Sistema Para Monitoração Remota de
Operação de Chave Secionadora de Alta
Tensão
F. C. A. Paim, R. Scherer, C. N. Carvalho, A. F. Souza e R. Moraes
Resumo: As empresas de distribuição de energia vêm buscando
um melhor planejamento das operações de manutenção de
equipamentos críticos para garantir a disponibilidade do sistema. O presente trabalho descreve sistema para realizar a
monitoração remota da corrente de acionamento do motor de
chaves secionadoras no pátio da subestação de energia. Vistoria
e processamento destas formas de onda podem fornecer indícios sobre o desempenho das chaves secionadoras, permitindo a
identificação de falhas. A solução de monitoramento proposta
baseia-se em tecnologias de comunicação RF. Módulo eletrônico amostra a forma de onda a cada operação de abertura e
fechamento das chaves secionadoras, enviando-as via protocolo
Zigbee® para servidor localizado dentro da sala de controle da
subestação. O servidor, contendo módulo de comunicação XBee® (módulo base), executa aplicativo de software desenvolvido
em C++ para receber os dados e armazená-los em banco de
dados distribuído. Resultado de forma de onda amostrada pelo
sistema é apresentado.
Palavras-chave: Current signature analysis, Manutenção Preditiva,
Zigbee.
Durante sua manutenção, além de se indisponibilizar a
CS, o procedimento de acionamento pode gerar defeitos que
a mesma não possuía, implicando em despesas para a empresa.
Autores têm proposto a análise de corrente para
detecção de falhas em motores [2]. Baseado nesta metodologia, Souza [3] propôs a análise da corrente do motor de
acionamento da CS com o objetivo de detectar problemas
durante sua operação em procedimentos de rotina da subestação. Alteração da forma de onda RMS da corrente do motor pode ser associada à presença de problemas mecânicos
ou problemas nos circuitos de controle da CS.
Este trabalho descreve sistema desenvolvido para amostrar, remotamente, a corrente de acionamento do motor da
CS. As formas de onda amostradas são armazenadas em
banco de dados de servidor alocado na sala de comando da
subestação. Estas formas de onda poderão ser vistoriadas ou
processadas para que sejam identificados indícios de funcionamento inadequado da CS.
I. INTRODUÇÃO
II. MATERIAIS E MÉTODOS
O Operador Nacional do Sistema (ONS) está implantando
um Procedimento de Rede que estabelece critérios de controle de manutenção, impondo índices cujas metas estabelecidas devem ser alcançadas [1].
Para atender estas exigências, as empresas do setor buscam um melhor planejamento da manutenção de equipamentos críticos para assegurar a disponibilidade do sistema.
Dentre estes equipamentos, encontram-se as chaves secionadoras (CS) de alta tensão.
Atualmente, a manutenção das CSs é realizada em intervalos regulares, sendo que, em muitos casos, não haveria
necessidade de sua realização.
______________________________________________
F. C. A. Paim: FEESC, Florianópolis, SC (e-mail: [email protected]).
R. S. Correa: FEESC, Florianópolis, SC (e-mail: [email protected]).
A. F. Souza: Depto de Manutenção de Sistemas, Eletrosul, SC (e-mail:
[email protected]).
C. N. Carvalho: DT / DPD / DPDN, Eletrosul, SC (e-mail:
[email protected]).
R. Moraes: Depto. Engenharia Elétrica - UFSC (e-mail: [email protected]).
Este trabalho foi desenvolvido no Departamento de Engenharia Elétrica (EEL) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em conjunto com o Departamento de Manutenção de Sistemas (DMS) da Eletrosul.
O sistema proposto é constituído por um sistema microcontrolado que amostra a forma de onda da corrente do motor da CS durante a sua abertura ou seu fechamento. A forma de onda é armazenada localmente e, posteriormente,
enviada via rádio freqüência (RF) até uma estação base na
sala de controle da subestação.
A Figura 1 apresenta o diagrama geral do sistema desenvolvido que compreende o Módulo Secionadora (MS), Módulo Base (MB) e software.
A. Módulo Secionadora
Para cada manobra de abertura ou fechamento da CS, a
corrente do motor é amostrada e armazenada em uma memória Flash (memória que retém seus dados mesmo na ausência de alimentação). A amostragem é realizada à taxa de
2000 Sps, após a forma de onda ser atenuada por um transformador de corrente (TC). Concluída a manobra da CS, o
sistema microcontrolado envia os dados armazenados via
rádio freqüência para o MB.
Este módulo compreende os seguintes circuitos: medição
e digitalização do sinal de corrente (STPM01 ST Microelectronics); Controle e armazenamento dos sinais amostrados
(ARM7 STR711 ST Microelectronics) e comunicação via
rádio freqüência (ZigBee® XBEE-PRO Maxstream). A Figura 2 mostra o diagrama de blocos do sistema de aquisição
desenvolvido.
O STPM01 é um medidor integrado de energia elétrica
monofásico que disponibiliza amostras de corrente instantânea (16 bits) e valor RMS de corrente (16 bits) através de
interface SPI. A leitura dos registradores internos do
STPM01 e o processamento das informações são realizadas
pelo microcontrolador STR711.
porado aos MSs. O módulo ZigBee® utilizado apresenta um
alcance de até 1600 metros (com antenas apropriadas),
transmitindo dados à taxa de até 250 kbps.
B. Módulo Base
O MB estará localizado na sala de comando da
subestação, sendo conectada a um PC servidor. Terá por
finalidade estabelecer comunicação com os MSs no pátio da
subestação, recebendo as formas de ondas amostradas por
estas. O MB é constituído por módulo Zigbee e uma
interface serial RS-232 isolada (UART). Esta isolação faz-se
necessária em função do módulo XBEE-PRO utilizar antena
alocada no exterior do prédio da sala de controle. Assim, os
isoladores ópticos constituem-se em uma medida de
segurança contra surtos atmosféricos.
Através da UART, o PC envia instruções e dados que são
transmitidos por RF aos MSs. As instruções compreendem
um conjunto de comandos AT necessários à configuração do
XBEE-PRO, identificação dos demais módulos Zigbee da
rede e procedimentos para envio dos dados. Os dados, por
sua vez, são enviados para configuração dos MSs (e.g. data
e hora do sistema para ajuste dos relógios RTC em cada
remota).
C. Software
Figura 1 – Diagrama geral do sistema proposto, compreendendo MSs (amostra e envia as formas de onda da corrente
do motor de acionamento das CSs) e MB (estabelece comunicação RF) e servidor (armazena formas de onda em banco
de dados).
Figura 2 - Diagrama em blocos do Módulo Secionadora desenvolvido. Utiliza-se transformador de corrente (TC), CI de
medição de energia (STPM01), microcontrolador (STR711)
e módulo de comunicação RF (XBEE-PRO - Maxstream).
O STR711 envia a forma de onda de corrente para a subestação através de módulo ZigBee® que se encontra incor-
Após ter sido detectada a partida do motor de acionamento da chave pelo STPM01, a amostragem dos sinais de corrente é imediatamente iniciada pelo microcontrolador do
MS. Esta é realizada até que o motor seja desligado ou até o
máximo intervalo de amostragem (1 minuto) ser atingido. O
microcontrolador envia a forma de onda coletada para o MB
através do ZigBee®.
O firmware do MB coordena a leitura periódica dos MSs
via ZigBee® por meio de rede peer-to-peer.
O software para o servidor foi desenvolvido em linguagem C++. Possui duas funções principais: estabelecer a comunicação serial para a recepção de dados provenientes do
MSs e armazenar as formas de onda de corrente em um banco de dados relacional. Cada sinal amostrado corresponde a
uma operação de abertura e fechamento de uma CS. No
banco de dados relacional, o código de manutenção identifica a CS.
A partir da análise da forma de onda da corrente do motor, o Departamento de Manutenção de Sistemas da empresa
de energia elétrica poderá identificar se há a necessidade de
realizar operação de manutenção na CS.
Neste trabalho, o sistema gerenciador de banco de dados
objeto relacional (SGBDOR) utilizado foi o PostgreSQL®
por este ser de código aberto (Open Source), apresentar características similares a SGBDOR amplamente difundidos
no mercado (Oracle, Interbase, SQL Server, DB/2), possuir
drivers ODBC para interface com o ambiente de programação Borland C++ Builder e por permitir a transferência de
dados para o banco de dados da concessionária.
III. RESULTADOS
Para avaliar a proposta de automação de registro da forma
de onda da corrente de acionamento em uma das fases do
motor de CSs, foram construídos, inicialmente, 1 MS e 1
MB. Neste teste, a MB foi conectado a notebook.
Os testes do sistema foram realizados em CS (código de
manutenção CS7500489) situada na SE Eletrosul Palhoça. A
CS foi aberta e fechada, sendo amostradas as formas de onda de corrente do acionamento do motor. A Figura 3 mostra
o MS acoplado a uma das fases do motor de acionamento da
CS. A Figura 4 mostra a forma de onda da corrente amostrada para uma operação de abertura.
Figura 6 – Sinal amostrado de corrente armazenada no banco de dados. Os dados de chaves secionadoras são fictícios,
visando apenas ilustrar a estrutura do banco de dados.
IV. DISCUSSÃO
Figura 3 – MS conectado por meio de TC à fase do motor da CS.
4000
3000
A utilização do sistema proposto visa constituir uma base
de dados com as formas de onda de corrente do motor de
acionamento de cada modelo de CS e estabelecer padrões de
operação normal. Assim, a partir da análise destas formas de
onda de corrente, registradas durante as operações de abertura e fechamento, pode-se detectar e diagnosticar defeitos em
desenvolvimento na CS e realizar o procedimento de manutenção antes da quebra desta.
A abordagem investigada neste trabalho pode ser aplicada
a outros equipamentos eletromecânicos, a partir da incorporação de novas funcionalidades ao sistema. Por exemplo,
com alterações, o sistema poderia avaliar a qualidade da
energia entregue em função de características disponíveis no
componente STPM01.
2000
V. CONCLUSÃO
1000
]
A
m
[
et
n
er
r
o
C
0
-1000
-2000
-3000
-4000
-5000
0
2
4
6
Tempo [s]
8
10
Figura 4 – Registro da corrente de acionamento de motor
durante operação de abertura da CS7500489 (Subestação
Eletrosul Palhoça). O sinal de corrente encontra-se em vermelho; em azul, seu valor RMS.
A Figura 5 mostra a janela do software instalado em microcomputador para monitorar o MB exibindo uma recém
concluída operação de recepção e armazenamento do sinal
de corrente. As leituras dos MSs são diretamente armazenadas no banco de dados em campo do tipo BLOB (Binary
Large Objecty) (Figura 6).
O sistema desenvolvido compreende hardware e software
que realiza a aquisição remota da forma de onda da corrente
do motor de acionamento de CSs. As formas de onda amostradas são armazenadas em banco de dados, permitindo sua
posterior análise. Estas formas de onda serão investigadas
para que se avalie a possibilidade da deteção automática de
falhas de acionamento.
Desta forma, busca-se substituir o atual procedimento de
manutenção periódica das CSs pelo acompanhamento da
forma de onda de corrente do motor de acionamento para
que a mesma seja retirada do sistema, apenas quando da
identificação de falha em seu acionamento.
Este trabalho busca o desenvolvimento de tecnologia nacional na área de manutenção, visando a investigação de
técnicas para a identificação remota de falhas em CSs de alta
tensão.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] PROCEDIMENTO DE REDE ONS. Disponível em
http://www.ons.org.br/procedimentos/index.aspx
(11/06/2007). ACOMPANHAMENTO DA MANUTENÇÃO - submódulo 16.1 0 25/03/2002
[2] J. Cusido, J. Rosero, and E. Albadas, "New fault techniques for induction motors," Electrical Power Quality and
Utilisation, vol. 2, pp. 39-46, Fev. 2006.
Figura 5: Tela do software servidor desenvolvido.
[3] SOUZA, A. F. (2002). Sistema para Monitoração da
Operação de Chaves Seccionadoras de Alta Tensão
Baseado na Análise das Correntes do Motor de
Acionamento. Florianópolis. Dissertação de Mestrado em
Engenharia Elétrica – Sistemas de Energia Elétrica, UFSC.