minicurso 1 protecao denis daniel
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Minicurso 1 Protecao Denis DanielTRANSCRIPT
Proteção digital dos sistemas elétricos de
potência: dos relés eletromecânicos aos
microprocessados inteligentes
Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
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 ([email protected])
• Prof. Dr. Daniel Barbosa ([email protected] )
• Prof. Juliano Coêlho Miranda (doutorando [email protected])
• Prof. Lázaro Eduardo da Silva (doutorando [email protected])
Goiânia, Junho de 2012.
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 61850 e
simulação digital de sistemas faltosos também são abordados.
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: 978-85-85205-78-2
2- Computer Relaying for Power Systems**
A. G. Phadke and J. S. Thorp
John Wiley & Sons Inc
ISBN 0 471 92063 0
3 – Power System Protection**
Volume 4: Digital Protection and Signalling
Edited by Electricity Training Association – IEE
ISBN 85296 838 8
4 – Digital Protection for Power Systems**
A. T. Johns and S. K. Salman
Peter Peregrinus Ltd – IEE
ISBN 0 86341 195 9
5 – Protective Relays - Application Guide, GEC
Measurements
6 – Power System Relaying
A. G. Phadke and S. H. Horowitz
Research Studies Press Ltd
ISBN 0 863 801 854
7 – Protection Techniques in Electrical Energy Systems
H. Ungrad, W. Winkler and A. Wiszniewski
Marcel Dekker, Inc.
ISBN 0 8247 9660 8
Desenvolvimento dos relés computadorizados
1.1 – Desenvolvimento dos relés computadorizados
Inicio das investigações em 1960.
Programas CC, fluxo de carga, estabilidade já estavam
implementados – proteção seria o próximo campo promissor.
Velocidade + Preço = Problema
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.
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.
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.
* O suprimento de energia é geralmente fornecido
por baterias
Módulo de Interface (Transformadores +
filtros passa-baixa)
corrente tensão
TP TC
Disjuntor
Linha de
Transmissão
Sample and Hold
+
Multiplexador
Conversores
Analógico/Digital
Microprocessador
(para algoritmo de
localização de faltas)
a) Multiplexador de alta velocidade
MUX
A/D
Sampling
clock
b) Uso do S/H
MUX
A/D
Sampling
clock
S/H
S/H
S/H
entrada
analógica
c) A/D individual (mais caro)
Buffer
Sampling
clock
A/D
A/D
A/D
Organização do processo de amostragem:
Arranjo da conversão analógica/digital do relé
vb
va
vc
ia
ib
ic
1
2
3
4
5
6
7
Saída
do
sinal
Entrada
do sinal S/H
S/H
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
Princípio de um
Multiplexador
Elementos básicos da proteção digital
Elementos básicos da proteção digital
Elementos básicos da proteção digital
Filt
Filt
Filt
Filt
Filt
Filt
M
U
X
A/D
CLK
CPU
Memória
va
vb
vc
ia
ib
ic
S/H
Sinal
de
Trip
Unidade Digital do Relé
S/H
S/H
S/H
S/H
Unidade auxiliar
de transformação
Filt S/H i0
I
D
B D/I
D/O
Tap
S/H
Para fasores:
x(t) tx
y(t) ty
temponoamostra
temponoamostra
Os dois fasores vão diferir de um ângulo:
Onde T é a frequência fundamental do sinal.
)(2
. radT
tt yx
Assim, os sinais podem ser colocados na mesma referência compensando-se o .
Interpolação:
xk = { x1, x2, ... , xn}
tk = { t1, t2, ... , tn}
t’k ?
x’k será?
x’k = xk + ( xk+1 - xk) . / (tk+1 - tk ) T
t
x(t)
T
Compensação devido a não simultaneidade dos sinais:
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 2N valores a serem representados
Exemplo: N = 3 23 = 8 (8 níveis de quantização)
Desenvolvimento dos relés computadorizados
1.5 – A conversão analógica digital
Convertendo um sinal analógico em um código
binário
Desenvolvimento dos relés computadorizados
Amostragem de um sinal analógico
Conversão analógica/digital
Conversão digital/analógica
Conversão analógica/digital
Efeito aliasing em um sinal amostrado.
Frequência < 0,5 fs
Conversão analógica/digital
Teorema da amostragem:
1.6 – Filtros “anti-aliasing”
Para que uma determinada frequência f1 do sinal analógico seja ou
possa ser completamente reconstituída, a taxa amostral, no processo
de digitalização, deve ser no mínimo igual a 2xf1.
f1 = Frequência de Nyquist
• Para que não ocorra o fenômeno conhecido como sobreposição de
espectros (aliasing), filtros anti-aliasing devem ser usados.
fc
Ganho
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.
Teorema da amostragem:
1.6 – Filtros “anti-aliasing”
Filtro RC – resposta em frequência e tempo
* Filtro RC com frequência
de corte de 360 Hz
1.26K 2.52K
0.1f 0.1f
1.0
0.7
360 720
Frequência (Hz)
Ganho
1.0
Tempo (ms)
Saída
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.
Comparação entre diferentes filtros para uma
frequência de corte igual a 360 Hz:
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).
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.
Agradecimentos
Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
Proteção digital dos sistemas elétricos de
potência: dos relés eletromecânicos aos
microprocessados inteligentes
Proteção de Sistemas Elétricos, Revisão
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
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.
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.
2.1 Introdução aos sistemas de proteção
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.
Quadros Estatísticos dos defeitos
Quadros Estatísticos dos defeitos
Subsistemas do Sistema de Proteção
7
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).
Características Funcionais dos Relés
Relé
De
Proteção
Sensibilidade
Seletividade
Velocidade de atuação
Confiabilidade
9
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.
A responsabilidade da proteção
de uma porção dos SEPs é
definida por uma linha
pontilhada limite chamada zona
de proteção.
Zonas de Proteção
M M
G
G
G
5 5
3
2
3
3 2 3
1
2
3
4
4
4 4
4
3 2
2
1
1
1 - Proteção de geradores
2 - Proteção de transformadores
3 - Proteção de barramentos
4 - Proteção de linhas de transmissão
5 - Proteção de motores
Estação A Estação B
Estação C
Estação D
D23
D24
D12
P1 P1
D21
Zona 1
Zona 3
Zona 2
P2
P2
1
2 3
D32
D42
4
R12
R12
R12
R23
T2
T3
1 2 3 4
R24
Tem
po d
e o
pera
ção
Localização da falta
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.
Circuito primário duplicado, proteção local e proteção de retaguarda.
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).
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 I1 e I2.
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.
R
A B
Fonte de
Potência
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:
Descrição funcional:
Onde:
Ip – corrente do enrolamento
secundário do TC previamente
definida (pickup)
If – corrente da falta
bloqueioII
disparoII
pf
pf
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.
Ajuste do relé
a. Temporizado: característica de tempo inversa b. Instantâneo
Corrente Te
mpo
Tem
po o
pera
cional
em
segundos
Tim
e-d
ial
sett
ing
Curva de tempo-inverso típica de um relé de sobre-corrente comercial.
Quando o sistema é não radial, o relé de sobrecorrente pode não prover uma proteção
adequada.
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.
Sistema loop há fonte geradora em ambos os lados
A B F1
F2
Relés direcionais
Na realidade, tomando-se a natureza
indutiva das linhas:
/2 para falta em F2 ou condição
normal
- /2 para falta em F1.
IB – Falta Reversa
IB – Falta
EB
Descrição funcional:
bloqueia
opera
0
0
onde: é o ângulo entre a corrente de falta e a referência (tensão)
Diagrama Unifilar e Diagrama R-X
Relés de distância
Z1 impedância de sequência + da linha toda
V, I
A B F
k
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:
1kZII
EE
yx
yx
Similarmente, para uma falta fase-terra, na fase x:
Onde: m=(Z0 – Z1)/Z0
Z0 = impedância de sequência 0
I0 = corrente de sequência 0
1
0
kZmII
E
x
x
B
K
A R
Relé mho: + comum em relés
eletromecânicos e de estado sólido.
Quadrilátero: forma mais
apropriada – relés digitais.
Tipos de características de relés de distância.
Característica Operacional de um Relé de Distância tipo impedância
Característica Operacional de um Relé de Distância tipo Mho
Característica Operacional de um Relé de Distância tipo Quadrilateral
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.
C
X
A R
D
B
F2
F3
D
C
Transformadores maiores (2,5 MVA ou mais) são geralmente protegidos
por relés diferenciais percentuais (corrente).
Representação esquemática:
Bloqueio Disparo Bloqueio
2.4 Proteção de transformadores
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
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.
Característica do relé diferencial percentual
Característica operacional de um relé diferencial percentual.
Ajuste:
– Valor inicial
– Declividade
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 Iret.).
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 Iret).
Corrente de magnetização durante a energização de um transformador.
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
10 Fase A Fase B Fase C
Co
rren
te D
ifer
enci
al (
A)
Tempo (s)
Relé diferencial percentual
Corrente de falta interna em um transformador.
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
-40
-20
0
20
40
60 Fase A Fase B Fase C
Corr
ente
Dif
eren
cial
(A
)
Tempo (s)
Relé diferencial percentual
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:
alarmeouaberturaKi ,22
operaçãonãoK ,
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).
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).
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.
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.
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.
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.
Agradecimentos
Proteção de Sistemas Elétricos, Revisão
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
Proteção digital dos sistemas elétricos de
potência: dos relés eletromecânicos aos
microprocessados inteligentes
Proteção Digital de Linhas de Transmissão
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
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.
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 (valendo-
se 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.
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.
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.
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.
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.
Ondas típicas de corrente e tensão para uma falta fase-a-terra com
dados de dados pré e pós-falta.
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.
1o 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’, 4’.
3. Compara-se os valores estimados
com os reais: havendo mudança
substancial, detecta-se a falta.
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.
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.
3.3 Técnica baseada nos mínimos quadrados
Admite-se uma forma de onda com os componentes descritos anteriormente:
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.
(*))]cos()([1
1221
N
m
mm
t tmktmsenkek
2
1
21 }))]cos()([({ 12
N
m
m
t
T
o
tmKtmsenkekIE m
Onde:
k1, k2, ..., kn+1 são os parâmetros incógnitos
N =número de componentes de harmônicos
= constante de decaimento
= freqüência angular
Onde:
I = forma de onda a ser considerada
T = período amostral
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 co-
seno)
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:
1
1
]})/2cos[({/2N
T
Tc TNVNV
1
1
]})/2[({/2N
T
Ts TNsenVNV
Vi = amostra de tensão
N = número de amostras por ciclo
21
22 )( cs VVV
)(tan 1 IVz
21
2222 )/()( cscs IIVVZ
)(tan 1csz VV
• 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.
Resposta em frequência de uma TDF de um ciclo completo e de meio
ciclo.
Nº Amostras Nº de Operações para a TDF
Nº de Operações para a FFT
16 256 64
32 1024 160
64 4096 384
128 16384 896
256 65536 2048
512 262144 4608
Resposta em frequência de um algoritmo de um ciclo completo e 12 amostras por ciclo.
DFT Método dos Mínimos Quadrados
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:
n
knkn kWYY
2
1
)(21
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.
43214
43213
43212
43211
41
41
41
41
YYYYY
YYYYY
YYYYY
YYYYY
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.
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.
O sinal de tensão é modelado segundo as equações:
s
c
kY
YX
10
01k
Onde:
Xk = vetor de estado do processo (nx1) no tempo tK.
k = matriz de transição de estado (n x N)
Hk = matriz que relaciona as medidas e os estados.
)sen()cos( kkHk
O sinal da corrente é modelado segundo as
equações:
0Y
Y
Y
X s
c
k
t
k
e 0
10
01
1)sen()cos( kkH k
O modelo de três estados leva em consideração o
componente CC.
Em ambos os casos a covariância do sinal de ruído é:
TtKKeRk /
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.
dt
tdiLtRitV
)()()(
É então proposta a integração da equação em dois intervalos de
tempo distintos para obtenção de R e L.
dt
tdiLtRitV
)()()(
2
1
2
1
1
0
1
0
)(({)()(
)(({)()(
12
01
t
t
t
t
t
t
t
t
tittLdttiRdttV
tittLdttiRdttV
e(t)
L R i(t)
211121
211 121^
nnnnnnnn
nnnn
n
llrrllrr
nnllnnllr
iiiiiiii
vviivviik
R
211121
211 121^
2
nnnnnnnn
nnnn
n
llrrllrr
nnrrnnrrl
iiiiiiii
vviivviihk
L
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:
2
2 )()()()(
dt
tVdLC
dt
tdiLiRtV
No entanto, o esforço computacional é aumentado consideravelmente.
Outros modelos de linhas foram propostos, incluindo filtros para
compensar o efeito capacitivo das linhas.
e(t)
L R i(t)
C
2
2 )()()()(
dt
tVdLC
dt
tdiLiRtV
3.4 A classificação da falta
Uma vez que o tipo de falta não é a priori conhecido,
pode-se calcular a distância supondo 6 diferentes tipos
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
* Haverá uma considerável diminuição do tempo computacional se houver determinação inicial do tipo de falta.
Saída
Amostra k
va, vb, vc
ia, ib, ic
Cálculo da
distância para
a fase a-b
c - a
b - c
a - t
b - t
c - t
1
2
3
4
5
6
Checagem da falta
(zona de proteção)
Assim, considerando uma sub-rotina para classificação de falta:
Amostra
k
Tipo de Falta
Distância k
1 2 3 4 5 6
Os métodos de classificação de faltas normalmente são implementados
através da comparação entre os componentes superpostos dos fasores
normalizados de Ia, Ib, Ic e I0 . 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.
Processo de classificação
de diferentes tipos de
faltas em uma linha de
transmissão.
Sinais Tensão e
Corrente
Classificação
da Falta
Filtragem
Digital
Detecção da
Falta
Imp. aparente
(distância)
Decisão
Abertura
Fourier
Walsh
Kalman
MQ
Amostras
Fasores
Filtragem Digital
Os dados ruidosos são processados para determinar as
quantidades (fasores) requeridas pelo relé.
3.5 Algoritmo completo de proteção
de distância
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.
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 Z0 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:
e são os seus valores médios e Ƭ é o tempo entre as ondas
(indica a distância da falta).
1S 2S
A corrente diferencial e de bias são formadas por: D(t) = ix(t) + iy(t) + iz(t)
B(t) = ix(t) - iy(t) - iz(t)
3.7 Proteção digital diferencial de linhas
Princípio básico da proteção diferencial de corrente de linha
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.
A figura abaixo mostra a característica básica de um relé diferencial
percentual FM típico.
As quantidades modais diferenciais e bias podem ser definidas por:
)()()(
)()(
tBKKtStD
KtBKtD
BS
SB
thresholdvalorKS
)()()()()()()(
)()()()()()()(
1
1
tititititititB
tititititititD
czazcyaycxax
czazcyaycxax
)()()()()()()(
)()()()()()()(
2
2
tititititititB
tititititititD
bzazbyaybxax
bzazbyaybxax
O ALGORITMO LÓGICO DE DECISÃO:
(a) Forma de onda típica para falta externa.
(b) Forma de onda típica para falta interna.
Agradecimentos
Proteção Digital de Linhas de Transmissão
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
Proteção digital dos sistemas elétricos de
potência: dos relés eletromecânicos aos
microprocessados inteligentes
Proteção Digital de Transformadores,
Máquinas Rotativas e Barramentos
Proteção Diferencial
(87) Geradores (87G)
Motores (87M)
Transformadores (87T)
Linhas de Transmissão
(87L)
Barramentos (87B)
Proteção Diferencial
• Utiliza a Leis de Kirchhoff
• Zona de Proteção Seletiva
– Limites dos TCs
𝐼 𝑛ó = 𝐼 𝑘 ≈ 0
𝑁
𝑘=1
87
A B
87
Elemento Protegido
C
87
D
87
Proteção Diferencial
Comparação entre Fasores ou
Valores momentâneos
87
A
Equivalente Equivalente
B
87Comunicação
Ia
Ib
+
Ia
Ib
∆I
Ajustea bI I I
Proteção Diferencial: Defeito Externo
A
B
C
A
B
C
Não passa corrente nas bobinas de operação
Elemento Protegido
Proteção Diferencial: Defeito Interno
A
B
C
A
B
C
Elemento Protegido
Curto-circuito entre as fases A e B
Proteção Diferencial
Tradicional
• Circuitos galvanicamente
conectados, devendo ser
conectados à terra apenas ser
uma vez
• Diferentes RTCs precisam ser
adaptados por TCs aux.
Numérico
• Circuitos dos TCs são
segregados e devem ser
aterrados em cada lado
• Diferentes RTCs são
compensados numericamente
A
B
C
A
B
C
Elemento Protegido
∆I∆I ∆I∆I
A
B
C
A
B
C
Elemento Protegido
Proteção Diferencial: Barramento (1)
87
Equivalente
Zona de Proteção
Cargas
Proteção Diferencial: Barramento (2)
87B
Zona de Proteção
CargasCarga
CargasCarga
Proteção Diferencial: Barramento (3)
Zona deProteção
Equivalente
BayUnit
BayUnit
BayUnit
BayUnit
BayUnit
BayUnit
Central de Processamento
Cargas
Proteção Diferencial: LT – Comparação de Corrente
• Comparação de Corrente (50/60 Hz) por meio de conexão com par
metálico
87
A
Equivalente Equivalente
B
Proteção Diferencial: LT – Comparação Fasorial
• Comparação Fasorial com comunicação digital
87
A
Equivalente Equivalente
B
87......
MUX MUX
Link dedicado
Fibra ÓticaMicroondas
Outros
ServiçosOutros
Serviços
Proteção Diferencial: Máquina Rotativa
A
B
C
A
B
C
∆I∆I ∆I
Gerador
Proteção Diferencial: Máquina Rotativa
87
87
87
a
b
c
Proteção Diferencial: Transformador
ips+iss
iss
ips
Ip
Np:Ns
1:n21:n1
Transformador de Potência
Relé diferencial percentual
Is
Proteção Diferencial: Transformador
Relé 87
A
B
C
A
B
C
∆I∆I ∆I
Proteção Diferencial: Curva característica
Funcionamento
𝐼𝑂𝑃 = 𝐼 𝑖
𝑁
𝑖=1
𝐼𝑅𝑇 = 𝑘 𝐼 𝑖
𝑁
𝑖=1
ZONA DEOPERAÇÃO
1
2
3
4
5 10 15
IRest
IDiff
Corrente de Energização
Erro de RTC / TAP
Saturação de TC
Erro Total
Proteção Diferencial: Falsas Correntes Diferenciais
IRest
IOP
2o Slope
1o Slope
Instantâneo
I mínimo
Limite
1o Slope
Limite
2o Slope
Característica Ideal
para os Defeitos Faltas Internas
Proteção 87T: Parametrização da Curva – Tipo 1
Proteção 87T: Parametrização da Curva – Tipo 2
MÉTODOS DE DETECÇÃO
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.
Proteção 87: Relé de Indução Eletromecânico
Elemento Protegido
I2I1
i2i1
Proteção 87: Comparador de Diodos e Bobina Móvel
Proteção 87: Relé estático
Proteção 87: Relé Digital – Valores Instantâneos
87
A B
87
Elemento Protegido
𝑰𝑨𝒌
𝑰𝑩𝒌
𝑰𝑶𝑷 = ∆𝑰 = 𝑰𝑨𝒌+ 𝑰𝑩𝒌
𝑰𝑹𝒆𝒔𝒕𝒓𝒊çã𝒐 = 𝑰 = 𝑰𝑨𝒌+ 𝑰𝑩𝒌
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005
Proteção 87: Relé Digital – Fasores
87
A B
87
Elemento Protegido
IAC, IAS
IBC, IBS
IAC
j·IAS IA
IBC
j·IBS
IB
I
∆I
SI∆I>
trip
Restrição
𝑰𝑶𝑷 = ∆𝑰 = 𝑰 𝑨 + 𝑰 𝑩
𝑰𝑹𝒆𝒔𝒕𝒓𝒊çã𝒐 = 𝑰 = 𝑰 𝑨 + 𝑰 𝑩
𝑰 𝑨 𝑰 𝑩
Proteção 87: Relé Digital – Sincronização de Fasores
87
A B
87
Elemento Protegido
IAC, IAS
IBC, IBS
tB1
tB2
tB3
tB4
tB5
tA1
tA2
tA3
tA4
tA5tAR
tBR
tPT1
tD
tPT2
tA1
Fasores de Corrente ...
tA1
Fasores de
Corrente
...
tB3
tV
a IB(tB3)
IB(tA3)
3 3 360B A
P
t t
Ta
11 2
2
A AR Dtransmissão PT PT
t t tt t t
3 3 2B A TPt t t
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005
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
Proteção 87: Saturação de TC
A B
Elemento Protegido
87
Falta Interna Falta Externa
Proteção 87: Saturação de TC
Proteção 87: Saturação de TC – Falta Externa
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005
Proteção 87: Saturação de TC – Falta Externa
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005
Proteção 87: Saturação de TC
Aumento da
Restrição IRestrição
IOperação
Inicio da
Saturação
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005
PARALELISMO VS PROTEÇÃO
DIFERENCIAL DE
TRANSFORMADORES
Proteção 87T: Paralelismo
Aumento do nível de curto circuito
Redução da impedância equivalente
Melhoria da confiabilidade
Flexibilidade de manobra
Ex.: algumas indústrias
Permite um maior carregamento do
alimentador
Proteção 87T: Paralelismo – Esquemático (Exemplo)
Paralelismo
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária
Influenciado pela entrada TR2A
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária
Envoltória das correntes de energização
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária
Conteúdo harmônico das correntes logo após a energização de TR2A
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária – SEP
Ajustes
Restrição Harmônica Slopes Pickup Instantâneo
2ª Harm 5ª Harm 1º Slope 2º Slope 0,3 pu 8 pu
15% 35% 25% 50%
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária – T1
FI_D_A
10
B1
0_A
NG
33
0
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária – T2
FI_D_A
80
_A5
0_A
NG
00
ASPECTOS ESPECÍFICOS DA
PROTEÇÃO 87T
Proteção 87T: Sobreexcitação
Proteção 87T: Sobreexcitação
I2 I1
87
Y
Y Y
Proteção 87T: Sobreexcitação
Proteção 87T: Ajustes
110
011
101
3
1dY11
Correção
Grupo Vetorial:
C
B
A
C
B
A
I
I
I
I
I
I
211
121
112
3
1Matriz de
correção I0:
Proteção 87T: Aquisição de dados
Proteção 87T: TAP - Compensação da Corrente - Trafo ∆Y
• Enrolamento em ∆ • Enrolamento em Y
𝐼𝐴1Relé =
𝐼𝐴1TAP1
𝐼B1Relé =
𝐼B1TAP1
𝐼C1Relé =
𝐼𝐶1TAP1
𝐼𝐴2Relé =
𝐼𝐴2 − 𝐼𝐵2
TAP2 ∙ 3
𝐼B2Relé =
𝐼𝐵2 − 𝐼C2
TAP2 ∙ 3
𝐼C2Relé =
𝐼𝐶2 − 𝐼𝐴2
TAP2 ∙ 3
𝑇𝐴𝑃 =𝑆𝑀𝑉𝐴 ∙ 1000
𝑘𝑉𝐿𝐿 ∙ 𝑅𝑇𝐶 ∙ 3∙ 𝐶 ∴
𝐶 = 1 (𝑇𝐶𝑠 𝑒𝑚 𝑌)
𝐶 = 3 (𝑇𝐶𝑠 𝑒𝑚 ∆)
Proteção 87T: Grupo Vetorial
• Refere-se ao defasamento angular entre os dois lados do
transformador
– Transformadores ∆Y
A
B C
C2
C1 A2
A1
B2 B1
a
b
c
c2
c1
a2
a1
b1 b2
Proteção 87T: Grupo Vetorial – Compensação por TCs
A
B
C
A
B
C
Não passa corrente nas
bobinas de operação
Proteção 87T: Grupo Vetorial – Compensação por Matriz
Proteção 87T: Grupo Vetorial (IEEE Std. C37.91)
Proteção 87T: Eliminação 𝑰𝟎
• A eliminação do 𝑰𝒐 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 𝑰𝒐 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
Proteção 87T: Eliminação 𝑰𝟎 - Falta Externa
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005
Proteção 87T: Eliminação 𝑰𝟎 - Falta Interna
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005
Proteção 87T: Falta AT – Trafo solidamente aterrado
𝐼𝐹 =ℎ ∙ 𝑈𝑅
𝑅𝐸
𝐼𝐾 =ℎ ∙ 𝜔2
𝜔1∙ 𝐼𝐹 = ℎ ∙
𝑈2𝑛
𝑈1𝑛 ∙ 3∙ 𝐼𝐹
𝐼𝐾 = ℎ2 ∙1
3∙𝑈2𝑛
𝑈1𝑛∙𝑈𝑅
𝑅𝐸
Proteção 87T: Falta AT – Trafo aterrado com Impedância
Proteção 87T: Falta entre espiras
Proteção 87T: Proteção de Terra Restrito
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
Proteção 87T: Proteção de Terra Restrito
• Comparação de amplitude e fase entre 𝑰𝒐
𝑰𝑵
• 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.
Proteção 87T
Proteção de Terra Restrito
Agradecimentos
Proteção Digital de Transformadores,
Máquinas Rotativas e Barramentos
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
Proteção digital dos sistemas elétricos de
potência: dos relés eletromecânicos aos
microprocessados inteligentes
Ferramentas Inteligentes e Aplicações
Novas Ferramentas utilizadas em Proteção
Sistemas Inteligentes
Sistemas Fuzzy
Algoritmos Genéticos
Redes Neurais Artificiais
Agentes
PSO
...
Transformadas
Wavelet
Clarke
Park
...
Sistemas Inteligentes
• Inspirados na biologia
• Aplicações
– Reconhecimento de padrões
– Otimização
– Tratamento de dados quantitativos
– Etc ...
Algoritmos Genéticos
Adaptação Seleção Evolução
Máximo Mínimo
Soluções
1100101010
1011101110
0011011001
1100110001
cromossomos
codificação
1100101010
1011101110
1100101110
1100101110
cruzamento
0011011001
0011001001
mutação
1100101110
1100101110
0011001001
Soluções
cálculo da aptidão
avaliação
decodificação
seleção
novapopulação
Algoritmos Genéticos
Real
Binário
Híbrido
roleta
classificação
truncamento
torneio
Algoritmos Genéticos: Resumo
Criação da População Inicial Gênesis
Associação de cada indivíduo a probabilidade de reprodução, ou seja, valor de aptidão
Seleção
“Melhoramento Genético” Cruzamento
Proporcionar diversidade a população Mutação
Seleciona os indivíduos mais aptos para a próxima geração
Elitismo
Ponto no qual o algoritmo será finalizado Critério de
Parada
AGs e Estimação da Frequência
𝜕𝑓
𝜕𝑡= −∆𝑆
2𝐻
𝜕𝑓
𝜕𝑡: variação de frequência no tempo
∆𝑆 : variação de potência (kVA)
𝐻: const. de inércia dos geradores
AGs e Estimação da Frequência
AGs e Estimação da Frequência
• Modelo matemático da forma de onda
– 𝑓: frequência do sinal
– φ: ângulo de fase
• Representação do cromossomo
𝑣 𝑡 = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜𝑠𝑒𝑛 2𝜋𝑓𝑡 + 𝜑
𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑓 𝜑
AGs e Estimação da Frequência
m
e
fm
k
k
a
1
2
1
Função de Avaliação:
t1 t2 t3 t4 tm-3 tm-2 tm-1 tm. . .
Sinal estimado - xe(t)
Sinal amostrado - x(t)
Tempo
t
e(t) = x(t) - xe(t)
Sin
al d
e c
orr
en
te
Algoritmo Genético minimizar o vetor de
erro sinal estimado ≈ sinal amostrado
m: n° de amostras do sinal Δ: 0,00001
• Resultados
– Variação da amplitude
0,0015 0,0009 0,0001 0,0019 0,0012
0,3004
0,6997
0,5000
0,6994
0,4004
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
2,5 5 7,5 10 12,5
Err
o
Amplitude
AMPLITUDE
FREQUENCIA
ÂNGULO FASE
Forma de onda a 60 Hz – 0º - ½
ciclo para mostrar a influência da
variação da amplitude na
estimação dos parâmetros.
AGs e Estimação da Frequência
• Resultados
– Variação da Taxa de Amostragem
0,0002 0,0015 0,0025 0,0002
0,5000
0,2005
0,8992
0,5000
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
2400 1200 800 400
Err
o
Taxa de Amostragem
Amplitude
Frequencia
Ângulo de fase
Forma de onda a 60hz – 0º - ½
ciclo para mostrar a
influência da taxa de
amostragem na estimação dos
parâmetros.
AGs e Estimação da Frequência
• Resultados
– Variação da frequência
0,0024 0,0019 0,0028
0,1007
0,6994
0,0045 0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
58 60 62
Err
o
Frequência (Hz)
Amplitude
Frequencia
Ângulo
Forma de onda a 60 Hz – 0º - ½
ciclo para mostrar a influência
da variação da frequência na
estimação dos parâmetros.
AGs e Estimação da Frequência
Redes Neurais Artificias
Informação Experiência Aprendizado
Redes Neurais Artificias
Neurônio Real
Neurônio Artificial
Redes Neurais Artificias
•MLP
•Kohonen
•Hopfield
•Art
Tipo
•Camadas
Topologia
•Supervisionado
•Não Supervisionado
Treinamento
•Conjunto de Treinamento
•Conjunto de Teste
Generalização
RNAs e Saturação de TCs
Saturação em regime permanente
com corrente ca
Saturação transitória
com componente cc
RNAs e Saturação de TCs
RTC 2000:5
13,8kV
RNAs e Saturação de TCs
RNAs e Saturação de TCs
RNAs e Saturação de TCs
RNAs e Proteção de Transformadores
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.
Possíveis erros de detecção de defeito (energização, saturação dos TCs, faltas próximas ao neutro, ..)
Proteção diferencial percentual com restrição harmônica como proteção primária
Transformadores de Potência (𝑆𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 ≥ 10𝑀𝑉𝐴)
RNAs e Proteção de Transformadores
iA1
CAMADA DE
ENTRADA
CAMADA
OCULTACAMADA
DE SAÍDA
iA2
iA3
iA4
iB1
iB2
iB3
iB4
iC1
iC2
iC3
iC4
wij
wij
1 ou 0
wij
Melhor arquitetura de RNA testada Processo de treinamento de uma rede MLP com
Backpropagation. Aproximadamente 400 casos foram
utilizados.
Transformador
25MVA
13,8kV/138kV
Curva de Saturação
RNAs e Proteção de Transformadores
Saída da
RNA
Amostras
A rede neural analisada confirmou
a correta classificação de todos os
padrões testados.
100% de acerto
Sistemas Fuzzy
Incerteza Ponderação/Equilibrio Decisão
Vou
ao
SBSE!
Entradas Saídas
Sistemas Fuzzy: Estrutura
Variáveis Medidas
• Valores Linguísticos
Inferência
• Regras: “Se Então”
Região de Saída
• Valores Linguísticos
Nível Linguístico
Nível Numérico
Fuzzificação Defuzzificação
Regras
Sistemas Fuzzy: Exemplo
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtAGH)
Co
rre
nte
sPré - processamento
Harmônicos
DFT
FFT
AG
Ten
são
Flu
xo
Corrente Diferencial
Corrente de
Restrição
I’aI’bI’c
i’ai’bi’c
V’aV’bV’c
1,1,,,
1,,1,,2
kskpkskp
kpkppkpkp
iiii
iiLvvt
En
tra
da
s J
an
ela
da
s
Defuzzificação
Componentes Harmônicas
Primário x secundário
1a. Harm
2a. Harm
5a. Harm
Fluxo
Fuzzificação
mA1(x)
Inferência
Regras
Relação de Implicação:Mandani
mA1(x)
centro de área
Sistema Fuzzy
Saída
Bloqueio
Trip
Próxima janela de dados
Normalização
Corrente de Operação
29
Co
rre
nte
s
Pré - processamento
PrimárioI’aI’bI’c
i’ai’bi’c
En
tra
da
s J
an
ela
da
s
Defuzzificação
Componentes
a b g
Ref. A
Fuzzificação
mA1(x)
Inferência
Regras
Relação de Implicação:Mandani
mA1(x)
centro de área
Sistema Fuzzy
Saída
Bloqueio
Trip
Próxima janela de dados
Cálculo Diferencial
I’a
I’b
I’c
I’b
I’c
I’a
I’c
I’a
I’b
Secundário
i’a
i’b
i’c
i’b
i’c
i’a
i’c
i’a
i’b
Transformada de ClarkePrimário e Secundário
Primário
Ref. B
Ref. C
Ref. A
Secundário
Ref. B
Ref. C
Ref. A
Ref. B
Ref. C
a
b
g
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG)
30
𝐼∝𝑝ℎ𝐼𝛽𝑝ℎ𝐼𝛾𝑝ℎ
=2
3
1 −1
2−1
2
03
2−3
21
2
1
2
1
2
𝐼𝑝ℎ𝐼𝑝ℎ+120°𝐼𝑝ℎ−120°
∆𝛼𝑝ℎ= 𝐼∝𝑝ℎ(𝑘) + 𝑖∝𝑝ℎ(𝑘)
𝑁
𝑘=0
∆𝛽𝑝ℎ= 𝐼𝛽𝑝ℎ(𝑘) + 𝑖𝛽𝑝ℎ(𝑘)
𝑁
𝑘=0
∆𝛾𝑝ℎ= 𝐼𝛾𝑝ℎ(𝑘) + 𝑖𝛾𝑝ℎ(𝑘)
𝑁
𝑘=0
Ia
Ib
Ic
Ib
Ic
Ia
Ic
Ia
IbReferência
Ângular
a, b e g
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG)
31
Componentes de Clarke: defeito interno à terra
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG)
32
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG)
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtAGH e
ProtABG)
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores
• Resultados
– Energização
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores
• Resultados
– Energização sob defeito AG em 10% no Secundário em Estrela
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores
• Resultados
– Defeito bifásico A50%-A5% no Secundário em Estrela
Agentes
Ambiente Mobilidade Individual/Coletivo
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.”
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
Agentes
Reatividade
Autonomia
Orientação a objetivos (ou pró-ativismo)
Continuidade temporal
Comunicabilidade
Inteligência
Mobilidade
Comunicação +
Algoritmos de Proteção e Controle
Agentes e Proteção de Sistemas Elétricos de Potência
Sensor de Entrada Acionador de Saída
Ambiente
Agentes
Agente
LAN
da
Sub
est
ação
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 100km30km
80km
T
01
400kV
51
400kV
89,0
400kV
• monitora a condição operacional de um dado terminal
Agentes Locais de Operação
• monitora mudanças de topologia do sistema.
Agente Estado do Disjuntor
• coleta informações, toma decisões e dissemina conhecimento aos outros agentes, além de escolher a correta característica a ser usada.
Agente de Coordenação
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1)
Agente de
Coordenação
Agente
1a Zona
Agente
de Operação
Agente
Estado do
Disjuntor
- Interface com o Sistema de Potência -
Linhas 1, 2 e 3
dados comandos
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1)
Relé Digital
01
Relé Digital
02
Agente
Microcomputadorda Subestação
Microcomputadorda Subestação
Agente
Agente
Agentes Locais
Rede de Comunicação
Sistema Hierárquico
para Proteção de
Distância Baseado na
Tecnologia de Agentes
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1)
Proteção não piloto
20km
#1
#3
#4#2
Proteção usando Agentes
67km
#1
#3
#4#2
Esquema Adaptativo: A área
de abertura instantânea
aumentou para 67 km. Zonas
primárias aumentam.
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.
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
1 2 3
ms
Terminal da Linha de Transmissão
Não Piloto
Tráfego 1
Tráfego 2
Tráfego 3
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
#O#M#N#P
100km 100km150km
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2)
• Metodologia adotada
Simulações de Curtos-Circuitos
Resistência de falta
Ponto de falta
Ângulo de Inserção
Potência das fontes
X
R
Curva Quadrilateral
Tradicional
Curvas
Adaptativas
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2)
#O#M#N#P
100km 100km150km
Agente de Medição
Agente de Medição
Agente Executor
Agente Executor
Agente Servidor
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2)
Agente Servidor
Agentes de Medição
Agentes Executores
Servidor de dados com as curvas
adaptativas
Agentes Executores
Nova condição operativa
Seleção das curvas de ajustes no banco de
dados
Relé
Digital 1
Relé
Digital 2
Relé
Digital n
...
Envio das novas curvas aos relés de proteção
Resultados
Aumento do alcance da proteção instantânea (1ª zona) de 80% para 95%
Redução do tempo de atuação
Aumento da sensibilidade para até 99% (média de 94%)
Agradecimentos
Ferramentas Inteligentes e Aplicações
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
Proteção digital dos sistemas elétricos de
potência: dos relés eletromecânicos aos
microprocessados inteligentes
Comunicação de Dados e IEC-61850
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]
Volume de Informações no SEP
2
• 2.357 empreendimentos de geração de energia elétrica em operação;
• Total de 117 GW de potência gerada;
• 1.397 agentes investindo no mercado de energia elétrica brasileiro;
• Elevado número de informações de monitoramento;
• Várias plataformas de hardware e software [ANEEL, 2012].
Níveis Hierárquicos típicos do Sistema de Automação de
Subestações - SAS
3
Relés de Proteção
Permitir a execução de funções de proteção e controle distribuídos
sobre um Circuito de Comunicação de Dados e Rede Local.
Subsistemas de um Sistema de Proteção
5
DJ TCCircuito Protegido
TP
Canal de Comunicação
Relé de Proteção
Alimentação AuxiliarBanco de Baterias
(Corrente Contínua)
Circuito de Comando de abertura do disjuntor (TRIP)
Barramento
Modelo Genérico de Comunicação
6
Modelo Genérico de Comunicação
7 ETD – Equipamento Terminal de Dados ECD – Equipamento de Comunicação de Dados
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.
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.
Canal de Comunicação – Fio Piloto
10
Utilizando sinais DC, sinais AC (60Hz) dos TCs
de linha, ou sinais de áudio frequência.
11
Utilização
Proteção de linhas curtas, até no máximo 10
a 12 Km;
Religamento Automático.
Vantagens
Trata-se de uma proteção ainda em uso para linhas curtas em
ambientes controlados.
Desvantagens
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).
Canal de Comunicação – Carrier
12
Utiliza dos próprios cabos de energia da Linha de
Transmissão como meio físico de propagação do sinal.
13
Utilização
Proteção de linhas, geralmente opera sobre uma faixa de frequência
entre 30 e 300 kHz;
Para pequeno número de canais e longas distâncias
Vantagens
Econômico;
Facilidade de acesso;
Não necessita de estações repetidoras para
transmissão a longa distância;
A Linha de Transmissão é um suporte físico
confiável.
Desvantagens
Baixa capacidade de canalização;
Faixa limitada do espectro de freqüências;
Susceptível a ruídos do Sistema Elétrico de
Potência (gerados por curtos-circuitos,
manobras de disjuntores e seccionadoras).
Canal de Comunicação – Fibra Óptica
14
15
Utilização
Proteção e controle de linhas e sistemas, como pela da conexão de relés
de proteção.
Religamento Automático.
Vantagens
Baixas perdas de transmissão e grande
banda passante;
Pequeno tamanho e peso;
Imunidade a interferências;
Isolação elétrica;
Segurança do sinal;
Matéria-prima abundante;
Menor taxa de erro de bit (10-9).
Desvantagens
Fragilidade das fibras sem encapsulamento;
Dificuldade de conexão;
Configuração básica ponto a ponto;
Curvas podem provocar perdas.
Canal de Comunicação – Cabo OPGW
16
Canal de Comunicação – Microondas
17
Microondas de 3 GHz a
30 GHz.
18
Utilização
Proteção e controle de linhas e sistemas, pela conexão de relés de
proteção.
Vantagens
Serem independentes do Sistema Elétrico de
Potência.
Desvantagens
São sistemas que exigem infra-estrutura onerosa;
São afetados pelas condições atmosféricas (sujeito a interrupções
temporárias).
Canal de Comunicação – Cabo Metálico (LPCD)
19
Linha Privativa de Comunicação de Dados (LPCD).
20
Utilização
Configuração dos Dispositivos de Proteção, Supervisão e Controle.
Vantagens
Todas as facilidades para instalação já existem para utilização do sistema telefônico.
Desvantagens
São afetados pelas condições atmosféricas (sujeito a interrupções
temporárias).
Interrupções gerada pelos operadores do sistema.
Interface Digital - Padrões
Padrões de Interface Digital
ITU-T V.35
ITU-T V.28
EIA/TIA 232-E
ITU-T V.24
21
Interface Digital - Localização
22
Interface Digital - Sinalizações
23
Interface Digital - Crossover
24
LAN, WAN, TCP/IP e Intranet em Sistemas de Potência
25
26
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.
27
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.
Topologia Física, Estrela
28
29
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.
Topologia Física, Anel
30
31
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.
LAN - Dispositivos de Hardware
32
33
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.
LAN - Switch
34
Topologia Lógica:
Ethernet
WAN - Dispositivos de Hardware
35
WAN - Dispositivos de Hardware
36
Intranet
37
Protocolos, Ambiente de Substação
38
UCA2
LON Hart
ControlNet
Profinet Profibus
Modbus
DNP3 Fieldbus
DeviceNet
60870-5-101/4 60870-5-103
Pilares do Padrão
39
Interoperabilidade Intercambialidade
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
Composição Básica
41
Característica Parte Descrição
Aspectos do Sistema 1 Introdução e Visão Geral
2 Glossário
3 Requisitos Gerais
4 Gerenciamento de Sistema e Projeto
5 Requisitos de Comunicação para Funções e Modelos de
Dispositivos
Configuração 6 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 8802-3
9.1 Valores Amostrais sobre Enlace Serial Unidirecional Multidrop
Ponto-a-Ponto
9.2 Valores Amostrais sobre ISO/IEC 8802-3
Ensaios 10 Testes de Conformidade
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).
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 inter-
harmônicos;
• MDIF – Medição Diferencial;
• PDIS – Proteção de Distância.
• 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.
LN GGIOm
Exemplo de um Nó lógico (LN), GGIO
44
Indn
stVal q
Parte
5
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.
Fragmento de um Arquivo SCL
Tipos de Mensagem e Classe de Desempenho
47
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
Bay de Distribuição – 10ms Bay de Transmissão – 3ms
Protocolo
48
Pilha Resumida de Protocolos, IEC-61850
49
.
Circuito Funcional com Cabeamento Metálico
Circuito Funcional com IEC-61850
Tempo Médio de Transmissão das Mensagens
53 2009
54
2012
Agradecimentos
Comunicação de Dados e IEC-61850
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, [email protected]
Prof. Dr. Daniel Barbosa, [email protected]
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando [email protected]
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando [email protected]