupção nas suas redes. Bruno Kimura é Diretor de Operações da RMS Electric Ltda., distribuidora exclusiva da NOJA Power no Brasil. Sua experiência inclui treinamento intensivo na matriz da NOJA Power na Austrália, fornecimento de treinamento e suporte técnico para inúmeras concessionárias de energia elétrica no Brasil, assim como atividades de desenvolvimento de negócios no Brasil e exterior.