Uso de Mensagens Analógicas GOOSE para Controle de Tapes em Transformadores Operando em Paralelo Luis Fabiano dos Santos* ABB Zoran Gajic ABB Brasil, Suécia RESUMO A introdução da Norma IEC61850 para automação de subestações tem possibilitado algumas reflexões que resultam em novas posturas no desenvolvimento de soluções de proteção, controle e automação. Por isso, o uso desta norma deve ser visto não apenas no âmbito de sistemas supervisórios e de redes de comunicação, mas também no contexto de soluções de automatismos e de lógicas. A automação de subestações deve ser entendida não apenas como a interface do sistema SCADA, que possui agora maior homogeneidade de aplicação de acordo com a definição de interoperabilidade e de um modelo de dados padronizado, mas também como uma estrutura que permite uma nova visão de concepção de esquemas de proteção e controle. Sistemas complexos de automação elétrica podem ser desenvolvidos sem a existência de nenhuma interface homem máquina, e para tal devem ser concebidos deste o início através de uma definição clara das funcionalidades e requisitos necessários. Como exemplo, este trabalho apresenta uma solução onde o controle de paralelismo de transformadores que possuem comutadores sob carga é feito través da troca de mensagens analógicas GOOSE entre os reguladores. A funcionalidade de controle dos comutadores de tape é desenvolvida de acordo com a Norma IEC61850, com o uso dos nós lógicos (LNs) denominados YLTC e ATCC, que estão disponíveis em cada um dos IEDs de proteção e controle dos transformadores. O trabalho destaca os principais métodos de controle de paralelismo de transformadores, ressaltando os métodos que exigem troca de informações entre os controladores através de comunicação. PALAVRAS CHAVE IEC61850, GOOSE, OLTC, Controle de Tapes, Transformadores em Paralelo. *Avenida Monteiro Lobato, 3411 - CEP 07190-904 - Guarulhos - SP BRASIL Tel.: (011) 2464-8321 - Fax: (011) 2464-8660 - e-mail: luis.fabiano@br.abb.com
Introdução Para se manter a tensão da rede em um nível constante os transformadores de potência são geralmente equipados com um Comutador de Tapes sob Carga (OLTC, do inglês On-Load Tap Changer). Este dispositivo altera a relação de transformação em um número prédefinido de passos e desta forma altera também a tensão, que pode ser controlada no ponto de medição da tensão, ou no ponto da carga localizado na rede. Neste último caso a tensão no ponto da carga é calculada baseando-se na corrente de carga medida e na impedância conhecida desde o ponto de medição da tensão até o ponto da carga. O controle automático da tensão pode ser feito tanto para um transformador singelo quanto para transformadores operando em paralelo. Por sua vez, o controle para transformadores operando em paralelo pode ser feito de diferentes maneiras: Método da Reatância Reversa, Método Mestre-Seguidor e Método de Corrente de Circulação Dentre estas alternativas a segunda e a terceira requerem comunicação entre as funções de controle de tensão para transformadores de um grupo paralelo, e permitem a aplicação de rede de comunicação em IEC61850. 1. Funcionalidade de Controle Automático de Tensão A função de controle de tensão é concebida para automaticamente manter a tensão na baixa tensão de um transformador dentro de limites específicos em torno de um valor de tensão pré-ajustado. Para se obter isto a função de controle de tensão mede a amplitude da tensão da barra (UB) do lado de baixa tensão e, se nenhum outro recurso está habilitado (por exemplo, compensação de queda de tensão na linha), esta tensão será então usada para a regulação de tensão. A função de controle de tensão compara a tensão medida com o valor de tensão ajustado. Uma banda morta é definida com o objetivo de evitar chaveamentos desnecessários em torno do valor ajustado. Como exemplo, uma banda morta simétrica em torno do valor de ajuste é mostrada na Figura 1, destacando-se uma região interna e outra externa de banda morta, que permite a definição da relação de reset da função. Faixa segura Modo autom. Comando dim. Comando Comando Comando diminuir rápido está bloqueado está bloqueado Δ Δ aumentar diminuir Comando aumentar Faixa interna está bloqueado 0 U block U U 1 U set U 2 U max Tensão min Figura 1: Escala de tensão para ações de controle 1
Durante as condições normais de operação se a tensão da barra UB permanecer dentro da zona externa da banda morta, ou seja, no intervalo entre U1 e U2 na Figura 1, nenhuma ação será tomada pela função de controle. No entanto, uma seqüência será iniciada se a tensão UB for medida fora da zona externa de banda morta, isto é, UB se torna menor que U1 ou maior que U2. O primeiro passo na seqüência é iniciar um temporizador. Este temporizador será incrementado enquanto a tensão medida permanecer fora da zona interna de banda morta. O comando apropriado de aumentar ou diminuir tape será efetivado se a tensão UB permanecer fora da zona interna de banda morta quando o temporizador contabilizar o tempo ajustado. Se necessário, o procedimento de aumentar ou diminuir tapes será repetido até que a amplitude da tensão na barra seja medida dentro da região interna de banda morta. Compensação de queda de tensão na linha: a finalidade da compensação de queda de tensão na linha é controlar a tensão não no lado de baixa tensão do transformador, mas em um ponto próximo a carga, ou seja, a finalidade é controlar a tensão UL com relação ao ajuste de tensão, e não UB. A tensão na carga UL pode ser obtida através de um simples cálculo vetorial, conforme mostrado na Figura 2. UB é a tensão medida na barra e IL a corrente de carga do transformador (ou grupo de transformadores em paralelo). RL e XL são a resistência e reatância da linha, respectivamente, desde a barra da estação até o ponto de carga, que devem ser ajustadas. Se mais de uma linha estiver conectada ao lado de baixa tensão uma impedância equivalente deve ser calculada e informada através de ajuste. I L R L X L Carga U B U L Im U B ϕ U L R L I L jx L I L Re I L Figura 2: Diagrama vetorial para compensação de tensão na linha Nos casos de transformadores operando em paralelo a funcionalidade de compensação de queda de tensão na linha irá exigir comunicação entre os grupos de transformadores. O controle automático de tensão pode ainda apresentar outras funcionalidades que dependem de comunicação para um melhor desempenho, conforme a seguir: Prevenção de comutação simultânea: isto é aplicável ao método de corrente circulante, ou de circulação, para controle de tapes em transformadores operando em paralelo. Um transformador é selecionado para comutar o tape primeiro. Se a tensão medida estiver fora da zona externa de banda morta a função de controle de tensão deste transformador irá então iniciar o temporizador e, após a contagem apropriada do tempo, irá efetivar o comando de aumentar ou diminuir o tape. Se ainda existir a necessidade de mais comutações para trazer a tensão da barra para dentro da zona interna de banda morta, a função de controle de tensão do transformador selecionado para ser o próximo a comutar irá 2
iniciar o temporizador apropriado, e irá efetuar o comando de aumentar ou diminuir tape conforme necessário, até que todas as tensões medidas estejam dentro dos limites estabelecidos, suficientes para interromper a seqüência de comutação. Homing: o termo Homing define o controle automático ativo para corrigir a posição de tape de um transformador hot-standy em um grupo, e que possua o disjuntor do lado de baixa tensão aberto. 2. Controle Automático de Transformadores em Paralelo O controle automático de transformadores operando em paralelo significa o controle de dois ou mais transformadores conectados ao mesmo barramento no lado de baixa tensão, e na maioria dos casos também no lado de alta tensão. Conforme destacado anteriormente, existem três métodos alternativos a serem usados, a saber: método do mestre-seguidor, método de corrente de circulação e método de reatância reversa. Dentre estes métodos apenas os dois primeiros exigem comunicação entre as funções de controle de tensão, que pode atualmente ser realizada através de uma rede comunicação baseada em IEC61850 e no uso de mensagens GOOSE, conforme ilustrado pela Figura 3. Assim, apenas estes dois métodos serão abordados na análise que segue. Figura 3: Interfaces do controle automático para transformadores em paralelo 2.1. Controle Paralelo com Método Mestre-Seguidor No método mestre-seguidor um dos transformadores é selecionado como o mestre, e irá regular a tensão de acordo com os princípios descritos anteriormente. O mestre selecionado precisa informar as demais funções de controle que operam no mesmo grupo de transformadores de seu estado de mestre. Os seguidores, por sua vez, podem geralmente agir de duas maneiras: 3
Seguir os comandos de aumentar e diminuir tapes do mestre, independentemente de suas posições de tapes individuais. Para operar desta forma, o mestre ao decidir a ação de comando de aumentar ou diminuir deve enviar essa informação a todos os seguidores no mesmo grupo. Efetivamente, isto significa que se as posições de tape dos seguidores estiverem harmonizadas com o mestre desde o início elas irão permanecer assim enquanto todos os transformadores do grupo paralelo continuarem a participar do controle paralelo. Por outro lado, se, por exemplo, um transformador for desconectado do grupo e perder uma operação de tape (com a função Homing não habilitada), e depois for re-conectado ao grupo novamente, irá participar na regulação com uma posição de tape distinta (offset). Seguir a posição de tape do mestre. Os seguidores devem ler a posição de tape do mestre e adotar a mesma posição de tape, ou uma posição com um determinado offset relativo ao mestre. Para operar desta forma, o mestre deve enviar sua posição de tape a todos os transformadores que pertencem ao grupo. Se o controle automático de tensão do mestre for, por alguma razão, bloqueado, os seguidores não irão comutar os tapes por conta própria, ou seja, o estado de bloqueado do mestre não precisa ser enviado aos seguidores. No entanto, se a função de controle de tensão de um seguidor for bloqueada existe a necessidade de enviar esta informação para o mestre, tendo em vista que o mestre deve bloquear seu controle automático. Qualquer seguidor bloqueado deve, portanto, enviar esta informação de estado bloqueado ao mestre. A Figura 4 ilustra um exemplo de configuração com três transformadores operando em paralelo, e como a troca de informações pode ser realizada através de mensagens GOOSE. Figura 4: Troca de informações através de mensagens GOOSE Informação sobre a topologia da barra, isto é, a posição dos disjuntores e seccionadoras, indicando quais transformadores estão conectados a quais barras, e quais barras estão conectadas entre si, são informações vitais que devem ser fornecidas à função de controle de tensão, pois isto informa quais transformadores devem ser considerados no controle 4
paralelo. Quando um transformador do grupo paralelo é desconectado, de maneira que não mais é um participante ativo no grupo (disjuntor do lado de baixa tensão aberto) as ações subseqüentes irão de depender se o transformador com o disjuntor aberto é o mestre ou um dos seguidores: Se for o mestre, o controle automático deve ser imediatamente bloqueado (mestre bloqueado), uma vez que o grupo paralelo não mais terá um mestre. Não existe, portanto, necessidade de notificar os seguidores sobre o estado de desconectado do mestre. Se for um seguidor, sua função de controle de tensão irá normalmente gerar um sinal de bloqueio se a diferença de tape entre ele e o mestre for maior que certo valor. Entretanto, se o seguidor se tornar desconectado irá enviar uma notificação disto ao mestre, e o mestre irá então ignorar qualquer condição de bloqueio do seguidor. 2.2. Controle Paralelo com Método de Corrente Circulante Em um grupo paralelo tipicamente um transformador com um tape na posição mais elevada terá a maior tensão no lado de baixa tensão para a condição sem carga do que um transformador com uma posição de tape menor. Esta não igualdade entre as tensões para a condição sem carga, ou seja, posições distintas dos tapes, irá causar uma corrente de circulação entre os transformadores. Um transformador com a maior tensão para a condição sem carga irá produzir a corrente de circulação, enquanto que o transformador com a menor tensão irá receber a corrente de circulação. Quando carga for acrescentada aos transformadores a corrente de circulação irá permanecer a mesma, mas estará sobreposta à corrente de carga em cada transformador. Assim, o transformador produzindo a corrente circulante terá esta corrente somada à corrente de carga, ao passo que o transformador recebendo a corrente circulante terá esta corrente subtraída à corrente de carga, conforme ilustra a Figura 5. O controle de tensão de transformadores operando em paralelo com o método da corrente de circulação exige uma extensiva troca de dados entre as funções de controle de tensão de cada transformador, e procura minimizar a corrente circulante para um determinado valor de tensão, tentando assegurar: Que a tensão da barra, ou da carga, é regulada a um valor pré-ajustado Que a carga reativa total é compartilhada entre os transformadores paralelos na proporção de suas reatâncias de curto circuito A tensão de barra UB é medida individualmente para cada transformador do grupo paralelo através de sua função de controle de tensão associada. Para assegurar que o mesmo valor de tensão de barra é usado por todas as funções de controle de tensão, evitando assim que uma medição errônea de um transformador de potencial possa atrapalhar a regulação de tensão, cada função de controle de tensão deve calcular o valor médio de todos os valores de tensão UB medidos, e usar este valor ao invés do valor de UB. Para isso, todas as funções de controle de tensão de cada transformador do grupo devem enviar às demais funções o valor de UB medido. 5
Figura 5: Diagrama vetorial para dois transformadores com corrente de circulação Conforme mencionado, cada função de controle de tensão mede a corrente I, que é a corrente que flui através do transformador. No entanto, para realizar a regulação de tensão usando o método de corrente circulante cada função de controle de tensão deve determinar qual é a corrente de circulação Icc que flui através do transformador. Para se fazer isto a função subtrai da corrente medida sua contribuição para a corrente total IL que flui através do grupo de transformadores. Para se calcular esta contribuição cada função de controle de tensão deve primeiro calcular a corrente de carga total IL. Isto exige que cada função de controle de tensão envie para todas as outras funções de controle operando no grupo paralelo seu valor de corrente medido. A seguir, cada função de controle de tensão deve calcular a contribuição através de seu próprio transformador para a corrente de carga total Após o cálculo da corrente de circulação que flui no próprio transformador cada função de controle de tensão do grupo paralelo calcula sua tensão para a condição sem carga, convertendo o valor obtido de corrente para um desvio de tensão. A tensão para a condição sem carga U será maior que UBMédio para transformadores que produzem a corrente de circulação, e menor para transformadores que recebem a corrente de circulação. Cada função de controle de tensão trata o valor calculado de sua tensão para a condição sem carga como a tensão medida na barra, e as ações de controle são tomadas de acordo com o controle automático de tensão para um transformador simples: A tensão para a condição sem carga calculada é comparada com um valor de tensão ajustado Um desvio estável fora da região externa de banda morta irá resultar no comando apropriado de tape A posição do comutador de tapes é diretamente proporcional à tensão para a condição sem carga 6
Diferentes valores de ajuste para cada transformador podem tornar a regulação de tensão instável, e por esta razão o valor médio de ajuste é recomendado para a operação em paralelo através do método de corrente circulante. Para isso, cada função de controle de tensão deve enviar às demais funções do grupo os valores de ajustes. Se o controle automático de qualquer função de controle de tensão for bloqueado, todas as demais funções de controle operando no grupo paralelo devem também ser bloqueadas. Assim, a função bloqueada deve enviar uma notificação às demais funções que operam no mesmo grupo. Assim como no método mestre-seguidor, a informação da topologia da barra é vital para as funções de controle de tensão que operam segundo o método de corrente de circulação, pois isto informa quais transformadores estão no grupo. Quando um transformador do grupo se desconecta, de maneira que não mais participa do grupo de maneira ativa, sua função de controle de tensão deve notificar todas as demais funções do grupo. O controle automático neste transformador estará bloqueado, a não ser que a funcionalidade hot-standby ou homing esteja habilitada. 3. Comunicação entre Funções de Controle de Tensão Todos os sinais necessários, tanto analógicos quanto binários, para ambos os métodos mestre-seguidor ou corrente de circulação, podem ser comunicados entre os IEDs participantes do grupo paralelo através de mensagens GOOSE do protocolo IEC61850-8-1. Supondo que cada IED possua apenas uma função de controle de tensão, cada função possui dados que precisam ser transmitidos para outra função. O conjunto de dados (Dataset) que contem a informação que necessita ser enviada deve ser configurado, e tipicamente possui os seguintes itens: LD0.TR8ATCC1.VCTRStatus.stVal, fc="st" LD0.TR8ATCC1.LodARe.mag.f, fc="mx" LD0.TR8ATCC1.LodAIm.mag.f, fc="mx" LD0.TR8ATCC1.SetV.mag.f, fc="mx" LD0.TR8ATCC1.PosRel.mag.f, fc="mx" LD0.TR8ATCC1.BusV.mag.f, fc="mx" LD0.TR8ATCC1.X2.mag.f, fc="mx" Este conjunto de dados deve ser adicionado ao bloco de controle de GOOSE (GOOSE Control Block) no IED apropriado, juntamente com os devidos atributos, tais como: mintime, maxtime, MAC Address, etc. Assim, cada função de controle irá enviar o mesmo conjunto de dados, mas cada função de controle, ou mais especificamente cada IED que contem a função de controle, terá um único endereço para o bloco de controle de GOOSE. Isto irá garantir que os dados são únicos dentro do barramento de comunicação. Para receber estes dados de outros transformadores, cada função de controle de tensão deve assinar as mensagens GOOSE enviadas pelos demais IEDs do sistema. A assinatura a estas mensagens GOOSE irá permitir que a função de controle de tensão opere em paralelo utilizando dados de outros transformadores. Esta operação em paralelo deve considerar apenas as mensagens GOOSE de funções de controle de tensão trabalhando no grupo paralelo, conforme a configuração da estação ou ajustes. 7
A informação de configuração da estação, como por exemplo, estados de seccionadoras, disjuntores, etc., pode também ser recebida através de mensagens GOOSE, permitindo às funções de controle de tensão determinar seu estado de conexão e controle. Para as funções de controle de tensão assinarem a informação de topologia da estação, os estados de disjuntores e seccionadoras devem ser transmitidos via GOOSE a partir dos dispositivos que contém a informação que chega por cabo convencional, o que poderia ser feito a partir de um IED de controle de bay, por exemplo. Este dispositivo, ou IED, de controle de bay deve possuir um bloco de controle de GOOSE com os conjuntos de dados associados, contendo as informações XSWI, XCBR e CSWI, e que a função de controle de tensão deve assinar. A funcionalidade de controle dos comutadores de tape é desenvolvida de acordo com a Norma IEC61850. Assim, os nós lógicos LNs, denominados YLTC e ATCC, estão disponíveis em cada um dos IEDs. Os nós lógicos YLTC representam o mecanismo do comutador sob carga, e integram a funcionalidade de, por exemplo: leitura de posição do tape, supervisão do mecanismo do comutador sob carga, e envio de comando manual e automático para aumentar ou diminuir seu valor. Os nós lógicos ATCC, por outro lado, representam o controle automático do regulador propriamente dito, e integram a funcionalidade como medição e supervisão de tensão, temporização, compensação de queda de linha, medição de corrente circulante e compensação. O nó lógico do comutador YLTC é uma interface entre o controlador ATCC e o mecanismo físico OLTC do transformador. Mais especificamente isto significa que o nó lógico YLTC recebe a informação do nó lógico ATCC, e baseando-se nesta informação envia os pulsos de comando para o acionamento motorizado do comutador sob carga (OLTC); e também recebe informação do OLTC com relação à posição de tape, progresso dos comandos enviados, etc. O nó lógico YLTC também pode trabalhar enviando informações para o nó lógico PDIF de proteção diferencial sobre a posição dos tapes, permitindo que a função diferencial possa compensar a posição dos tapes no cálculo do elemento de proteção. A Figura 6 ilustra a conexão entre os nós lógicos ATCC e YLTC. Figura 6: Conexão entre ATCC e YLTC 8
O controle automático é automaticamente bloqueado se a comunicação horizontal GOOSE para qualquer uma das funções de controle de tensão no grupo paralelo falhar, ou seja, todas as funções de controle de tensão que pertencem ao mesmo grupo paralelo serão bloqueadas. 4. Conclusão O artigo descreveu uma funcionalidade de controle de tensão típica para aplicações em transformadores que operam em paralelo, enfatizando os sinais que precisam ser trocados através de comunicação entre as funções de controle de tensão, cada uma associada a um transformador, tanto para o método mestre-seguidor quanto para o método de corrente de circulação. A interface de comunicação escolhida para esta abordagem utiliza as mensagens GOOSE do protocolo IEC61850-8-1, utilizando um conjunto de dados específico. Assim, uma vez que utiliza a IEC61850 não exige uma interface de comunicação proprietária adicional, e pode ser implementada usando a infra-estrutura IEC61850 já existente do sistema de automação da subestação. Finalmente, permite que se tenham as vantagens de todos os benefícios que podem ser obtidos de uma instalação em IEC61850. BIBLIOGRAFIA [1] M.Kockott, Z.Gajic, S.Aganovic, C.Delport Using IEC61850 GOOSE Messages for OLTC Control of Parallel Transformers, South Africa, 2007. [2] L.Fabiano, S.Troedsson, Proteção e Controle com Características Adaptativas para Transformadores, VII STPC, Rio de Janeiro, 2003. [3] A.G.Phadke, J.S.Thorp, Computer Relaying for Power Systems, Research Studies Ltd., Taunton, Somerset, England, 2000. [4] W.Elmore, Protective Relaying: Theory and Applications, ABB Power T&D Company, Florida. 9