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ENGENHEIRO DE ELTRICA SISTEMAS INTEGRADOS DE PROTEO E AUTOMAO EM SUBESTAES

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ENGENHEIRO DE ELTRICA

SISTEMAS INTEGRADOS DE PROTEO E AUTOMAO EM SUBESTAES

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CASCAES PEREIRA, Allan M.sc.

Engenheiro Eletricista / UERJ. Rio de Janeiro, 2006 106 p.: 59 il.

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Av. Almirante Barroso, 81 17 andar Centro CEP: 20030-003 Rio de Janeiro RJ Brasil

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INDICE

Apresentao..............................................................................Pag..8 1 Arquitetura Bsica dos Rels Digitais..................................................9

1.1 Introduo ................................................................................9 1.2 - Subsistema de Entradas Analgicas .......................................10 1.3 - Subsistema de Entradas Digitais ou Discretas ........................13 1.4 - Subsistema de Sadas Digitais ou Discretas ...........................14 1.5 - Memrias ................................................................................14 1.6 - Processador ............................................................................15 1.7 - Subsistema de Comunicao..................................................15 1.8 - Teclado Local e Visor de Cristal Lquido..................................16 1.9 - Fonte de Alimentao..............................................................16 1.10 - Alternativas de Arquitetura ....................................................16

2 Algoritmos de Filtragem Digital..........................................................20

2.1 - Introduo ...............................................................................20 2.2 - Algoritmos para Proteo de Distncia....................................20 2.2.1 - Algoritmos Baseados em Modelos dos Sinais de Entrada ..21 2.3 - Conceito de Janela de Dados..................................................22 2.4 - Algoritmo de Fourier ................................................................23 2.4.1 - Utilizao de Janela de Dados de um Ciclo ........................24 2.4.2 - Utilizao de Janela de Meio Ciclo ......................................24 2.5 - Algoritmo Recursivo de Fourier ...............................................27 2.6 - Algoritmo de Walsh .................................................................27 2.7 - Algoritmos de Filtragem Digital Baseados em Modelo do Sistema 29 2.8 - Algoritmo de Mnimos Quadrados ...........................................31

3 Novas Funes Oferecidas Pelos Rels Digitais...............................33

3.1 - Introduo ...............................................................................33 3.2 - Novas Funes Oferecidas pelos Rels Digitais .....................33 3.2.1 - Registro Seqencial de Eventos..........................................33 3.2.2 - Oscilografia..........................................................................34 3.2.3 - Registro de Valores de Medio Indicativa..........................34 3.2.4 - Autoteste e Autodiagnose....................................................35

3

4

3.2.5 - Teclado, Visor e LEDs .........................................................35 3.2.6 - Comunicao.......................................................................37 3.2.7 - Sincronizao ......................................................................37 3.2.8 - Localizao de Faltas ..........................................................37 3.2.9 - Monitorao do Disjuntor .....................................................37 3.2.10 - Monitorao do Circuito de Disparo...................................37 3.2.11 - Relatrio de Falta...............................................................38 3.2.12 - Deteco de Falha na Abertura ou Fechamento do Disjuntor ..38 3.2.13 - Configurao das Entradas e Sadas Digitais ...................38 3.2.14 - Grupos de Ajustes .............................................................39 3.2.15 - Monitorao da Qualidade da Energia Fornecida .............40 3.2.16 - Anlise de Harmnicos......................................................40 3.2.17 - Anlise de Fasores ............................................................40

4 Possibilidades de Diferentes Arquiteturas .........................................41

4.1 - Introduo ...............................................................................41 4.2 - Possibilidade de Diferentes Arquiteturas para o Sistema Digital.41 4.3 - Influncia do Tipo e Porte da Subestao ...............................46 4.4 - Itens a Serem Analisados na Definio do Sistema Digital ..........47 4.4.1 - Desempenho e Confiabilidade.............................................47 4.4.2 - Recursos Operacionais e Apoio Manuteno...................48 4.4.3 - Modularidade, Expansibilidade e Mantenabilidade..............49 4.4.4 - Condicionamento Ambiental ................................................49 4.4.5 - Cablagem ............................................................................50 4.4.6 - Comunicao de Dados.......................................................50 4.5 - Substituio dos Circuitos e Rels dos Cubculos Blindados e Painis por Sistemas Digitais ...................................................51 4.6 - Uso de Esquemas de Retaguarda...........................................52 4.7 - Redundncia no Sistema Digital..............................................53 4.8 - Custo.......................................................................................54 4.9 - Concluses .............................................................................54

5 Vantagens dos Sistemas de Proteo e Automao Digitais ............55

5.1 - Introduo ...............................................................................55 5.2 - Estrutura e Funcionamento de um Sistema Digital Inteligente de Proteo, Controle e Automao.............................................55 5.2.1 - Sistema de Superviso, Controle e Automao ..................56 5.2.2 - Sistema de Proteo ...........................................................57 5.3 - Vantagens da Utilizao dos Sistemas Digitais .......................57 5.4 - Problemas e Limitaes dos Sistemas Convencionais.......................61

5

6 - Sistemas Integrados de Proteo e Automao ................................64 6.1 - Introduo ...............................................................................64 6.2 - O Panorama Atual...................................................................65 6.3 - Razes para Evoluir para um Sistema Integrado.....................65 6.4 - Linguagem CIM XML Aplicada a Sistemas Eltricos.....................66 6.5 - Padro IEC 61850 Sua Implantao e Aplicaes ......................68 6.5.1 - Objetivos do Padro IEC 61850 ..........................................72 6.5.2 - Benefcios ............................................................................72 6.5.3 - Confirmao da Viabilidade.................................................73 6.5.4 - O Projeto INTERUCA ..........................................................76 6.5.5 - Evoluo dos Sistemas Atuais para o Padro IEC 61850...77 6.5.6 - Monitorao de Equipamentos Usando o Padro IEC 61850 .81 6.5.7 - Concluses ..........................................................................82 6.6 - Utilizao das Informaes de Monitorao e Controle

Disponveis nos Rels.............................................................................83 6.6.1 - Introduo............................................................................83 6.6.2 - Unidades de Medio de Fasores (Phase Measurement

Units - PMU) ...........................................................................................84 6.6.3 - Aplicaes dos Dados e Informaes dos Rels.................85 6.6.4 - Recomendaes e Sugestes .............................................87 6.7 - Possibilidades de Retrofit ........................................................87 6.8 - Tendncias da Integrao na Automao de Subestaes.....87 6.9 - Concluses .............................................................................89

7 Testes em Sistemas Integrados de Proteo e Automao ......................90

7.1 - Introduo ...............................................................................90 7.2 - Uso da Linguagem SCL ..........................................................90 7.3 - A Norma IEC 61850 ................................................................92 7.4 - Equipamento de Teste para Rels Microprocessados Convencionais.. 94 7.5 - Equipamento de Teste para IEDs de Proteo Baseados na Norma

IEC 61850................................................................................................94 7.6 - Testes de Conformidade .........................................................95 7.7 - Testes de Interoperabilidade ...................................................96 7.8 - Testes de Desempenho ..........................................................98 7.9 - Concluso ...............................................................................98

Bibliografia ............................................................................................100

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 - Diagrama de Blocos de um Rel Digital .............................................................................09

Figura 1.2 - Amostragem dos Sinais Analgicos ...................................................................................10

Figura 1.3 Alternativas Para o Circuito de Entradas Analgicas ........................................................11

Figura 1.4 Exemplo de Arquitetura Simplificada de Rel Digital ........................................................12

Figura 1.5 Exemplo de Configurao Simplificada do Software de Rel Digital ................................12

Figura 1.6 Exemplo de Arquitetura com Trs Multiplexadores ...........................................................13

Figura 1.7 Arquitetura do Rel SPC (GE) ...........................................................................................14

Figura 1.8 Diagrama de Blocos Processador Central e Memrias..................................................16

Figura 1.9 Diagrama em Blocos Geral do Rel DGP (GE).................................................................17

Figura 1.10 Diagrama em Blocos Interface Homem-Mquina.........................................................18

Figura 1.11 Diagrama em Blocos Entradas Digitais e LEDs...........................................................19

Figura 2.1 Janela de Dados Deslizante ..............................................................................................22

Figura 2.2 ...............................................................................................................................................25

Figura 2.3 ...............................................................................................................................................26

Figura 2.4 ...............................................................................................................................................26

Figura 2.5 ...............................................................................................................................................26

Figura 2.6 ...............................................................................................................................................28

Figura 2.7 ...............................................................................................................................................28

Figura 2.8 ...............................................................................................................................................29

Figura 2.9 ...............................................................................................................................................29

Figura 2.10 .............................................................................................................................................31

Figura 2.11 .............................................................................................................................................32

Figura 3.1 Lista de Eventos.................................................................................................................34

Figura 3.2 Exemplo de Oscilograma com Anlise de Harmnicos.....................................................35

Figura 3.3 Interface Homem-Mquina Remoto: Visor, Teclado e LEDs Indicativos...........................36

Figura 3.4 Interface Homem-Mquina Remotos e Comunicao com CLP.......................................36

Figura 3.5 Relatrio de Falta...............................................................................................................38

Figura 3.6 Exemplo de Diagrama Lgico............................................................................................39

Figura 3.7 Demandas e Distoro Harmnica Total (DHT) ................................................................40

Figura 4.1 Sistema com Processamento da Automao e Controle Centralizado e Aquisio de

Dados Distribuda...................................................................................................................................42

Figura 4.2 Sistema com Aquisio de Dados Distribuda e Redundncia .........................................43

Figura 4.3 Sistema com Proteo e Aquisio de Dados Distribuda e Automao e Controle

Centralizados..........................................................................................................................................44

Figura 4.4 Exemplo de configurao Sistema SPACOM (ABB) ......................................................45

6

7

Figura 4.5 Exemplo de configurao Sistema ALSTHOM...............................................................46

Figura 4.6 - Exemplo de Interface Homem Mquina .............................................................................48

Figura 4.7 Configurao com Modularidade .......................................................................................50

Figura 4.8 Exemplo de Integrao Vertical e Horizontal.....................................................................51

Figura 5.1- Exemplo de Sistema Digital de Superviso, Controle e Automao...................................56

Figura 5.2 - Aspecto da Interface Homem-Mquina Digital ...................................................................57

Figura 5.3 - Exemplos de Relatrio e Lista de Eventos.........................................................................58

Figura 5.4 - Simplificao de Subestaes............................................................................................59

Figura 5.5 - Comparao entre os Tempos de Engenharia, Compras, Instalao e ............................60

Comissionamento para Sistemas Convencionais e Digitais..................................................................60

Figura 5.7 Parte de Circuito de Intertravamento de Chaves Seccionadoras......................................62

Figura 5.8 - Arranjo dos Equipamentos na Casa de Controle Sistema Convencional .......................62

Figura 5.9 - Anunciador de Alarmes ......................................................................................................63

Figura 6.1 Entradas, Sadas e Configurao de Dados de uma Funo ...........................................69

Figura 6.2 Ns Lgicos Agrupados em Dispositivos Lgicos (Funes)............................................69

Figura 6.3 Nveis Hierrquicos em Uma Subestao .........................................................................70

Figura 6.4 Mapeamento das Mensagens............................................................................................71

Figura 6.5 Separao entre Software Aplicativo e de Comunicao..................................................72

Figura 6.6 Conjunto de Teste Para Verificao de Interoperabilidade ...............................................79

Figura 6.7 Arquitetura Utilizada no Projeto INTERUCA......................................................................79

Figura 6.8 Coordenao Lgica Entre Rels de Sobrecorrente .......................................................80

Figura 7.1 Gerao Do Arquivo SCD..................................................................................................91

Figura 7.2 Arquitetura Simplificada de um SAS Utilizando a Norma IEC 61850................................93

Figura 7.3. Ligaes de um Rel Digital Convencional ao Equipamento de Teste...........................94

Figura 7.4 - Equipamentos Para a Realizao de Testes de Conformidade e Funcionais ...................95

Figura 7.5 Sistema para Teste de Interoperabilidade de Vrios IEDs................................................97

APRESENTAO O

Os rels de proteo experimentaram notvel evoluo desde que a tecnologia digital foi

adotada em sua fabricao, tendo-se transformado em dispositivos inteligentes, chamados de IEDs

de proteo. Alm de agregarem maiores recursos s tarefas de proteo de equipamentos, barras e

linhas de transmisso, so tambm capazes de participar das diversas funes de superviso,

controle e automao normalmente utilizadas em uma subestao. O advento da norma IEC 61850

veio uniformizar o uso de redes locais LAN (Local rea Network) de alta velocidade e elevada

confiabilidade, permitindo o compartilhamento de informaes entre os diversos IEDs, bem como a

disponibilizao dessas informaes aos diferentes usurios de uma indstria ou empresa de energia

eltrica (operador local, operador do centro de controle, medio, tecnologia da informao,

manuteno, engenharia da proteo, anlise de faltas etc.). Adicionalmente, a norma IEC 61850

solucionou o problema das expanses dos sistemas digitalizados, oferecendo a garantia de

expansibilidade e interoperabilidade entre IEDs de fabricantes diferentes, reduzindo drasticamente o

custo das expanses dos sistemas digitalizados.

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1 ARQUITETURA BSICA DOS RELS DIGITAIS

1.1 Introduo Os rels microprocessados consistem de um conjunto de unidades de hardware e software interligadas entre si de modo a executar as diversas funes do rel de forma eficiente, confivel e

econmica. Embora possam existir variaes de projeto de um fabricante para outro, so

apresentados na Figura 1.1 os principais subsistemas que fazem parte da maioria dos rels

numricos.

Figura 1.1 - Diagrama de Blocos de um Rel Digital

9

1.2 - Subsistema de Entradas Analgicas Possui os seguintes elementos:

Transformadores de Isolamento Galvnico e Condicionamento de Sinais:

Filtros Anti-Aliasing

Limitam o espectro de freqncia dos sinais de entrada, eliminando as altas freqncias. O

filtro deve possuir freqncia de corte adequada para permitir a passagem da freqncia fundamental

e dos harmnicos menores, de modo a no provocar atraso excessivo. De um modo geral, quanto

maior for a freqncia de corte, menor ser o atraso gerado pelo filtro.

Amplificadores Sample and Hold - Registram o valor instantneo da corrente ou tenso, no momento da amostragem, e retm este valor at pass-lo ao conversor A/D.

Multiplexador - Efetua a varredura dos canais de entrada com uma velocidade correspondente taxa de amostragem, determinada pelo relgio de amostragem (clock). Conversor Analgico-Digital - Efetua a converso de cada sinal analgico que lhe comutado pelo multiplexador, para seu equivalente digital. A converso controlada pelo relgio de

amostragem, o qual gera pulsos de curta durao, a uma dada freqncia, estabelecendo, assim, os

instantes de amostragem. A cada pulso do relgio feita a converso do valor instantneo do sinal de

entrada para uma palavra digital. O tempo de converso tpico da ordem de 25s. Na alternativa de amostragem com espaamento uniforme durante todo o ciclo do sinal,

existem duas variantes: amostragem uniforme em tempo e amostragem uniforme em ngulo. Na

amostragem com tempo fixo, o intervalo de tempo entre amostras (t ) constante, isto , a freqncia de amostragem constante e da ordem de 240 Hz a 2 kHz. Este mtodo tambm

conhecido como amostragem assncrona, sendo o mais utilizado neste momento, para rels digitais.

(ver Figura 1.2 a).

fm

Figura 1.2 - Amostragem dos Sinais Analgicos

Na amostragem uniforme com ngulo constante, ou amostragem sncrona, constante o

ngulo de separao entre amostras )( 0 t= , onde 0 a freqncia angular do sinal (ver

10

Figura 1.2 b). Neste caso, a amostra est sincronizada com a passagem por zero do sinal, o que

requer que seja detectado o ponto de passagem por zero. Consequentemente, se a freqncia 0 do sinal, variar, ser necessrio modificar o valor de t e, portanto, o de . Este inconveniente reduz a aplicao deste tipo de amostragem.

fm

Na realidade realizada mais de uma converso A/D em cada instante de amostragem, pois

o rel deve processar vrios sinais analgicos de entrada (corrente das 3 fases e neutro, tenso das 3

fases, etc.). Uma alternativa para este caso fazer uma multiplexao analgica dos sinais de

entrada e aplic-las seqencialmente a um conversor anlogico-digital (Figura 1.3a). O processo de

converso e transmisso de cada sinal ao processador deve ser muito rpido para que as amostras

possam ser consideradas simultneas.

Figura 1.3 Alternativas Para o Circuito de Entradas Analgicas

A tendncia atual utilizar conversores A/D de alta velocidade, sem unidades sample and

hold. Nesse caso, sendo 1 ciclo equivalente a 16,67 ms e admitindo que a durao de varredura

completa do multiplexador seja de 10s, o erro mximo gerado ser de, aproximadamente, 0,02 graus. Este erro desprezvel para aplicao em rels. Mesmo para tempos de varredura de 50s, o erro gerado ser pequeno (0,1 grau).

Caso a multiplexao seja de baixa velocidade, as amostras seqencialmente obtidas no

podero ser consideradas como simultneas, sendo necessrio efetuar correo das medidas por

interpolao.

11

Outra variante consiste em fazer a amostragem de cada sinal de forma simultnea, e reter os

valores das amostras para sua converso e transmisso ao processador com velocidade

relativamente baixa uma vez que as amostras sero feitas dentro do mesmo intervalo do relgio

(Figura 1.3b).

Uma terceira alternativa utilizar conversores analgico-digitais independentes nos diferentes

canais de entrada (Figura 1.3c), o que eleva o custo do esquema.

As Figuras 1.4 e 1.5 mostram configuraes simplificadas de rels digitais

Figura 1.4 Exemplo de Arquitetura Simplificada de Rel Digital

Figura 1.5 Exemplo de Configurao Simplificada do Software de Rel Digital

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A Figura 1.6 mostra um exemplo de configurao com amplificadores sample and hold e trs

multiplexadores.

Figura 1.6 Exemplo de Arquitetura com Trs Multiplexadores

1.3 - Subsistema de Entradas Digitais ou Discretas Suas partes constituintes so:

Condicionamento de Sinais e Isolamento Eletro-tico - Esta unidade tem a finalidade de converter os contatos abertos ou fechados de entrada para valores adequados de tenso. Realiza,

tambm, um isolamento galvnico dos sinais de entrada e prov proteo contra sobretenses

transitrias que possam ocorrer nos cabos de controle.

Circuito de Entradas Digitais - Converte a tenso de entrada, representativa de contato aberto ou fechado em sinal binrio, associado ao endereo do ponto de entrada.

A Figura 1.7 apresenta uma configurao com entradas digitais com opto-acopladores.

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Figura 1.7 Arquitetura do Rel SPC (GE)

1.4 - Subsistema de Sadas Digitais ou Discretas responsvel pelas aes de comando (abrir, fechar, ligar, desligar etc.) de equipamentos.

Os contatos de sada deste subsistema podem tambm ser usados para chavear outros rels ou

circuitos. Processa a informao proveniente de uma porta paralela do processador a qual consiste de

uma palavra digital contendo o endereo e o estado que dever assumir o rel de sada. Deve haver

acoplamento eletro-tico entre esta porta e o rel de sada para proteg-lo. Este rel efetua o

comando de dispositivos ou equipamentos atravs do fechamento de um contato seco.

1.5 - Memrias Os rels digitais utilizam, pelo menos, os seguintes tipos de memoriais:

RAM - Memria de acesso aleatrio. Armazena os dados amostrados, medida que so liberados pelo conversor A/D. usada como buffer de memria para armazenar temporariamente os

valores das amostras de entrada, acumular resultados intermedirios dos programas de proteo e

para reterem dados a serem guardados posteriormente na memria no voltil.

ROM - Memria de leitura somente. usado para armazenar programas permanentemente. no programvel. Em alguns casos os programas podem ser executados diretamente da ROM, se

seu tempo de leitura for suficientemente curto. Caso contrrio, os programas devero ser copiados da

14

15

ROM para a RAM durante o processo de inicializao. A execuo em tempo real , ento, feita a

partir da RAM.

PROM - Memria de leitura somente. , porm, programvel e tambm usada para armazenar programas permanentemente.

EPROM - uma PROM regravvel. usada para armazenar certos parmetros (como os ajustes do rel) que devem poder ser alterados de tempos em tempos, porm, que uma vez estabelecidos,

no devem ser perdidos mesmo durante interrupo da tenso de alimentao do rel. Para esta

funo pode tambm ser usada uma memria tipo ncleo ou uma RAM com bateria incorporada.

O uso de uma EPROM de grande capacidade desejvel em um rel digital para poder

gravar dados de faltas, listas de eventos datados, registros das mudanas de ajuste feitos no rel etc.

A limitao a um maior uso desta memria, porm, ainda o seu custo.

Os rels atualmente no mercado j utilizam este tipo de memria para armazenar

temporariamente os dados mencionados at que os mesmos possam ser transferidos para um meio

mais permanente, como uma memria de massa de um microcomputador externo.

1.6 - Processador a unidade central do rel, encarregada de executar as funes lgicas, os algoritmos e

programas de proteo e o controle das diversas funes de tempo, alm de realizar tarefas de

autodiagnstico e comunicao com os perifricos. comum se utilizar mais de um processador em

um mesmo rel. Assim, por exemplo, pode-se utilizar um processador para executar os algoritmos de

proteo e outro para executar as funes lgicas. Na Figura 1.8 mostrado diagrama em blocos

contendo um processador central e memrias.

1.7 - Subsistema de Comunicao As interfaces de comunicao permitem o intercmbio de informaes com unidade externas ao

rel, como por exemplo, o sistema de superviso e controle local ou remoto. As comunicaes se faro

sobre um meio fsico, que poder ser cabo coaxial, par tranado ou fibra tica. Para o intercmbio de

informaes em tempo real necessrio dispor de uma interface de comunicao paralela.

Figura 1.8 Diagrama de Blocos Processador Central e Memrias

1.8 - Teclado Local e Visor de Cristal Lquido Permitem algum nvel de interface homem-mquina local, possibilitando a escolha de ajustes

e parmetros e a leitura de dados, mensagens e alarmes no prprio rel.

1.9 - Fonte de Alimentao Esta , em geral, uma fonte de sada mltipla (usualmente 5 Vcc e 15 Vcc), alimentada a partir da bateria da subestao (125 Vcc). A tenso de 5 Vcc usada para os circuitos eletrnicos. A tenso de 15 Vcc necessria para as entradas analgicas. A fonte de alimentao deve ser

regulada, de modo a no variar sua tenso de sada durante variaes da tenso de entrada.

1.10 - Alternativas de Arquitetura A arquitetura indicada na Figura 1.1 e suas variantes consideram a utilizao de

transformadores de corrente e tenso convencionais. Caso sejam usados TCs e TPs ticos, a

amostragem das correntes e tenses ser realizada nos prprios TCs e TPs. Os sinais so

transmitidos at o rel de forma serial, j digitalizados, atravs de fibras ticas. So conectados

diretamente memria do microprocessador encarregado da filtragem digital.

16

A seguir, nas Figuras 1.9 a 1.11 so apresentadas algumas arquiteturas de hardware

correspondentes a rels digitais de diferentes fabricantes.

Figura 1.9 Diagrama em Blocos Geral do Rel DGP (GE)

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Figura 1.10 Diagrama em Blocos Interface Homem-Mquina

18

Figura 1.11 Diagrama em Blocos Entradas Digitais e LEDs

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2 ALGORITMOS DE FILTRAGEM DIGITAL 2.1 - Introduo

Os algoritmos de filtragem digital destinam-se, normalmente, a determinar os parmetros das

ondas de corrente e tenso de freqncia fundamental (magnitude, fase e freqncia), eliminando,

tanto quanto possvel, os harmnicos e demais rudos presentes durante as faltas ou outras

condies anormais no sistema protegido.

2.2 - Algoritmos para Proteo de Distncia

sabido que a proteo de distncia se baseia na avaliao da impedncia aparente apresentada ao rel e sua comparao com uma caracterstica no plano X-R, cuja forma se tenha

determinado em funo da mxima resistncia de falta esperada, das oscilaes de potncia que

possam ocorrer no sistema, da localizao das cargas etc.

Quando se fala de impedncia se toma em considerao a freqncia fundamental do

sistema. Porm, as ondas de corrente e tenso podem estar fortemente contaminadas,

particularmente logo aps a ocorrncia de uma falta. Esta contaminao consiste em transitrios

exponenciais, harmnicos superiores etc.

O problema da contaminao resolvido pelos rels digitais, em boa parte dos casos,

mediante a implementao de algoritmos de filtragem digital, cujo objetivo obter as componentes

real e imaginria dos fasores representativos da componente de freqncia fundamental das ondas

de corrente e tenso. Em outros casos, se implanta um algoritmo baseado na soluo da equao

diferencial que permita calcular a impedncia, atuando ao mesmo tempo como filtro que elimine a

influncia dos transitrios exponenciais e de harmnicos superiores.

Na realidade, os algoritmos de filtragem digital so aplicveis no somente proteo de

distncia, mas tambm proteo de transformadores, geradores etc. Seu objetivo determinar, to

exatamente quanto possvel, as componentes real e imaginria das ondas de corrente e tenso de

freqncia fundamental.

Sendo V e I os valores RMS dos sinais de tenso e corrente que esto sendo analisados, e

chamando de V e as componentes Seno e V e as componentes Co-seno de tais ondas, sua representao fasorial ser:

S I S C IC

(2.1)

jVcsVV +=

(2.2) cjIsII +=

20

A partir dos valores fasoriais de V e I , pode ser calculada, para o caso dos rels de distncia, a posio da falta, dada por:

Z V

I=

(2.3)

ou

SC

SC

jIIjVV

Z ++=

(2.4)

2.2.1 - Algoritmos Baseados em Modelos dos Sinais de Entrada

Nesse tipo de algoritmos procura-se obter os parmetros relativos s componentes das ondas

de corrente e tenso na freqncia fundamental. Todos os demais componentes so considerados

rudos. Uma exceo a proteo diferencial de transformadores que utiliza o nvel de alguns

harmnicos para restrio em condies de magnetizao ou sobre-excitao.

Na maioria dos rels, portanto, deve-se utilizar um filtro passa-banda que deixe passar a

componente fundamental e bloqueie a componente c.c, assim como os harmnicos e sub-

harmnicos.

Este tipo de filtro tem seu desenvolvimento baseado numa funo chamada de convoluo,

segundo a qual possvel expressar o sinal de sada y t( ) de um sistema linear, a partir do sinal de

entrada x t( ) e de uma funo )(y , pela expresso:

(2.5)

dtxyty = )()( )(t

o

Sendo )(y a resposta ao impulso do sistema linear, isto , corresponde ao sinal de sada para uma entrada tipo impulso unitrio.

Na filtragem digital, utilizada uma aproximao discreta da integral de convoluo:

(2.6)

ynk

kak xn k= =

1

,onde:

k = nmero total de amostras

ak = coeficientes do filtro (resposta ao impulso para cada amostra) xn k = valor do sinal de entrada para a amostra n k Os filtros baseados nos sinais de entrada podem ser de dois tipos:

21

Filtros recursivos - Tm resposta ao impulso infinita no tempo (IIR). O sinal de sada depende do valor da amostra medido em determinado instante e das estimaes nos instantes anteriores, isto

, de toda a histria prvia do sinal de entrada.

Filtros no recursivos - Tm resposta ao impulso finita (FIR). O sinal de sada depende de uma histria finita do sinal de entrada. Nestes filtros, as estimaes se realizam com um somatrio de

amostras afetadas por um coeficiente.

Os filtros FIR so mais adequados para proteo, pois:

a) deixam, rapidamente, de considerar a condio de pr-falta (ver conceito de janela de dados);

b) possuem zeros naturais em suas respostas de freqncia, os quais podem ser ajustados

para coincidir com a componente c.c e os harmnicos, eliminando ou atenuando

fortemente estes sinais.

2.3 - Conceito de Janela de Dados A partir da equao (2.6), pode-se calcular o valor instantneo do sinal de sada a partir

dos ltimos valores do sinal de entrada. Para cada , portanto, tem-se valores do sinal de

entrada, correspondendo a uma janela de dados deslizante, conforme mostrado na Figura 2.1.

yn

k yn k

Figura 2.1 Janela de Dados Deslizante

Nesta figura est indicada uma janela deslizante com 3 amostras, tendo-se uma freqncia

de amostragem de 12 amostras por ciclo. Na mesma figura, mostrada tambm uma

descontinuidade no sinal da tenso devido a uma falta. A janela A contm 3 amostras da tenso pr-

falta. As janelas B e C contm amostras da tenso pr-falta e de falta. A janela D contm apenas

amostras de tenso de falta.

Como se pode verificar, a equao (2.6) fornece resultados corretos para as janelas A e D.

Os resultados para as janelas B e C no tm significado. O filtro dito em estado transitrio e

contm informaes de pr-falta e de falta.

22

importante, portanto, detectar quando a janela de dados est cruzando por um ponto de

descontinuidade, para evitar a operao do rel neste perodo.

Se o sinal de entrada fosse puramente senoidal, poder-se-ia concluir que quanto menor a janela de

dados, mais rapidamente o rel ficaria liberado para tomar uma deciso de disparo ou no disparo.

Sabemos, porm, que os sinais de entrada esto distorcidos por diferentes tipos de rudos. A

capacidade do algoritmo para eliminar estes rudos depende, em grande parte, da largura da janela

de dados.

Assim, pode-se dizer que, em geral, a reduo da largura da janela aumenta a velocidade do

rel, porm prejudica sua preciso.

A equao (2.6) fornece apenas os valores instantneos do sinal de sada . Para se obter

o valor dos fasores de corrente e tenso em magnitude e fase h dois mtodos:

yn

Determinao simultnea das componentes real e imaginria do fasor, utilizando um par de filtros

ortogonais (por ex.: um filtro Seno e um filtro Co-seno).

Determinao das componentes real e imaginria do fasor utilizando um nico filtro, tomando

como componentes real e imaginria os valores de sada do filtro defasados de 1/4 de ciclo. Este

mtodo apresenta um retardo no tempo de resposta de 1/4 e ciclo em relao ao primeiro mtodo.

2.4 - Algoritmo de Fourier Baseia-se em um caso particular da equao (2.6), onde a funo y( ) toma a forma de uma exponencial de expoente imaginrio. Assim, para se obter a componente fundamental de x t( ) , temos:

detxty j = )( )(t

o (2.7)

As componentes ortogonais do fasor y t( ) (componente fundamental de x t( ) ) so:

Funo Co-seno: (2.8)

dtttyYC = cos)( T

o

Funo Seno: (2.9)

dtttyYS = sen)( T

0

Onde T o perodo de observao do sinal de entrada.

23

2.4.1 - Utilizao de Janela de Dados de um Ciclo As formas discretas das equaes (2.8) e (2.9) constituem o algoritmo de Fourier. Assim, para

uma janela de 1 ciclo e N amostras por ciclo, pode-se demonstrar, com base na Teoria da

Transformada de Fourier que, para o instante -simo, tem-se: k

( )=

=ky

NY k

N

kC cos

21 (2.10)

( )= =

kyN

Y kN

kS sen

21 (2.11)

,onde o ngulo entre amostras, na freqncia fundamental, isto , =2/N . Sendo o intervalo entre amostras, vem:

t

t= 0 A funo Fourier a expresso do fasor, cujas componentes ortogonais so e , isto : CY SY

Funo Fourier: jYcsYY += O mdulo e ngulo do fasor correspondente janela de dados centrada na amostra i, so

dados por:

[ ] [ ]Y Y Yi Ci S i( ) ( ) ( )= +2 2

(2.12)

= i

YYtg

CIS

ii

)(

)(1)(

(2.13)

Observa-se que o fasor em questo tem magnitude definida, porm gira medida que a

janela de dados se desloca. Esta rotao no afeta os rels que operam com uma s grandeza, nem

os que se baseiam no quociente de 2 fasores, como o caso dos rels de distncia. Em algumas

aplicaes, porm, pode ser necessrio corrigir a rotao.

2.4.1.1 - Determinao dos Harmnicos

Em geral, para uma janela de dados de 1 ciclo e amostras por ciclo (sendo um nmero

par), possvel determinar um total de

k k

k2

1 harmnicos. As componentes ortogonais

correspondentes ao harmnico de ordem m, so:

( )Y

ky m kC

m

k

k

k( ) cos=

=2

1

(2.14)

( )=

=kmy

kY k

k

k

mS sen

21

)(

(2.15)

24

( )( )

( )m S

m

Cmtg

Y

Y= 1

(2.16)

2.4.1.2 - Resposta do Filtro em Estado Estvel obtida considerando um sinal de entrada senoidal e realizando uma varredura na

freqncia.

Os grficos de resposta de freqncia do filtro representam o ganho do filtro em funo da

freqncia. O ganho definido como o quociente entre a amplitude do sinal de sada e do sinal de

entrada.

A Figura 2.2 mostra os grficos de resposta de freqncia para os filtros tipo Seno, Co-seno e

Fourier, com janelas de dados de 1 ciclo e 16 amostras por ciclo. A escala do eixo das abcissas

indicada em mltiplos da componente de freqncia fundamental.

O filtro tipo Fourier corresponde a uma combinao de um filtro Seno e de um filtro Co-seno.

Figura 2.2

A anlise dos grficos indica que a resposta de freqncia dos filtros Co-seno, Seno e Fourier

possuem zeros corresponde componente de c.c. (freqncia zero) e aos harmnicos dos sinais de

entrada, alm de apresentar atenuao crescente com a freqncia para os sinais de freqncias

intermedirias.

2.4.1.3 - Resposta do Filtro em Estado Transitrio

Durante o estado transitrio do filtro digital, um rel de distncia, por exemplo, poder sofrer

sobrealcance ou subalcance transitrio.

Como um dos mtodos para avaliar a resposta de estado transitrio de um filtro aplica-se, na

entrada, sinais distorcidos pela componente c.c, componentes oscilatrias amortecidas e outros

rudos, e calcula-se a impedncia aparente dividindo os fasores de tenso e corrente estimados.

A trajetria da impedncia aparente vista por rels de distncia dotados de filtros tipo Co-

seno, Seno e Fourier para o caso de falta no final de uma linha curta e em condies de mxima

assimetria da corrente, est mostrada na Figura 2.3

25

.

Figura 2.3

Na Figura 2.4 mostrado um zoom da rea junto posio final do vetor impedncia.

Figura 2.4

Atravs da Figura 2.4 pode-se verificar que a resposta transitria do filtro tipo Co-seno

melhor que a dos demais, em virtude da maior rapidez de convergncia para o valor final 0,1 +j1,0

p.u. (impedncia da linha de transmisso at a falta).

2.4.2 - Utilizao de Janela de Meio Ciclo Na Figura 2.5 apresentado o grfico da resposta da freqncia de um algoritmo de Fourier

de meio ciclo, com 12 amostras por ciclo.

Figura 2.5

Verifica-se que o algoritmo elimina os harmnicos mpares, mas no impede a componente

c.c nem os harmnicos pares.

26

2.5 - Algoritmo Recursivo de Fourier

Os algoritmos de Fourier no recursivos apresentam dois problemas:

Nmero elevado de operaes do processador (cada componente do fasor requer uma soma de

produtos de dois fatores). k

O fasor gira.

Com o algoritmo recursivo, estes dois problemas ficam resolvidos. Assim, para um filtro de 1

ciclo, o algoritmo fica:

( ) ( )+= LyyYY vnvCnC cos)()()()( (2.17)

( ) ( )+= LyyYY vnvSnS sen)()()()( (2.18) onde L corresponde ao nmero da amostra mais recente, o valor dessa amostra e a

componente ortogonal de sada estimada, enquanto e so os valores de entrada e sada

correspondentes a uma amostra atrasada de um ciclo em relao atual.

y n( ) Yn( )

y v( ) Yv( )

Neste algoritmo se requer, apenas, uma multiplicao e uma soma para atualizar cada

componente ortogonal do fasor. Alm disto, o fasor resultante no gira.

A resposta de estado transitrio deste algoritmo pior que no caso de algoritmo no

recursivo, especialmente no caso do filtro Co-seno.

Isto se deve ao fato de que nos algoritmos no recursivos o coeficiente do filtro no varia

enquanto a janela de dados desliza, isto , a ao filtrante sempre a mesma.

Nos algoritmos recursivos, os coeficientes variam a cada amostra, de modo que o filtro fica

alternando-se entre os tipos Seno e Co-seno a cada ciclo.

A resposta de freqncia, portanto, tambm no fixa, influindo negativamente sobre a

resposta em estado transitrio.

2.6 - Algoritmo de Walsh semelhante ao algoritmo de Fourier, substituindo-se os sinais senoidais de freqncia

fundamental e seus harmnicos por sinais em onda quadrada. As funes Walsh, na freqncia

fundamental, equivalentes s funes Seno e Co-seno, so denominadas funes Walsh tipo Seno

(SAL) e tipo Co-seno (CAL). A Figura 2.6 mostra um conjunto de funes Walsh.

(SAL)

27

(CAL)

(SAL)

Figura 2.6

A vantagem no uso deste tipo de funo a simplificao do processamento, uma vez que os

coeficientes das equaes (2.10) e (2.11) passam a ser apenas +1 ou -1.

Nas Figuras 2.7 e 2.8 so apresentados os grficos de resposta de freqncia e resposta

transitria para as funes SAL, CAL e Walsh, com janela de um ciclo e 16 amostras por ciclo. A

funo Walsh equivalente funo Fourier, em que os valores de sada correspondem resultante

entre as funes CAL e SAL.

Figura 2.7

Observa-se que este tipo de filtro no adequado para eliminar os harmnicos mpares, Isto

, decorrente do erro resultante da aproximao dos sinais senoidais de entrada para ondas

quadradas, com um nmero reduzido de harmnicos. Para melhorar a resposta de freqncia seria

necessrio considerar um nmero elevado de funes de Walsh, o que imporia maior carga de

processamento.

Na Figura 2.8 mostrada a trajetria da impedncia aparente vista por rels de distncia,

utilizando o algoritmo de Walsh, nas mesmas condies que o Filtro de Fourier.

28

Figura 2.8

As funes de Walsh foram desenvolvidas para permitir o uso de processamentos de menor

capacidade e menor custo. Entretanto, dado o estado atual de desenvolvimento dos processadores,

este aspecto no mais importante.

2.7 - Algoritmos de Filtragem Digital Baseados em Modelo do Sistema

Os algoritmos baseados em modelos de sinais de entrada estimam fasores, que so

aplicados a distintos tipos de rels. Nos rels de proteo de linhas de transmisso possvel

tambm utilizar algoritmos baseados em modelos do sistema, que estimam os valores de parmetro,

tais como a indutncia e a resistncia da linha com defeito.

Podemos representar uma linha de transmisso monofsica curta (ver Figura 2.9) a partir da

equao diferencial que relaciona a voltagem e a corrente de entrada no rel. Para um curto-circuito

franco no sistema, no instante inicial, a tenso no rel ser dada por:

Figura 2.9

dtdiLiRV LLL +=

(2.19)

onde i , o valor instantneo da corrente e e a resistncia e indutncia da linha at o local

da falta.

RL LL

Integrando a equao (2.19) em 2 intervalos consecutivos, temos:

29

(2.20)

[ ])()()()( 0110

1

0

titiLdttiRdttv LLLLt

tLL

t

t

+=

(2.21)

[ ])()()()( 1221

2

1

titiLdttiRdttv LLLLt

tLL

t

t

+= Por aproximao, para intervalos de tempo pequenos, pode-se escrever:

[ ] )(2

)()(2

)( 111

kLkLkLkLL

kt

kt

vvttvtvttv == +++

(2.22)

Para as amostras k, k+1 e k+2, as equaes (2.20) e (2.21), podem, ento, ser escritas:

t i i i i

t i i i i

R

L

t v v

t v v

L L L k

L L L L

L

L

L L

L L

k k k

k k k k

k k

k k

2

2

2

2

1 1

2 1 2 1

1

2 1

( )( )

( )( )

( )

(

+ +

+ + + +

+

+ +

+

+

=

+

+

(2.23)

o que permite calcular os valores de e pelas expresses: RL LL

))(())(())(())((

112121

112121

kkkkkkkk

kkkkkkkk

LLLLLLLL

LLLLLLLLL iiiiiiii

iivviivvR ++

++=++++++

++++++

(2.24)

++++++=

++++++

++++++

))(())(())(())((

2112121

112121

kkkkkkkk

kkkkkkkk

LLLLLLLL

LLLLLLLLL iiiiiiii

vviivviitL (2.25)

Estes algoritmos representam uma carga computacional menor que os algoritmos baseados

em modelo dos sinais de entrada. Outra vantagem deste algoritmo que a componente peridica

exponencial no um erro para o algoritmo, pois satisfaz equao diferencial. Por outro lado,

porm, os harmnicos superiores e outros erros no so suprimidos e afetam a medio, a menos

que sejam eliminados por outro filtro. Pode-se considerar tambm no algoritmo o modelo de linha que

inclui a capacitncia Shunt da LT. Esta soluo, porm, necessita de maior processamento, tornando

sua aplicao mais restrita.

O algoritmo acima possui janela de dados curta, em geral menos de um ciclo.

Os algoritmos baseados em modelos de sistema no possuem uma resposta de freqncia

definida, pois processam os sinais simultaneamente. A Figura 2.10 mostra os grficos de resposta de

freqncia de um algoritmo baseado no valor mdio do sinal de sada de 3 amostras, com janela de

dados de meio ciclo (a) e um ciclo (b) respectivamente. Para a determinao dos grficos variou-se a

freqncia do sinal de voltagem, mantendo fixa a freqncia da corrente.

30

Figura 2.10

2.8 - Algoritmo de Mnimos Quadrados Considerando-se nos sinais de entrada todos os erros possveis, o sinal y t( ) pode ser em geral escrito:

y t Y S t tn

Nn n( ) ( ) ( )= +

=

1

(2.26)

onde: representa um conjunto de sinais elementares que se pressupe estejam presentes em S tn ( )

y t( )

so seus coeficientes Yn

( )t representa os erros O problema geral em estimar parmetros inerente a todo algoritmo de filtragem digital

consiste em estimar os n valores de a partir de um conjunto de k amostras Yn yk tais que o termo

erro, ( )t , seja mnimo. O algoritmo de mnimos quadrados requer a necessidade de resolver, tornando o erro mnimo, o seguinte conjunto de equaes (2.27):

+

=

kNN

N

N

k Y

Y

Y

tkStkStkS

tStStS

tStStS

y

y

y

2

1

2

1

21

21

21

2

1

)()()(

)2()2()2(

)()()(

(2.27)

A equao (2.27) tambm pode ser escrita na forma matricial:

[ ] [ ] [ ] [ ]+= YSy (2.28) Considerando-se que sero realizadas k amostras por ciclo, a equao (2.28) representar

um conjunto de k equaes com n incgnitas ( n coeficientes de ), tem soluo para k n. Yn

31

32

p nicos

perio

o do

rem presentes no sinal de entrada constituiro um erro e devero ser

cludo

Nos algoritmos de mnimos quadrados podemos considerar qualquer conjunto de sinais

elementares S tn ( ) . Nestes sinais podemos incluir a com onente fundamental, harmsu res e a componente c.c.

A sele conjunto de sinais elementares de grande importncia, pois os sinais que no

foram considerados e que estive

in s no termo ( )t . Da mesma forma, a incluso de sinais no existentes no sinal de entrada tambm introduz erros.

Uma vantag goritmo de mnimos quadrados a possibilidade de eliminar a

componente aperidica e

em do al

xponencial mediante sua incluso explcita no conjunto

amental e os

armni

amostras por ciclo. Neste grfico pode-se observar a

esen

S tn ( ) . Pode-se demonstrar que os algoritmos de Fourier constituem casos particulares do algoritmo

de mnimos quadrados, em que os sinais elementares so somente a componente fund

h cos; isto ; para um algoritmo de Fourier, a componente aperidica exponencial um rudo e

distorce sua resposta de estado transitrio.

A Figura 2.11 apresenta o grfico de resposta de freqncia de um filtro de mnimos

quadrados com janela de um ciclo e 12

pr a de zeros em todos os harmnicos, da mesma forma, como nos algoritmos de Fourier com

janela de um ciclo.

Figura 2.11

3 NOVAS FUNES OFERECIDAS PELOS RELS DIGITAIS

3.1 - Introduo

Os rels digitais hoje disponveis no mercado esto projetados de modo a poder substituir os rels convencionais sem requerer modificaes na estrutura de cablagem e na filosofia de disparo e

de proteo de retaguarda atualmente utilizadas. Assim, numa instalao existente, sero utilizados

os mesmos cabos provenientes dos TCs e TPs, os cabos para energizar as bobinas de disparo no 1 e

2 de cada disjuntor ligado ao circuito protegido, bem como os cabos para a alimentao CC dos rels.

Existem, porm, algumas caractersticas que diferem daquelas dos rels convencionais, so

comuns maioria dos rels digitais e correspondem a maiores recursos oferecidos ao pessoal de

operao e manuteno e, at mesmo, ao projetista do sistema de proteo e controle.

A seguir, so apresentadas as funes adicionais mais freqentemente encontradas nos rels

digitais. importante acrescentar que algumas dessas funes so opcionais ou no so fornecidas

com todos os tipos de rels, como o caso, por exemplo, das funes de oscilografia, localizao de

faltas e medio indicativa.

3.2 - Novas Funes Oferecidas pelos Rels Digitais

Adicionalmente ao que j foi informado no Mdulo IV, so apresentadas a seguir as principais

caractersticas ou funes adicionais s funes de proteo, disponveis nos rels digitais e que no

so oferecidas pelos rels convencionais.

3.2.1 - Registro Seqencial de Eventos

Consiste do registro, em memria, dos diversos tipos de ocorrncia selecionadas, tais como

estado (aberto, fechado, ligado, desligado etc.) de equipamentos, operao de contatos, operao de

rels ou funes, disparos, alarmes, mudanas de ajuste, resultados do autoteste, etc. Para cada

evento tambm registrada a data, hora, minuto e milissegundo de sua ocorrncia. Dependendo do rel,

podem ser registrados at 100 ou 200 eventos. A Figura 3.1 mostra um exemplo de lista de eventos.

33

Figura 3.1 Lista de Eventos

3.2.2 - Oscilografia

Esta funo corresponde ao registro das formas de onda das correntes e tenses. A taxa de

amostragem pode variar desde 12 ou 16 amostras por ciclo at taxas maiores como, por exemplo, 64

amostras por ciclo. A partir destes registros podem ser construdos os oscilogramas das correntes e

tenses, com durao que depende da quantidade de memria disponvel para este fim (30 ciclos, por

exemplo).

A apresentao dos oscilogramas pode ser feita por meio de um laptop local, ou atravs da

tela de um PC e impressora na sala de controle da usina ou subestao, ou ainda no prprio escritrio

da concessionria. Alm dos oscilogramas, so tambm registrados eventos de interesse, como, por

exemplo, o instante de operao dos rels, o momento de disparo dos disjuntores etc.

A partida da funo oscilografia pode ser feita, tanto por um sinal interno do rel, quanto por

um contato externo. A Figura 3.2 mostra um exemplo de oscilograma.

3.2.3 - Registro de Valores de Medio Indicativa

Muitos rels fornecem o valor de grandezas eltricas de interesse, como, por exemplo:

a) Corrente (Ia, Ib, Ic, In);

b) Demanda (Ia, Ib, Ic);

c) Tenso (Va, Vb, Vc, Vab, Vbc, Vca);

d) Potncia ativa (3); e) Potncia reativa (3); e) Freqncia.

34

A preciso da ordem de 1%.

Figura 3.2 Exemplo de Oscilograma com Anlise de Harmnicos

3.2.4 - Autoteste e Autodiagnose

Esta operao realizada continuamente. Sendo detectado qualquer problema, iniciado um

alarme e registrado um evento na lista de eventos.

3.2.5 - Teclado, Visor e LEDs

Estes componentes constituem uma interface homem-mquina local simplificado. O teclado

simplificado, possuindo teclas alfanumricas. Permite a execuo de ajustes e a gravao de

parmetros, localmente.

O visor de cristal lquido oferece a possibilidade de exteriorizao local de dados de medio

indicativa, informaes de eventos, ajustes, parmetros, alarmes, valores de corrente e tenso

durante faltas etc. Os dados e mensagens podem ser rolados para cima ou para baixo,

pressionando-se teclas ou botes.

Os LEDs servem para indicar o tipo de disparo (instantneo ou temporizado, fase A, B, C ou

terra etc.) se h algum alarme atuado, se h seqncia negativa etc.

A Figura 3.3 mostra um modelo de teclado, incluindo visor, LEDs e botes.

35

Figura 3.3 Interface Homem-Mquina Remoto: Visor, Teclado e LEDs Indicativos

realizado com a ajuda de um microcomputador PC, teclado, vdeo e impressora, podendo,

tambm, ser utilizado um laptop. Pode, ainda, ser executado atravs de um sistema SCADA. A Figura

3.4 fornece um exemplo de interface homem-mquina remoto, mostrando tambm a comunicao

com um CLP.

Figura 3.4 Interface Homem-Mquina Remotos e Comunicao com CLP

36

37

3.2.6 - Comunicao

A comunicao com outros equipamentos externos realizada, normalmente, por meio de

portas seriais. Estas portas podem ser de padro RS232 ou RS 485, com taxas de comunicao

variando de 300 a 57.600 bauds (bits por seg.), sendo 9.600 bauds a taxa ou velocidade de

comunicao mais utilizada. Vrios protocolos de comunicao podem ser utilizados: ASCII, Modbus,

DNP 3.0 ou um protocolo particular (proprietrio) do fabricante. As ligaes de um rel de proteo a

alguns equipamentos externos esto, tambm, mostradas na Figura 3.4.

3.2.7 - Sincronizao

possvel interligar vrios rels de modo que todos os registros de eventos e dados de

oscilografia tenham uma base de tempo comum, utilizando uma entrada do tipo IRIG-B. Isto inclui

tambm a sincronizao de rels localizados em diferentes subestaes, utilizando-se o sistema GPS

para manter a mesma base de tempo entre os diversos rels.

3.2.8 - Localizao de Faltas

Esta funo disponvel em alguns rels, e fornece a distncia do rel falta em km, milhas

ou percentagem da impedncia da linha. O valor da medida da distncia falta mostrado no visor

de cristal lquido do rel e tambm includo no relatrio de falta mencionado a seguir. Em geral,

podem ser armazenados dados de distncia de vrias faltas.

3.2.9 - Monitorao do Disjuntor

Alguns rels oferecem dados da operao do disjuntor, como, por exemplo, os valores

cumulativos de I.t e I2.t, o valor da corrente de cada fase nas ltimas interrupes etc. Se um dos

valores cumulativos exceder o seu limite ajustado, ser iniciado um alarme.

3.2.10 - Monitorao do Circuito de Disparo

Esta funo permite a monitorao contnua do circuito de disparo, incluindo os cabos, a

bobina de disparo e a tenso de alimentao. Isto obtido, por exemplo, atravs da monitorao da

tenso existente entre os terminais de cada contato de disparo. Um alarme iniciado se esta tenso

for perdida.

3.2.11 - Relatrio de Falta

Na ocorrncia de uma falta, as informaes de interesse so armazenadas em memria

magntica, para posterior exteriorizao.

Exemplos de informaes de interesse so: nmero do rel operado, data e instante de

operao, tempo de operao, correntes pr-falta, correntes e tenses de falta e tipo de falta.

Podem ser gravados dados de vrias faltas (as 12 ltimas, por exemplo). A Figura 3.5

mostra um exemplo de relatrio de falta.

Figura 3.5 Relatrio de Falta

O relatrio de faltas pode incluir oscilogramas com resoluo de 1 a 8 kHz e durao entre

0,25 a 5 s, quando o rel auxiliado por um processador de comunicao.

3.2.12 - Deteco de Falha na Abertura ou Fechamento do Disjuntor

Esta funo includa em alguns rels e permite que seja detectada uma falha ou demora no

fechamento ou na abertura do disjuntor.

3.2.13 - Configurao das Entradas e Sadas Digitais

Muitos rels oferecem a possibilidade de se configurar cada um dos contatos de sada ou

pontos de entrada digitais, segundo determinada lgica. A lgica utilizada para cada conjunto de

entradas, sadas e operao de funes de proteo pode ser definida, dependendo do rel, por meio

de operaes Booleanas ou por diagramas lgicos.

38

Para os rels que possuem vrios grupos de ajustes, possvel definir uma lgica diferente

para cada grupo de ajuste, possibilitando um grande nmero de combinaes. A Figura 3.6 apresenta

um exemplo de diagrama lgico que pode ser incorporado ao rel.

Figura 3.6 Exemplo de Diagrama Lgico

3.2.14 - Grupos de Ajustes

A possibilidade de mudana de ajustes, automaticamente ou por solicitao, oferecida por

alguns rels. O rel pode possuir 3, 4 ou at mesmo, 8 conjuntos de ajustes. A escolha de qual

conjunto estar efetivo pode ser feita localmente, atravs do teclado ou por um laptop, ou ainda,

remotamente, a partir de um PC. Pode, tambm, ser feita automaticamente, em funo de condies

pr-definidas, como carga acima de determinado valor, nmero de linhas, transformadores ou

geradores em servio, configurao do barramento etc.

39

3.2.15 - Monitorao da Qualidade da Energia Fornecida

Esta funo, disponvel em alguns rels, fornece o clculo da Distoro Harmnica Total

(DHT) na corrente e tenso de cada fase, assim como os valores das demandas, em intervalos de 15,

30 ou 60 minutos. Os dados podem ser exteriorizados sob a forma de grficos, como mostra a Figura 3.7.

F

Figura 3.7 Demandas e Distoro Harmnica Total (DHT)

3.2.16 - Anlise de Harmnicos

O software dos rels digitais permite realizar uma anlise dos harmnicos presentes nas

ondas de corrente e tenso, conforme mostrado na Figura 3.2. Os grficos contendo os harmnicos

podem ser comparados com outros grficos usados em posies diferentes no sistema.

3.2.17 - Anlise de Fasores

O rel pode fornecer, graficamente, os fasores das correntes e tenses, antes, durante ou

aps uma falta. Os fasores gerados por um rel podem ser comparados com fasores gerados em

outros pontos do sistema, para facilitar anlises de falta.

40

4 POSSIBILIDADES DE DIFERENTES ARQUITETURAS 4.1 - Introduo

A utilizao generalizada, da tecnologia digital para substituir os j tecnicamente obsoletos e

economicamente no mais justificveis sistemas de superviso, controle e proteo convencionais de

usinas e subestaes ser o grande desafio que se coloca para os prximos anos aos profissionais

da rea e queles pertencentes aos nveis gerenciais.

Para vencer este desafio, porm, indispensvel avaliar as vrias alternativas que se

apresentam e estabelecer critrios adequados de escolha. Devem ser encontradas respostas para

perguntas como: Quais as melhores solues para cada um dos diferentes tipos de usina ou

subestao sob os diversos aspectos de custo, instalao fsica, cablagem, condicionamento

ambiental, comunicao de dados, recursos oferecidos ao pessoal de operao e manuteno,

desempenho, confiabilidade, expansibilidade do sistema, facilidade de modificao do software, de

modificao ou criao de telas, ou carregamento do banco de dados pelo prprio pessoal da

empresa usuria etc.? Quais as configuraes que melhor privilegiam os aspectos acima e ao mesmo

tempo sejam compatveis com a tecnologia disponvel? Como utilizar os recursos mais modernos

oferecidos pelos grandes fabricantes mundiais sem resvalar para a dependncia tecnolgica? Como

digitalizar as usinas e subestaes existentes de maneira adequada e com custos aceitveis? Como

coordenar a proteo stand alone (digital ou convencional) com o sistema de superviso e controle

digital, de forma a possibilitar a convivncia de equipamentos com tecnologias diferentes?

Algumas das questes acima so analisadas a seguir:

4.2 - Possibilidade de Diferentes Arquiteturas para o Sistema Digital

A localizao das funes de processamento, aquisio e controle de dados em uma nica

unidade central ou em vrias unidades localizadas na sala de controle, ou ainda em unidades

colocadas junto ao processo, determina o grau de centralizao ou descentralizao fsica ou

funcional do sistema digital. A seguir, so analisadas, de maneira simplificada, diferentes

possibilidades de arquitetura, desde a fisicamente centralizada (na sala de controle), porm

funcionalmente distribuda, at aquelas com maior grau de descentralizao.

Para poder apresentar melhor o problema da centralizao versus descentralizao, o

sistema digital foi dividido nos seguintes subsistemas, incluindo software e hardware:

41

AC - aquisio de dados para as funes de superviso e controle.

AP - aquisio de dados para as funes de proteo.

SC - processamento das funes de superviso e controle.

P - processamento das funes de proteo.

IHM - processamento e exteriorizao das funes de interface homem-mquina.

Na Figura 4.1, o processamento do sistema de superviso e controle (SC) fsica e

funcionalmente centralizado, isto , realizado numa nica unidade computacional. A aquisio de dados

para a funo SC pode ser feita por unidades de aquisio e controle (AC) localizadas na sala de

controle. A proteo poder ser convencional ou digital. No caso da proteo convencional, seus dados

(atuao de rels, alarmes, posio de chaves seletoras etc.) precisam ser digitalizados, atravs de uma

unidade de aquisio de dados da proteo (AP) para poderem ser exteriorizados pelo IHM. Por outro

lado, se forem utilizados rels digitais para a funo proteo com protocolo compatvel, a unidade (AP)

poder ser eliminada, desde que o sistema central tenha condies de interpretar o protocolo de

comunicao destes rels, ou se for empregado um conversor de protocolos (gateway). Os rels digitais

com protocolo compatvel podero fornecer ao sistema central, atravs de sua interface serial,

informaes de alarmes, atuaes, ajustes e parmetros e podero receber deste os dados para

alterao de ajustes, parametrizao, alterao de curvas ou caractersticas etc.

Figura 4.1 Sistema com Processamento da Automao e Controle Centralizado e Aquisio de Dados Distribuda

AC - Aquisio de Dados para o Sistema SC

AP - Aquisio de Dados para a Proteo

Neste tipo de configurao, os cabos dos transformadores de corrente e tenso e para

informao do estado dos equipamentos, alarmes e comandos precisam ser levados desde a

subestao ou usina at a sala de controle, representando a principal desvantagem deste esquema.

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A Figura 4.2 apresenta um sistema com arquitetura parcialmente descentralizada. Parte do

processamento da funo SC, bem como as funes de aquisio de dados para a SC e a proteo

(AP) foi deslocada para junto do processo (subestao, usina ou indstria). A funo proteo utiliza

rels digitais, cada um dos quais realizando o processamento da proteo que lhe est associada. A

amostragem dos valores de corrente e tenso, bem como a informao de estado do disjuntor e o seu

comando de disparo so feitos pela unidade AP. Os dados devem ser enviados aos rels para

processamento atravs de uma rede de alta velocidade (digitalizao o nvel processo). As

informaes para o sistema SC central podem transitar atravs de uma rede na qual a velocidade no

fator to importante.

A comunicao entre os rels e o sistema central poder ser feita, como no caso anterior, via

interface serial.

Figura 4.2 Sistema com Aquisio de Dados Distribuda e Redundncia

Nesta configurao, o comprimento dos cabos que interligam os equipamentos e cubculos da

subestao ou usina, s UACs sensivelmente reduzido, no havendo, portanto, cablagem na sala

de controle.

A unidade SC + AC remota, alm de efetuar a aquisio dos dados da funo SC e o

comando dos equipamentos, executa um processamento parcial das funes de superviso e

controle, com o objetivo de tornar o sistema menos dependente da unidade central. Como exemplos

das tarefas de processamento que podem ser realizadas pela unidade remota citada, para o caso de

uma subestao ou usina, podem-se citar:

Lgicas de intertravamento

Pr-processamento da medio

Chaveamento automtico seqencial de circuitos durante manobras ou aps faltas; Includas

nesta tarefa esto as operaes de transferncia automtica de circuitos.

Separao automtica de barras

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Registro seqencial de eventos e alarmes

Controle de reativos

Controle de tenso atravs de comutador automtico em carga do transformador

Monitorao da capacidade de carga de transformadores

Desligamento programado de cargas

Verificao da consistncia de dados antes do envio unidade central.

Figura 4.3 Sistema com Proteo e Aquisio de Dados Distribuda e Automao e Controle Centralizados

Legenda:

P - Proteo

SC - Superviso e Controle

AC - Aquisio de Dados Sistema SC

AP - Aquisio de Dados Sistema P

Mesmo em caso de perda da comunicao com a unidade central, as tarefas acima podero

continuar sendo realizadas.

As unidades remotas podero ser construdas com previso para ligao a equipamentos de

interface homem-mquina portteis, para operao local dos equipamentos digitais durante eventual

falha do sistema central ou da comunicao e para facilitar os servios de manuteno.

O sistema da Figura 4.3 possui arquitetura fsica e funcionalmente descentralizada.

semelhante ao sistema da Figura 4.2 com as funes de proteo deslocadas para junto dos

equipamentos da subestao ou usina, ou para os prprios cubculos de mdia tenso, em instalao

preferencialmente abrigada. Valem para esta configurao as mesmas consideraes apresentadas

para o esquema anterior, exceto pelo fato de que, na configurao em pauta, as funes de proteo

e aquisio de dados para a proteo esto na mesma unidade.

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Esta a configurao que corresponde ao uso dos rels digitais atualmente disponveis no

mercado, instalados em painis, na casa de controle ou em cubculos blindados ou painis, colocados

em abrigos, junto subestao ou usina (ver Figuras 4.4 e 4.5).

Figura 4.4 Exemplo de configurao Sistema SPACOM (ABB)

Os rels de proteo digital, quando montados na sala de controle, com as unidades de

aquisio e controle e o processamento parcial do sistema SC no ptio, constituem uma variante da

configurao da Figura 4.3. Tm, porm, a desvantagem de requerer a instalao da cablagem para a

proteo indo at a sala de controle. Esta variante, juntamente com o esquema da Figura 4.1,

correspondem aos esquemas mais utilizados atualmente.

As configuraes apresentadas acima podem ser combinadas de diferentes maneiras, em

funo das caractersticas especficas de cada instalao e dos equipamentos digitais disponveis no

mercado, obtendo-se uma grande variedade de possibilidades.

A escolha adequada da melhor alternativa constitui importante fator para a especificao de

um sistema digital que alie os requisitos de eficincia operacional, confiabilidade e economia. Esta

tarefa um dos muitos desafios que devem ser enfrentados pelo engenheiro de proteo e que deve

ser realizada em conjunto com profissionais de processamento de dados e comunicao.

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Figura 4.5 Exemplo de configurao Sistema ALSTHOM

4.3 - Influncia do Tipo e Porte da Subestao O porte da subestao ou usina um fator que influencia, de alguma forma, a escolha da

configurao do sistema digital a ser empregado. Assim, em instalaes de maior porte, ou no caso

de varias subestaes distribudas pela rea de uma planta industrial, haver maior vantagem na

utilizao de arquiteturas descentralizadas. Em instalaes de pequeno porte, poder-se- utilizar

arquiteturas centralizadas fisicamente, porm funcionalmente distribudas, conforme exemplo

mostrado na Figura 4.1.

O tipo da subestao ou usina (nova ou existente, abrigada ou no abrigada, convencional ou

isolada a SF6 etc.) tambm fator importante para a escolha. No caso das instalaes novas, h total

liberdade para se optar por um sistema descentralizado e obter o mximo de benefcios, como, por

exemplo, a construo de uma sala de controle menor e sem haver necessidade de levar a cablagem

desde os equipamentos at esta sala. Por outro lado, necessrio construir abrigos ou pequenas

casas de rels para a instalao, no ptio, dos rels de proteo e dos equipamentos digitais de

aquisio de dados e processamento (UACs).

Se a instalao existente e est sendo expandida, h duas possibilidades:

a) Uma delas corresponde ao caso de uma instalao cuja sala de controle no possui

mais espao para a colocao de novos painis e equipamentos ou quando no h mais

possibilidade de lanamento de novos cabos nos leitos existentes. Neste caso, a melhor

opo , claramente, a digitalizao. Em termos de obras civis, bastar construir uma

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pequena sala de comando para os equipamentos digitais da unidade central, com previso

para controlar toda a instalao. A parte nova poder ter as unidades remotas instaladas

prximo ao ptio.

A liberdade para localizao da sala de controle em relao aos equipamentos mais uma

vantagem apresentada pelos sistemas descentralizados fisicamente. Como a ligao entre

o equipamento central e as unidades remotas corresponde apenas a um cabo coaxial, par

torcido ou fibra tica, a sala de controle poder ser localizada em qualquer local. Poder,

inclusive, ser colocada a muitos quilmetros da subestao, usina ou planta industrial.

Neste ltimo caso, a situao dos equipamentos no local da subestao poderia, por

exemplo, ser mostrada, na sala de controle, por um sistema de TV.

b) O segundo caso de expanso da instalao existente corresponde s situaes em que

a sala de controle e os leitos para cabos foram construdos com previso para futuros

acrscimos. H espao para a instalao de novos painis convencionais. Ainda neste

caso, somos de opinio que a opo deve ser pela digitalizao, pelas seguintes razes:

evitam-se os gastos com painis convencionais e cabos;

ampliam-se os recursos oferecidos ao pessoal de operao e manuteno;

possibilita-se a automatizao de vrias funes na subestao ou usina (transferncias

automticas, controle de tenso, desligamento automtico de cargas etc.);

Torna-se vivel a transferncia dos dados de interesse para o escritrio da empresa ou para o

centro de operao;

Pode ser reduzida a responsabilidade dos operadores, localizados na sala de controle, de maneira

que muitas as aes de emergncia possam ser realizadas automaticamente, pelo sistema digital.

Futuramente, o uso de sistemas especialistas com inteligncia artificial poder ampliar as

aes tornadas automticas.

4.4 - Itens a Serem Analisados na Definio do Sistema Digital

Alm do tipo e porte da instalao e da arquitetura do sistema digital, j analisados nos itens

precedentes, os seguintes aspectos devem ser considerados:

4.4.1 - Desempenho e Confiabilidade

Desempenho a capacidade do sistema digital de executar suas funes de forma adequada,

com tempos de resposta e requisitos tcnicos conforme especificado. Para apresentar bom

desempenho, o sistema deve possuir capacidade de transmisso de dados, armazenamento e

processamento suficientes para atender s contingncias mais desfavorveis especificadas.

O conceito de confiabilidade envolve os aspectos de segurana e disponibilidade, os quais

so influenciados pelo grau de redundncia adotado, pela qualidade dos diversos equipamentos e

componentes, pelo condicionamento ambiental e pelo sistema de transmisso de dados. A Figura 4.2

mostra um exemplo de uso de redundncias para as funes SC e IHM.

4.4.2 - Recursos Operacionais e Apoio Manuteno

O sistema digital deve ser especificado para oferecer amplos recursos ao pessoal de

operao e manuteno, desde que dentro dos limites dos equipamentos e softwares atualmente

disponveis. Entre estes recursos, podemos citar:

Telas grficas com diagramas unifilares mmicos do sistema eltrico, indicando os valores de

corrente, tenso e potncia em cada circuito, alm de outras grandezas como presses, temperaturas

etc. As telas devem ser organizadas em diversos nveis de informao, desde as mais gerais at

aquelas que mostrem as informaes mais detalhadas.

Listas de alarmes e eventos com a indicao, atravs de cores, do nvel de urgncia de cada

alarme e do instante de sua ocorrncia.

Relatrios de ocorrncias, por perodo ou por solicitao do operador.

Listagens contendo o tempo de operao de cada equipamento relevante, o tempo em que o

equipamento operou sob condies anormais, o valor mximo e mdio das grandezas de interesse etc..

Registro das manutenes ocorridas.

A Figura 4.6 mostra um exemplo de Interface Homem-Mquina.

Figura 4.6 - Exemplo de Interface Homem Mquina

importante que as reas de engenharia, operao e manuteno sejam envolvidas no

processo de aquisio e desenvolvimento do sistema digital, de modo a se explorar ao mximo os

recursos desta nova tecnologia. Deve-se procurar, sempre que possvel, adquirir sistemas que sejam

customizveis, isto , que sempre que possvel admitam modificaes posteriores para atender

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necessidades especficas do cliente. Caso contrrio, seria como adquirir um computador com um

conjunto de programas fornecido pelo fabricante para realizar uma srie de tarefas, mas que no

admitisse o uso de outros programas, no futuro.

4.4.3 - Modularidade, Expansibilidade e Mantenabilidade

Os sistemas no centralizados possuem, normalmente, grau de modularidade e

expansibilidade adequados, de modo a facilitar sua manuteno e futuras expanses. A agregao de

novas unidades ao sistema deve ser natural e no dever requerer modificaes no software ou do

protocolo de comunicaes da parte existente. As Figuras 4.7 e 4.8 mostram exemplos de sistemas

com modularidade e expansibilidade.

4.4.4 - Condicionamento Ambiental

Sistemas utilizando microprocessadores, memrias etc. podem ter seu desempenho,

confiabilidade e vida til afetados por fatores como:

Temperaturas elevadas.

Surtos de tenso conduzidos ou irradiados.

Umidade, poeira, fungos e vibraes.

Pelos motivos acima, desejvel que os sistemas digitais operem em ambientes controlados

e com blindagens para minimizar os efeitos dos campos eletromagnticos.

No caso de instalao de equipamentos digitais no ptio de subestaes, dever ser

providenciado ambiente adequado que atenda aos requisitos de imunidade aos efeitos apontados

acima. importante assinalar, porm, que os rels de proteo e CLPs, bem como a maior parte das

unidades terminais remotas que hoje so oferecida no mercado j so fabricados de modo a resistir

s condies ambientais existentes no ptio das subestaes ou usinas, desde que no sejam

ultrapassados os limites estabelecidos pelas normas.

A sala de controle de subestaes, por sua vez, rene as melhores condies para a

instalao de sistemas digitais.

Figura 4.7 Configurao com Modularidade

4.4.5 - Cablagem

A necessidade de cablagem entre o ptio e a casa de controle, caracterstica das

configuraes fisicamente centralizadas um fator importante que pesa contra este tipo de

configurao. Alm do alto custo dos cabos e das instalaes para cont-los, h ainda o

inconveniente de estes cabos conduzirem as interferncias eletromagnticas para dentro do prdio

onde est localizada a sala de controle podendo, inclusive, ir at os terminais dos equipamentos

digitais de aquisio e controle.

No caso das configuraes fisicamente distribudas, tambm existir cablagem entre os

equipamentos e os terminais do equipamento de aquisio e controle. Entretanto, os comprimentos

destes cabos sero sensivelmente menores e os cabos estaro, em grande parte, contidos em

eletrodutos que podero ser metlicos e aterrados, reduzindo muito o problema da interferncia

eletromagntica. Alm disto, por serem mais curtos, no haver grande diferena de custo, se forem

utilizados cabos blindados.

4.4.6 - Comunicao de Dados

As diferentes arquiteturas apresentadas anteriormente dependem, para o seu completo

funcionamento, de um sistema de comunicao de dados que seja, ao mesmo tempo, confivel e de

alto desempenho, de modo a no provocar interrupes na operao do sistema digital, nem

introduzir retardos indesejveis.

Os sistemas de comunicao de dados podem apresentar erros de mensagens, retardos na

comunicao, falhas nos transceptores ticos (no caso de uso de fibras ticas), falhas em interfaces

de comunicao etc., que podem afetar a confiabilidade e o desempenho do sistema digital.

Recomenda-se, portanto, o mximo cuidado ao especificar a rede de comunicaes destes sistemas.

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Nas arquiteturas descentralizadas fisicamente, parte do sistema de comunicao de dados

est localizada no ptio da usina ou subestao ou distribudo ao longo da planta industrial, ficando,

portanto, exposta ao ambiente agressivo destes locais.

Figura 4.8 Exemplo de Integrao Vertical e Horizontal

A qualidade e o desempenho dos sistemas de comunicao tm melhorado sensivelmente

nos ltimos anos. Os sistemas proprietrios dos grandes fabricantes de rels e de sistemas de

superviso e controle so hoje bastante satisfatrios.

O problema destes sistemas a incompatibilidade entre os protocolos de comunicao dos

diferentes fabricantes. Isto dificulta as expanses, sempre que a fonte nova seja de fabricante

diferente do sistema j existente. O ideal a utilizao de sistemas abertos. O problema da

padronizao do protocolo, somente fica totalmente resolvido com o emprego da norma IEC 61850,

conforme ser visto adiante.

4.5 - Substituio dos Circuitos e Rels dos Cubculos Blindados e Painis por Sistemas Digitais

Os circuitos de proteo e controle convencionais utilizados em cubculos blindados e painis

em subestaes, usinas e indstrias apresentam um grau de complexidade, por vezes, bastante

elevado, em razo da necessidade de incluir funes como intertravamentos, transferncias

automticas, seqenciamentos, desligamento automtico de cargas, seleo de potencial para

sincronismo etc. Estas funes, quando realizadas por circuitos convencionais, requerem grande

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nmero de rels auxiliares e fiao interna, alm de aumentarem a cablagem entre os diversos

painis e cubculos, dificultando a manuteno e diminuindo a confiabilidade do sistema.

Com a utilizao de rels e sistemas de superviso e controle digitais, os cubculos blindados

e painis podero ser projetados de maneira que seus circuitos sejam grandemente simplificados e,

at certo ponto, padronizados, contribuindo assim para a reduo do custo destes equipamentos.

Para que isto seja possvel, porm, necessrio que o sistema digital seja concebido e

especificado de modo a incorporar todas as funes de automatismos e intertravamentos antes

executadas pelo sistema convencional, alm de incluir novas funes, tornadas possveis em razo

da flexibilidade oferecida pela nova tecnologia.

No caso de reforma e modernizao de instalaes antigas, com problemas de limitaes

operacionais, obsolescncia de equipamentos e dispositivos, impossibilidade de novas expanses por

falta de espao na sala de controle, congestionamento da cablagem, desatualizao de

documentao, necessidade de relocao da sala de controle etc., o uso de sistemas digitais

adequadamente concebidos poder se apresentar como a melhor soluo, tcnica e

economicamente.

A implantao de um sistema digital descentralizado possibilitaria uma instalao gradativa

das unidades de aquisio e controle junto a cada vo, subestao unitria ou unidade geradora, sem

necessidade de desenergizar toda a subestao ou usina.

Quando todo o sistema digital tiver sido instalado, testado e funcionando, o controle da

subestao ou usina passaria a ser executado atravs do mesmo. Os painis convencionais e a

cablagem existentes seriam ento desativados.

Alternativamente, os cabos existentes poderiam ser aproveitados, procedendo-se da seguinte

maneira: Efetua-se o desligamento de um vo de cada vez. Os cabos so desconectados do painel

existente e ligados nova UAC. Depois de verificado que todas as informaes relativas ao vo em

questo esto disponveis no IHM e na base de dados do sistema digital, o vo desligado pode ser

reenergizado. Caso os cabos existentes no tenham comprimento suficiente para chegar at a UAC,

pode-se instalar, em local adequado, um painel intermedirio, contendo os bornes necessrios.

4.6 - Uso de Esquemas de Retaguarda No Brasil, a experincia com o uso de sistemas digitais modernos de automao e proteo

ainda pequena. Isto tem provocado uma certa preocupao por parte dos potenciais usurios.

Em razo desta preocupao, existe a tendncia de se especificar algum nvel de retaguarda

convencional para cobrir eventuais falhas no sistema digital.

Em algumas instalaes so adotadas retaguardas convencionais, consistindo de pequeno

painel mmico com LEDs mostrando o status dos equipamentos e de botoeiras para o comando

destes equipamentos em caso de falha no sistema digital.

Em nossa opinio, no devem ser misturadas diferentes tecnologias. O uso de sistemas

convencionais completos ou simplificados deve ser evitado, pois pode reduzir muito ou at anular as

principais vantagens econmicas e algumas vantagens tcnicas do emprego dos sistemas digitais.

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Recomenda-se que, para facilitar os testes e a manuteno, as unidades de aquisio e

controle (UACs), sejam especificadas com facilidades para conexo de um laptop dotado de IHM para

superviso e comando, o qual poder tambm funcionar como retaguarda no caso de colapso da

comunicao com o sistema central.

4.7 - Redundncia no Sistema Digital possvel afirmar, observando o estado atual da tecnologia nesta rea, que os sistemas

digitais modernos, desde que bem especificados e compatveis com as condies ambientes do local

de sua instalao, tendem a ser mais confiveis que os sistemas convencionais equivalentes.

Entretanto, para melhorar a confiabilidade destes sistemas, podem-se utilizar esquemas de

redundncia. Como exemplos dos diferentes nveis de redundncia que podem ser usados, podem-se

citar, partindo do mais simples para o mais completo:

Utilizao de contatos duplos (em srie), para comandos de abertura ou fechamento de equipamentos de manobra. Se possvel, deve-se usar contatos de sada de placas diferentes.

Duplicao da rede de comunicao de dados, incluindo o meio fsico, hardware e software, com sistema contnuo de deteco de falhas e transferncia automtica para o sistema stand by, em

caso de falha no sistema principal.

Duplicao do sistema central de processamento e IHM, conforme mostrado na Figura 4.2.

Neste esquema, so utilizados dois sistemas digitais idnticos, podendo-se duplicar, inclusive,

o sistema de comunicao de dados e as UACs. Os dois sistemas so independentes. Esto

continuamente em operao e realizam os mesmos processamentos sobre os dados que so

enviados para cada um, separadamente, pelas UACs (redundantes ou no) e pelos respectivos

sistemas de comunicao de dados. Apenas um dos sistemas (chamado sistema principal), est

habilitado a atuar sobre o processo e exteriorizar os dados. O outro sistema (denominado stand by)

permanece pronto para assumir as funes do sistema principal, em caso de falha ou

indisponibilidade deste.

Um software de deteco de falha verifica, continuamente, as condies operacionais