Minicurso 1 Protecao Denis Daniel

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


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


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.


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.


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



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)


1.5 – A conversão analógica digital

Convertendo um sinal analógico em um código

binário


Amostragem de um sinal analógico

Conversão analógica/digital

Conversão digital/analógica


Efeito aliasing em um sinal amostrado.

Frequência < 0,5 fs


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:


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:


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








Proteção de Sistemas Elétricos, Revisão





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 operacional de um relé diferencial percentual.

Ajuste:

– Valor inicial

– Declividade


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)


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.


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.


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








Proteção Digital de Linhas de Transmissão





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












Proteção Digital de Transformadores,

Máquinas Rotativas e Barramentos

Proteção Diferencial

(87) Geradores (87G)

Motores (87M)

Transformadores (87T)

Linhas de Transmissão

(87L)

Barramentos (87B)


• 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


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


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


87B

Zona de Proteção

CargasCarga

CargasCarga


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


B

Proteção Diferencial: LT – Comparação Fasorial

• Comparação Fasorial com comunicação digital

87

A


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


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


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 – Falta Externa


Proteção 87: Saturação de TC – Falta Externa



Aumento da

Restrição IRestrição

IOperação

Inicio da

Saturação


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


Envoltória das correntes de energização


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


I2 I1

87

Y

Y Y


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


Proteção 87T: Eliminação 𝑰𝟎 - Falta Interna


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


• 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


• 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












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 ...


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


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



• 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


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.


• 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.


• 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.


Redes Neurais Artificias

Informação Experiência Aprendizado


Neurônio Real

Neurônio Artificial


•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


RTC 2000:5

13,8kV




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)


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


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


31

Componentes de Clarke: defeito interno à terra


32


Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtAGH e

ProtABG)

Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores

• Resultados

– Energização


• Resultados

– Energização sob defeito AG em 10% no Secundário em Estrela


• 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


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


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


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.


• 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


• 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


• 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


#O#M#N#P

100km 100km150km

Agente de Medição

Agente de Medição

Agente Executor

Agente Executor

Agente Servidor


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








Comunicação de Dados e IEC-61850





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





Documents

Minicurso 1 Protecao Denis Daniel