Modeling of Electrical Protection Functions of Hydropower Plants Using the ATP

IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 14, NO. 3, MARCH 2016 1265 Modeling of Electrical Protection Functions of Hydropower Plants Using the ATP L. S. Resende and E. G. D. Silveira Abstract This paper presents the implementation and simulation of electrical protection functions in ATP / ATPDraw software through the MODELS language. The simulations are performed using blocks resident in the ATP / ATPDraw for representation of the main equipment and building blocks developed in the MODELS language for modeling of protection relays. The used model allows the simulation in closed loop, whose main advantage is the ability to assess the behavior of the electric power system against transient and operation of your protection as well as the protection front the most diverse operating conditions to which a system is subjected. All data relating to power equipment used in the simulation (generators, step-up transformers and transmission lines) are a real plant, linked to the Brazilian electrical system. O Keywords Electrical Protection, ATP, MODELS. I. INTRODUÇÃO S PROPRIETÁRIOS de usinas hidrelétricas buscam continuamente a redução dos custos associados à instalação, operação e manutenção de suas plantas. Além desta redução de custos, visando aumentar a lucratividade do empreendimento, ou até mesmo a viabilização deste, é necessário que as usinas hidrelétricas operem de forma contínua a maior tempo, ou seja, que possuam altas taxas de disponibilidade. Soluções que atendam a necessidade de redução de custos de implantação, em geral, estão associadas à utilização de arranjos que utilizem um número reduzido de equipamentos e dispositivos. Dentre os diversos sistemas que tendem a ser simplificados está o sistema de proteção elétrica da planta. Sua simplificação se dá através da redução da quantidade relés de proteção e transformadores de corrente e de potencial que são empregados. Por outro lado, para serem obtidas altas taxas de disponibilidade da planta, faz-se necessário que o sistema de proteção elétrica opere de forma rápida, confiável, segura e seletiva. Tal necessidade é ainda maior no caso de sistemas elétricos de potência operando de forma interligada, nos quais os distúrbios propagam-se rapidamente pela rede. Nesse sentido, faz-se necessário analisar o desempenho das funções de proteção elétrica nas mais diversas situações às quais ela está sujeita na operação de um sistema elétrico de potência. L. S. Resende, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG), Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, lresende.lucas@gmail.com E. G. D. Silveira, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG), Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil, eduardo@deii.cefetmg.br Os softwares normalmente utilizados para a análise de sistemas de proteção possuem limitações em seus modelos, por serem estes dedicados à análise do sistema na sua frequência fundamental. Nesse sentido, o uso de softwares do tipo EMTP (ElectroMagnetic Transients Program) vem se mostrando uma alternativa viável para a modelagem e simulação de relés de proteção, uma vez que utilizam modelos mais elaborados para a representação dos componentes do sistema elétrico, além de permitirem a implementação de modelos mais aprimorados dos relés numéricos microprocessados [1]. Na modelagem de relés de proteção elétrica no software ATP (Alternative Transients Program), alguns trabalhos abordam a proteção de distância de linhas de transmissão [2] e [3]. Em [1], é apresentada a modelagem e simulação de um relé numérico microprocessado em que se implementa os algoritmos da proteção diferencial de transformadores de potência utilizando-se o software ATP/ATPDraw, sendo o relé implementado no ambiente MODELS. Em [4], é simulada através da MODELS a proteção diferencial de barras de alta impedância. Em [5], utiliza-se a interface foreign models e a biblioteca MinGW do ATP para simular um modelo de relé de distância desenvolvido na linguagem de programação C++. Em [6], é modelada a proteção de distância para linhas de transmissão de três terminais com a utilização apenas da linguagem MODELS. A utilização de ondas resultantes da simulação do transformador com a subrotina BCTRAN no ATP para a avaliação do relé de proteção diferencial cujo algoritmo foi implementado no MATLAB é apresentada em [7]. Já em [8], é apresentada uma abordagem para a simulação interativa de sistemas de proteção elétrica. Nesta abordagem, o sistema elétrico é modelado no ATP e são utilizados MODELS externos, foreign models, programados em C++ dentro da seção MODELS do ATP para modelagem do relé de proteção. Isso permite se obter um relé modelado com a filosofia de programação orientada a objetos. Este trabalho apresenta a modelagem e a avaliação da operação de algumas funções de proteção usualmente empregadas nos sistemas de proteção elétrica de usinas hidrelétricas através de simulações no software ATP/ATPDraw com a utilização dos dados de uma planta de geração hidrelétrica real. II. MODELAGEM DE RELÉS DE PROTEÇÃO NO ATP/ATPDRAW A simulação da operação de uma planta sobre as mais diversas condições de faltas possibilita uma compreensão mais detalhada das características de operação dos diversos componentes da mesma, seja de forma individual ou

1266 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 14, NO. 3, MARCH 2016 interligados. O software ATP/ATPDraw se apresenta como uma importante ferramenta para simulação de uma usina hidrelétrica e seu sistema de proteção, pois dispõe de vários modelos para a representação dos componentes do sistema elétrico de potência, bem como permite o desenvolvimento e utilização de novos modelos. A. O ATP/ATPDraw O ATP é um dos programas mais utilizados para simulação digital de fenômenos transitórios de natureza eletromagnética em sistemas elétricos de potência. Com ele, redes complexas e sistemas de controle podem ser simulados. O ATPDraw é uma interface para a utilização do ATP. No ATPDraw pode se efetuar a entrada de dados através de uma interface gráfica bem elaborada que permite uma visualização do esquema elétrico da rede que se pretende simular. Também podem ser acessados programas auxiliares e analisar os resultados ou apresentá-los em formato gráfico. A utilização do ATPDraw é uma ferramenta recomendada na utilização do ATP, posto que o usuário se concentra na rede a simular e nos dados de cada componente a ser modelado [9]. Conforme apresentado na Fig. 1, os componentes existentes no ATP estão disponíveis no menu do ATPDraw, assim como algumas TACS (Transient Analysis of Control Systems) prédefinidas. Porém, o usuário também possui a facilidade de criar novos componentes utilizando MODELS e DATA BASE MODULE diretamente na interface, aumentando ainda mais a gama de possibilidades de simulação. Figura 1. Janela do ATPDraw. B. A Linguagem MODELS A MODELS é uma linguagem de programação residente no software ATP, por meio da qual novos componentes podem ser desenvolvidos através da descrição da estrutura do modelo e das funções dos seus elementos. Ela tem ganhado popularidade nas últimas décadas em trabalhos de modelagem de fenômenos de transitórios eletromagnéticos. Seu ambiente permite a modelagem de componentes específicos do sistema elétrico de potência, tais como os seus dispositivos de proteção [9]. A MODELS provê o monitoramento e controle dos modelos de sistemas de potência no ATP. As tensões nos nós, correntes nos ramos e estados das chaves do sistema no ATP são sinais e variáveis que podem ser enviadas para a MODELS, que pode fornecer sinais de saída a serem enviados para o ATP, provocando alterações no seu estado de operação mediante comutação de suas chaves ou mudança nos valores de suas impedâncias e fontes. Assim, o estado do modelo do sistema elétrico no ATP pode ser dinamicamente modificado em resposta às saídas da MODELS. Esse processo é chamado de simulação em malha fechada, por meio do qual é possível a simulação da interação entre o sistema de potência e seus sistemas de medição, proteção e controle [1]. Um componente criado na MODELS recebe sinais de corrente e tensão do ATP/ATPDraw, que podem ser manipulados de tal forma a gerar uma resposta a ser novamente enviada ao sistema como, por exemplo, um relé de proteção envia um sinal para abertura de um disjuntor. C. Blocos residentes no ATP/ATPDraw utilizados nas simulações Neste trabalho a modelagem do sistema elétrico é efetuada através da interface ATPDraw e utilizam-se blocos residentes no software para simular os componentes de interesse. As unidades geradoras são modeladas através do bloco SM59_NC. Este bloco modela a máquina síncrona balanceada em regime permanente e sem saturação, que incorpora uma representação detalhada das partes eletromecânicas, cuja resolução das equações elétricas é baseada na Transformada de Park, empregando uma sofisticada interface com a rede elétrica. Este modelo considera as equações de tensão diferencial nos eixos direto e em quadratura e representa a dinâmica da máquina em regime transitório e subtransitório [10]. O transformador elevador é modelado através do bloco BCTRAN onde são utilizados os dados reais dos ensaios de curto-circuito e a vazio do transformador real. O transformador elevador é modelado considerando sua característica de saturação, a qual tem influência nas sobretensões resultantes. O modelo utilizado neste trabalho considera as impedâncias de dispersão dos enrolamentos e as suas conexões, além da curva de saturação cuja característica é muito importante nos estudos das correntes inrush no transformador. A linha de transmissão, por se tratar de uma linha relativamente curta (aproximadamente 18 km) é modelada através do bloco LINESY_3 que considera apenas suas impedâncias série de sequência positiva e zero. O equivalente do sistema elétrico é modelado com o bloco ACSOURCE em série com uma impedância LINESY_3. Além destes, são utilizadas chaves de tempo controlado SWITCHTC para simulação de curtos-circuitos, transformadores do tipo TRAFO_S para modelar os TCs e transformadores do tipo TRAFO_I3 para modelar os TPs.

SANTOS RESENDE AND GONZAGA DA SILVEIRA : MODELING OF ELECTRICAL 1267 D. Blocos elaborados para utilização nas simulações dos relés de proteção Para a modelagem dos relés de proteção, dos disjuntores dos geradores e dos disjuntores da linha de transmissão são utilizados o ambiente MODELS do ATP/ATPDraw. A modelagem dos disjuntores é realizada a partir do algoritmo desenvolvido e apresentado por [9] como pode ser visto na Fig. 2. sensível aos componentes não harmônicos e leva pelo menos um ciclo da fundamental para atingir o regime [10]. A Fig. 4 apresenta o resultado obtido com a implementação do algoritmo de Fourier para estimação dos fasores na linguagem MODELS. 10 5 Corrente (ka) 0 Figura 2. Bloco utilizado para simulação dos disjuntores. Este modelo recebe os comandos de fechamento e abertura e seus contatos principais são simulados abertos/fechados através da variação do valor das resistências. São implementadas na linguagem MODELS, através da elaboração de novos blocos, as funções 51C (sobrecorrente temporizada controlada por tensão), a função 87T (proteção diferencial de transformadores) e a função 21 (proteção de distância). Para que o bloco desenvolvido interprete corretamente os sinais por ele recebidos é necessário que, no desenvolvimento do bloco, sejam corretamente informados a posição e o tipo de sinal que deverá ser aquisitado pelo mesmo. Para tal é utilizada a aba Nodes na janela de edição do bloco, conforme apresentado na Fig. 3. Após a aquisição dos sinais pelos blocos é efetuada a estimação dos fasores associados a cada sinal aquisitado. Para esta estimação de fasores pelos blocos desenvolvidos, é utilizado o algoritmo de Fourier de ciclo completo com frequência de aquisição de 32 pontos por ciclo. Este é talvez o algoritmo mais conhecido e mais implementado por fabricantes ou desenvolvimentos acadêmicos. A técnica desenvolvida pela transformada discreta de Fourier, também conhecida por DFT (Discrete Fourier Transformer) possibilita a determinação do conteúdo espectral de um sinal periódico. -5 0 20 40 60 80 100 120 140 Corrente - Tempo Corrente - Fasor Figura 4. Representação do fasor estimado pelo algoritmo de Fourier. Após a determinação dos fasores é implementada a lógica de operação da função 51C propriamente dita. O algoritmo de operação deste relé é programado a partir de uma sequência lógica onde a primeira etapa consiste da verificação se o valor eficaz da tensão se encontra abaixo do valor pré-estabelecido nos ajustes do relé. Satisfeita esta condição, é avaliado se a corrente medida pelo relé está acima do valor de pick-up ajustado. Estando estas duas condições satisfeitas, ou seja, tensão abaixo e corrente acima dos respectivos ajustes, é calculado o retardo da atuação da função de sobrecorrente. O cálculo do referido retardo é efetuado segundo as equações das curvas normatizadas pela IEC [11] e IEEE [12]. A definição da curva que deverá ser utilizada no cálculo do retardo de operação é realizada pelo usuário durante a parametrização do bloco. A Fig. 5 apresenta a parte do circuito implementado para simulação da planta onde está inserido o relé 51C desenvolvido. Observa-se que este relé está sendo utilizado para proteção da unidade geradora. O mesmo recebe os sinais de tensão e corrente provenientes respectivamente dos TPs e TCs instalados imediatamente na saída do gerador e atua no circuito de abertura do disjuntor associado ao referido gerador. Figura 3. Janela de edição de blocos desenvolvidos em MODELS. O algoritmo de Fourier de ciclo completo apresenta boa resposta transitória e rejeição de harmônicos. Entretanto, é Figura 5. Parte do circuito no qual está inserido o relé 51C.

1268 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 14, NO. 3, MARCH 2016 O bloco desenvolvido para simulação da função 87T utiliza, após a determinação dos fasores, a lógica de operação da função diferencial percentual, onde são calculadas as correntes de operação e de restrição do relé. A Fig. 6 apresenta a parte do circuito implementado para simulação da planta onde está inserido o relé 87T desenvolvido. Este relé faz a aquisição das correntes provenientes dos TCs do transformador instalados nos lados de alta e baixa tensão e atua na abertura dos disjuntores na saída dos geradores e na saída da SE. Figura 8. Diagramas de impedâncias do sistema. Figura 6. Parte do circuito no qual está inserido o relé 87T. A Fig. 7 apresenta a parte do circuito implementado para simulação da planta onde está inserido o relé 21 desenvolvido. IV. SIMULAÇÕES E RESULTADOS Após a modelagem do sistema representado pelo diagrama de impedâncias da Fig. 8 e dos relés de sobrecorrente controlado por tensão, diferencial do transformador e de distância no ATPDraw, são simuladas condições faltas em diversos pontos da planta, conforme apresentado na Tabela I. Em todos os casos simulados o fechamento da chave que gera o curto-circuito é realizado no tempo 80 ms. A abertura dos disjuntores é comandada em função da atuação dos relés, conforme pode ser observado nas figuras apresentadas. TABELA I. CASOS DE CURTOS-CIRCUITOS SIMULADOS. CASO DESCRIÇÃO 1 CURTO-CIRCUITO TRIFÁSICO NA BARRA DE 6,9 KV 2 CURTO-CIRCUITO BIFÁSICO NA ZONA DE PROTEÇÃO DO RELÉ 87T 3 CURTO-CIRCUITO TRIFÁSICO NA LT - ZONA 1 DO RELÉ 21 4 CURTO-CIRCUITO BIFÁSICO NA LT - ZONA 2 DO RELÉ 21 Figura 7. Parte do circuito no qual está inserido o relé 21. O bloco desenvolvido para simulação da função 21 utiliza, após a determinação dos fasores, a lógica de operação da função de distância do tipo mho com duas zonas de atuação. Caso 1: Este primeiro caso simula um curto-circuito trifásico na barra de 6,9 kv. A Fig. 9 apresenta as correntes medidas pelo relé 51C, instalado em um dos geradores, bem como o pick-up e saída de trip deste relé. Nesta simulação o relé 51C está ajustado para operar segundo a curva de tempo IEC Muito Inversa. 12 8 III. SISTEMA SIMULADO O sistema simulado é uma PCH composta por duas unidades geradoras, interligadas diretamente na barra de 6,9 kv, um transformador elevador de 6,9/69 kv que interliga as unidades geradoras a uma barra de 69 kv que conecta a PCH ao sistema elétrico através de uma linha de transmissão de 69 kv. Os diagramas de impedâncias apresentados na Fig. 8 ilustram o arranjo e apresentam as características deste sistema. Nesta figura, os valores das impedâncias de sequência positiva e zero estão em valores percentuais, na base 100 MVA. 4 0-4 -8-12 50 100 150 200 250 300 IA [ka] IB [ka] IC [ka] TRIP PICK-UP Figura 9. Correntes lidas e atuação do relé 51C.

SANTOS RESENDE AND GONZAGA DA SILVEIRA : MODELING OF ELECTRICAL 1269 Caso 2: É simulado um curto-circuito bifásico na bucha de baixa tensão do transformador elevador, dentro da zona de proteção do relé diferencial. Neste caso, se observa na Fig. 10 que há a correta atuação do relé 87T. 5 1,2 1,0 0,8 4 0,6 3 2 1 0 70 80 90 100 110 120 IA - Alta [A] IA - Baixa [A] IB - Alta [A] IB - Baixa [A] IC - Alta [A] IC - Baixa [A] TRIP Figura 10. Módulo dos fasores das correntes lidas pelo relé 87T. Caso 3: Está falta consiste de um curto-circuito trifásico na região localizada no meio da LT de 138 kv. Na Fig. 11 podem ser observados os módulos dos fasores das correntes medidas pelo relé 21 durante a ocorrência da falta. Nesta figura também se observa a operação do relé, bem como a abertura do disjuntor da linha de transmissão. 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 IA [ka] IB [ka] IC [ka] PICK-UP TRIP Figura 11. Módulo dos fasores das correntes lidas e atuação do relé 21. Caso 4: Neste último caso simulado, são apresentados o comportamento e o tempo de atuação do relé 21 frente a ocorrência de uma falta bifásica envolvendo a terra. A Fig. 12 apresenta o módulo dos fasores das correntes medidas e a saída de trip do relé de distância durante a ocorrência de uma falta entre as fases A e B para a terra. Nesta figura observa-se que há sobrecorrente somente nas fases envolvidas na falta e que ocorre a atuação da zona 2 de proteção do relé (temporização mais elevada) e, por consequência, o comando de abertura do disjuntor 0,4 0,2 0,0 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 IA [ka] IB [ka] IC [ka] PICK-UP TRIP Figura 12. Módulo dos fasores das correntes lidas e atuação do relé 21. VII. CONCLUSÃO Neste artigo está proposta a modelagem de funções de proteção e simulação de operação de uma usina hidrelétrica no ATP/ATPDraw. Tal modelagem se mostra muito útil, pois permite avaliar, antes mesmo da entrada em operação de uma planta, a eficácia dos ajustes que se pretende implantar nos relés de proteção bem como a correta seletividade entre os relés nas mais diversas condições de faltas. A utilização da linguagem MODELS para desenvolvimento de lógicas de funções de proteção possibilita que sejam realizadas simulações em malha fechada. Neste tipo de simulação é possível observar e analisar, em regime permanente e nos transitórios, toda a interação entre os diversos equipamentos do sistema, abrangendo desde a geração dos sinais de corrente e tensão até a operação de abertura dos disjuntores após a atuação de uma determinada função de proteção. REFERÊNCIAS [1] TAVARES, K. A. and SILVA, K. M. Evaluation of Power Transformer Differential Protection Using the ATP Software. IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 12, NO. 2, MARCH 2014. [2] WILSON, R. E.; NORDSTORM, J. M., EMTP Transient Modeling of a Distance Relay and a Comparison with EMTP Laboratory Testing. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, Jul. 1993. [3] KIM, C.; LEE, M.; AGGARWAL, R. K.; JOHNS, A. T. J. Educational Use of EMTP MODELS for Study of a Distance Relaying Algorithm for Protecting Transmission Lines. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 15, n. 1, February 2000. [4] Mardênnia T. S. and Alvarenga, Priscila L. and SILVA, K. M. High- Impedance Bus Differential Protection Modeling in ATP/MODELS. Scientific Research, Engineering, 2013, 5, 37-42. [5] Working Group C1 of the Systems Protection subcommittee of the IEEE PSRC, Software Models for Relays, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 16, no. 2, Apr. 2001. [6] K. M. Silva, W. L. A. Neves e B. A. Souza. EMTP Applied to Evaluate Three-Terminal Line Distance Protection Schemes. International Conference on Power Systems Transients IPST 2007 in Lyon, France. [7] M. Kezunovic e Y. Guo. Modeling and Simulation of the Power Transformer Faults and Related Protective Relay Behavior. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 15, no. 1, Jan. 2000. [8] Luo, X. and Kezunovic, M. Interactive Protection System Simulation Using ATP MODELS and C++. Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2005/2006 IEEE PES.

1270 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 14, NO. 3, MARCH 2016 [9] MIGUEL, P. M. Introdução à Simulação de Relés de Proteção Usando a Linguagem MODELS do ATP. 1ª Edição, Ciência Moderna, 2011. [10] SANTOS, L. F. Avaliação de algoritmos numéricos de proteção para linhas com compensação série. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2006. [11] IEC 60255-3:1989 - Electrical relays - Part 3: Single input energizing quantity measuring relays with dependent or independent time. [12] IEEE Std C37.112-1996 - IEEE Standard Inverse-Time Characteristic Equations for Overcurrent Relays. Lucas Santos Resende possui graduação em Engenharia Elétrica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (2009) e mestrado em Engenharia Elétrica também pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (2015). Desde 2001 trabalha na iniciativa privada no desenvolvimento de estudos e projetos elétricos de sistemas de controle e proteção de usinas hidrelétricas. Eduardo Gonzaga da Silveira possui graduação em Engenharia Elétrica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (1995), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais (2001) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais (2007). Atualmente é professor de Ensino Básico e Tecnológico do Curso Técnico de Eletrotécnica, do Departamento de Engenharia Elétrica e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. Atua na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas Elétricos de Potência, principalmente nos seguintes temas: localização de faltas, análise de eventos e oscilografias, proteção digital, linhas de transmissão, transitórios eletromagnéticos.