Workshop sobre soluções de
Medição Fasorial Sincronizada
Florianópolis 27-28/01/2010
Experiências do
Projeto MedFasee
Prof. Ildemar C. Decker
LabPlan/UFSC
0
Tópicos Principais
Medição Sincronizada de Fasores
Desenvolvimentos do projeto MedFasee
MedFasee baixa tensão
MedFasee Eletrosul
MedFasee CTEEP
Análise de Ocorrências no SIN
Comentários Finais
1
Motivações
Demanda crescente pelo aprimoramento dos instrumentos de
monitoração e controle em tempo real dos SEEs:
Evolução tecnológica em diversas áreas:
Introdução da competição nos mercados de EE.
Restrições à expansão dos SEEs.
Requisitos crescentes de QEE.
Redução do risco de blecautes.
Sistemas de telecomunicações.
Informática.
Processamento de sinais.
Automação.
Ação de organismos reguladores:
Estabelecimento de responsabilidades e parâmetros de qualidade e
desempenho.
2
Aspectos Gerais
Medição simultânea de grandezas elétricas em
instalações distantes geograficamente.
Sincronização via satélite (GPS).
Aquisição e tratamento de dados em sítio remoto (PDC)
Taxa de aquisição >> SCADA.
Permite a monitoração e o controle da dinâmica de SEE.
Novo paradigma.
3
Definição de Fasor
O fasor é um número complexo associado a um sinal
senoidal em regime permanente.
O módulo do fasor é igual ao valor eficaz do sinal e o
ângulo de fase é a fase do sinal para t=0.
 x(t ) = X max cos(ω0t + φ )


X max


onde
=
X


2


⇔
X∠φ
Obtido, em geral, a partir do cálculo da Transformada
Discreta de Fourier (Discrete Fourier Transform – DFT),
após a conversão A/D (analógica/digital) das grandezas
4
tensão e corrente.
Sincrofasores
Fasores calculados em instalações geograficamente
distantes utilizando-se a mesma referência de tempo.
Há necessidade de uma referência temporal única – Sincronização!
5
Tarefa não-trivial: Envolve grandes distâncias e alta precisão temporal.
Sistema de Medição Sincronizada de Fasores
(SPMS)
SCADA
SPMS
(Supervisory Control and Data Acquisition)
Taxa de atualização entre 2 e 5
segundos
Taxa entre 10 e 60 atualizações por
Dados não sincronizados no tempo
Dados sincronizados no tempo
Links de comunicação tradicionais
(normalmente lentos)
Compatível com tecnologias
Permite visualizar o comportamento
estático dos SEEs.
Permite visualizar o comportamento
Variações de freqüência:
representam o desbalanço entre
geração e carga.
Variações angulares: representam
segundo
modernas de comunicação
dinâmico dos SEEs.
os fluxos de MW no sistema.
6
SCADA x SPMS
Ilustração
7
Como é visto o Sistema Elétrico?
Pelo SCADA
Pelo SPMS
8
Requisitos de Desempenho
Exatidão:
Aplicações em monitoração, controle e proteção requerem uma exatidão
em torno de 0,1 grau elétrico.
Fontes de erro:
Sinal de sincronismo – a precisão do sinal de sincronismo utilizado
em SPMS é em geral maior que 1 µs (0,021 grau elétrico).
PMUs – introduzem erro relativamente baixo em regime
permanente.
Confiabilidade:
Transformadores de instrumentos – podem representar a maior
parte dos erros dependendo do equipamento em específico.
Disponibilidade do sinal de sincronismo e dos canais de comunicação
Latência:
Tempo de atraso da informação nos equipamentos e na comunicação
Crítico para aplicações em tempo real
9
PMU
Baseado no conceito de TVE (Total Vector Error).
{X (n) − X  −X (n) − X  }
2
TVE =
r
r
Xr − Xi
2
i
i
xr(n) e xi(n) são as partes real e
imaginária do fasor medido.
xr e xi são as partes real e imaginária
do sinal de entrada.
10
Análise do TVE
Erro devido ao tempo.
11
TVE = 1% para erros de sincronização de 26 µs
Análise do TVE
Erro devido ao ângulo de fase.
TVE
TVE==1%
1%para
paraerros
errosde
defase
fasede
de±±
0,57º
0,57º
Erro devido ao módulo.
TVE
TVE==1%
1%para
paraerros
errosde
demódulo
módulode
de±±1%
1%
A norma IEEE C37.118-2005 especifica os requisitos de desempenho
12
sem indicar os procedimentos de verificação de conformidade.
Projeto MedFasee – Baixa tensão
Fase 1: CT-Energ/Finep/Reason – 2003 a 2006
Sistema de Medição Fasorial Sincronizada
com Aplicações em Sistemas de Energia Elétrica
Parceiros:
13
Objetivos Iniciais
Desenvolver um protótipo de Sistema de Medição
Fasorial Sincronizada para Sistemas de Energia
Elétrica, envolvendo atividades de pesquisa e
implementações relacionadas aos seguintes temas:
Unidades de Medição Fasorial (PMUs)
Sistema de aquisição e tratamento dos dados de
medições fasoriais (PDC)
Aplicações nas áreas de monitoração e controle
da operação do sistema em tempo real
14
Desenvolvimentos
Protótipo de SPMS (3 PMUs + PDC)
Aplicações de monitoração em tempo real e estudos
off-line
Monitoração e análise da freqüência nas 3 capitais do
sul do Brasil
Registro e análise de ocorrências no SIN
Metodologias para aplicações envolvendo:
Controle e estabilidade
Localização de faltas
Estimação de estados
15
Protótipo Desenvolvido
PMUs instaladas nas 3
capitais do sul do Brasil.
Medição das tensões trifásicas
da rede de distribuição.
Uso da Internet para conexão
entre PMUs e PDC:
Protocolo UDP/IP
60 sincrofasores/segundo
PDC instalado no
LabPlan/UFSC.
Histórico de dados de 7 dias.
16
Arquitetura do Protótipo Desenvolvido
17
Detalhes das Instalações do Protótipo
PMU UTFPR
18
PMU e PDC → LabPlan – UFSC
PMU PUC – RS
Detalhes das Instalações do Protótipo
PUC – RS
LabPlan – UFSC
UTFPR
19
Monitoração da Frequência Síncrona
(12/01/2005) 15h00min00s e 15h29min59s)
a) Evolução no tempo:
b) Espectro de frequência:
Frequência síncrona do sistema com modo de
oscilação permanente de ~ 0,02 Hz (período 50s).
20
Primeiros Registros de Perturbações no SIN
Perturbação no Sudeste / Centro-Oeste (14/03/2005 – 05h05min12s)
21
Projeto MedFasee – Baixa tensão
Fase 2: Edital MCT / CNPq / CT-Energ nº 028/2006
Sistema Nacional de Medição Fasorial Sincronizada
em Baixa Tensão para a Monitoração e Estudos do
Sistema Elétrico
Parceiros:
22
Características Gerais
Instrumento de desenvolvimento, difusão e uso
acadêmico da tecnologia.
Instalações em 9 universidades.
Cobertura das 5 regiões geográficas do país.
Utilização de internet e baixa tensão.
23
Fonte: www.medfasee.ufsc.br
24
PMU – Baixa tensão
UFSC – Florianópolis, SC
Data da instalação: 30/11/2008
25
PMU – Baixa tensão
USP – São Carlos, SP
Data da instalação: 11/12/2008
26
PDC – Baixa tensão
Hardware:
DELL OptiPlex 755
Core 2 Duo 3GHz, 2GB RAM,
250GB HD
Software:
Sistema operacional GNU/Linux
+ (RTAI)
Modelagem Orientada a Objeto
(C/C++)
Bando de dados MySQL
Banco de dados circular de 30
dias
Sistema de Comunicação:
Internet (VPN)
27
Exemplo
Data: 30/09/2009, Tempo: 14:32:32 GMT
28
VPN sobre a Internet
Análise de perdas de dados
Perda de Dados - Dia: 18/11/2009 (quarta-feira)
14
12
Observações:
Perdas (%)
10
8
6
Maior parte, perdas < 1%
Casos esporádicos > 2% →
Carregamento da Internet
UFPA
UNIFEI
UnB
COPPE
UFC
USP-SC
UTFPR
UFSC
PUCRS
4
2
0
22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Hora (local)
29
Projeto MedFasee Eletrosul
(Projeto de P&D, Ciclo 2004/2005, Código ANEEL: 0402-13/2005)
Implementação de um Protótipo de Sistema de Medição
Fasorial Sincronizada no Sistema de Transmissão da
Eletrosul
Parceria:
30
Desenvolvimentos
Objetivo:
Implementar um protótipo de Sistema de Medição Fasorial
Sincronizada no sistema de transmissão da Eletrosul.
Características:
Evolução natural do projeto MedFasee (UFSC/Reason Finep).
Protótipo com 4 PMUs e 1 PDC.
Desenvolvimento de um novo PDC.
Aplicações de análise off-line.
Avaliação do desempenho do protótipo e da operação do
SEE.
31
PMUS do Protótipo
Funcionalidades do Registrador RPV
Reason.
2 RPV 304 + 2 RPV 310.
Compatíveis com IEEE C37.118.
Envio contínuo de 60 fasores/segundo - 3Ф.
Link Ethernet e protocolo UDP/IP
Configurável para 10, 12, 15, 20, 30 e 60
RPV 304
fasores/s e seq. positiva
RPV 310
32
PDC do Protótipo
Características gerais:
Baseado em arquitetura PC
Sistema operacional GNU/Linux + (RTAI)
Desenvolvido sob Modelagem Orientada a
Objetos (C/C++)
Banco de dados MySQL
Hardware:
• Core 2 Duo 3GHz
• 2 GB RAM
• 250 GB HD
Funcionalidades:
Recebimento, tratamento e re-sincronização
de fasores
Disponibilização e armazenamento
centralizado de dados
Suporte a funções de monitoração e controle
de SEE em tempo real
Suporte a estudos off-line
Base de dados históricos circular de 15 dias
33
Arquitetura do Sistema
34
Sistemas de Telecomunicação
Rede de Gerenciamento Remoto (RGR):
Anel óptico com velocidade de 2 Mbps montado sobre o
Backbone da Eletrosul.
2 redes locais – sistema supervisório e proteção.
Rede segura, separada da rede corporativa através de
firewalls.
Backbone da Eletrosul
Sistema SDH/PDH (Hierarquia Digital Síncrona/Hierarquia
Digital Quase Síncrona) montado sobre cabos OPGW em
anel, com capacidade de 622 Mbps.
35
Aspectos da Instalação
Subestações (4) :
SE Ivaiporã (SE-IVA): RPV-304
SE Campos Novos (SE-CNO): RPV-310
SE Areia (SE-ARE): RPV-310
SE Nova Santa Rita (SE-NSR): RPV304
Circuitos monitorados (6):
LT 500kV Ivaiporã – Londrina C1
LT 500kV Ivaiporã – S.Santiago C1
LT 500kV Ivaiporã – Areia
LT 500kV Areia – C.Novos
LT 500kV C.Novos – Caxias
LT 500kV N.S.Rita – Gravatai
36
O processo de instalação
Etapas:
Análise das condições das
instalações locais
Elaboração de projeto técnico
Análise do sistema de
comunicação
Programação de desligamento
(ONS)
Adequação e configuração do
PDC
Instalação e comissionamento
Instalações na SE Ivaiporã
37
Requisitos de Telecomunicação e
Armazenamento
Requisitos principais:
Largura de banda, confiabilidade e disponibilidade.
PMUs
locations
Device
phasors
SE Ivaiporã 525kV
RPV 304
15
200 bytes
96 kbps
SE Areia 525kV
RPV 310
12
176 bytes
84,48 kbps
SE C.Novos 525kV
RPV 310
12
176 bytes
84,48 kbps
SE N.S.Rita 525kV
Eletrosul
Headquarters
RPV 304
6
128 bytes
61,44 kbps
PDC
45
Data frames Bandwidth
326,4 kbps
Frames no padrão IEEE
C37.118.
80 bytes fixos mais 8 bytes
por fasor por frame.
Taxa de envio: 60 fasores
por segundo.
Base de dados MySQL para o armazenamento
de dados históricos (PDC de laboratório).
Memória circular de 15 dias.
Armazenamento total de 57 GB.
38
Análise de desempenho
Análises principais realizadas:
Avaliação de perda de dados
Acompanhamento da operação do sistema de transmissão da
Eletrosul
Regime normal de operação
Ocorrências no SIN
Comparação de desempenho entre os SPMS Eletrosul e MedFreq
(baixa tensão)
Cálculo de parâmetros de LTs
Avaliação de desequilíbrios de tensão e de corrente
Cálculo de fluxo de potência ativa e reativa
Avaliação de modos de oscilação do SIN
39
Análise de Desempenho
Processo de aquisição de dados
Percentuais de perda de dados no sistema de
telecomunicações durante um dia típico
Perda de Dados - Dia: 06/02/2009
0.012
Ivaiporã
NSR
C.Novos
AREIA
0.01
0.008
Perdas (%)
0.006
0.004
0.002
0
22 23 0 1 2
3 4 5
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Hora (local)
Perdas < 0,01% na maior parte do tempo
Casos eventuais de perdas ~ 0,5%
40
Cálculo do Fluxo de Potência em LTs
SPMS x SCADA – LT 525 kV Ivaiporã-Areia
Potência Ativa IVAPORÃ -> AREIA
Potência Reativa IVAPORÃ -> AREIA
1020
-120
1000
-140
MVAR
-100
MW
1040
980
-160
-180
960
SPMS
SCADA
940
920
9h
SPMS
SCADA
10min
20min
30min
40min
Tempo Local - Dia 22/03/2008
50min
-200
10h
-220
9h
10min
20min
30min
40min
Tempo Local - Dia 22/03/2008
50min
10h
Comentários:
SCADA: 1 frame/min
Maior aderência para a potência ativa;
41
Nítido ganho de detalhamento com o SPMS
SPMS: 60 frames/min
(monitoração dinâmica).
Cálculo de parâmetros de LTs
LT 525 kV Areia – Campos Novos:
Resistência*:
Dif. Relativa Média:
21,9 %
42
*Seqüência positiva
Cálculo de parâmetros de LTs
LT 525 kV Areia – Campos Novos:
Reatância*:
Dif. Relativa Média:
2,3 %
Susceptância*:
Dif. Relativa Média:
1,1 %
*Seqüência positiva
43
Projeto MedFasee CTEEP
Implementação de um Protótipo de Sistema de Medição
Fasorial Sincronizada no Sistema de Transmissão da
CTEEP
Parceria:
44
O projeto CTEEP
Objetivos:
Desenvolver um sistema de monitoração e análise do desempenho
dinâmico do sistema elétrico, baseado em medidas fasorias
sincronizadas, e implementar na rede de transmissão da CTEEP
Características:
Desenvolvimento de um sistema de PDC Expansível (Master
+ Front-end)
Aplicações:
Monitoração
de aberturas angulares.
Monitoração e identificação de oscilações de baixa frequência.
Apoio à análises off-line.
Diagnóstico de falhas em Linhas de Transmissão.
45
Aspectos da arquitetura – Fase 1
46
Phasor Measurement Unit (PMU)
Funcionalidade do Registrador de
Perturbações Reason, modelo
RPV304
16 canais fasoriais
Configuráveis p/ tensão ou
corrente
Compatível com a IEEE Std. C37.118
Envio contínuo de até 60 fasores /
segundo - 3Ф
Link Ethernet e protocolo UDP/IP
Configurável para 10, 12, 15, 20, 30 e
60 fasores/s e seq. positiva
RPV304
RT420
47
Especificação das Instalações das PMUs
nas Subestações
Subestações:
Ilha Solteira, Bauru e Cabreúva.
Circuitos monitorados (5):
LT 440kV Ilha Solteira – Bauru C1.
LT 440kV Ilha Solteira – Bauru C2 (ambos os
terminais).
LT 440kV Bauru – Cabreúva C2 (ambos os terminais).
LT 440kV Cabreúva – Bom Jardim.
LT 440kV Cabreúva – Gerdau.
48
Instalações das PMUs nas Subestações
49
Arquitetura Inicial do SPMS CTEEP
Requisitos de Telecomunicação:
Localização do
Equipamento
Equipamento
Fasores
Frame de
Largura de
Enviados
Dados
Banda
SE Ilha Solteira
RPV-304
15
200 bytes
96 kbps
SE Araraquara / Bauru
RPV-304
15
200 bytes
96 kbps
SE Santo Ângelo / Cambreúva
RPV-304
15
200 bytes
96 kbps
Bom Jardim
PDC
45
Frames no padrão IEEE C37.118
80 bytes fixos + 8 bytes por sincrofasor por
frame
288 kbps
50
Taxa de envio: 60 frames por segundo
PDC Desenvolvido – Aspectos da Arquitetura
Recebimento descentralizado de fasores
Estrutura hierarquizada
PDC Mestre: Recebe fasores tanto de PMUs quanto
de PDCs escravos, armazenando dados históricos e
disponibilizando sincrofasores para aplicações em
tempo real em formato específico (IEEE C37.118)
PDC Escravo: Recebe fasores diretamente das
PMUs, ressincroniza os dados, empacota-os
novamente em um novo frame de dados no formato
IEEE C37.118 e envia ao PDC Mestre
51
PDC Desenvolvido – Aspectos da Arquitetura
52
PDC Desenvolvido
Bancada de
desenvolvimento
Microcomputadores DELL
PowerEdge R410
Conexão dos equipamentos
em uma rede local
segregada da rede lógica
principal do LabPlan/UFSC,
protegida através de firewall
Acesso remoto aos
equipamentos
53
PDC Desenvolvido – configuração de testes
usando o SPMS de BT
54
Agregação do OpenPDC como PDC Front End.
Análise de Ocorrências no SIN
Desligamentos no sistema de transmissão de 500kV e 765 kV
Ocorrência 1: 21/03/2009 – 12:21
Ocorrência 2: 22/07/2009 – 23:41
Queda de torres na LT Ivaiporã– Areia 525 kV
55
Ocorrência 1: 21/03/2009
(Desligamento
LT 500 kV Lajeado-Miracema)
Frequência : SPMS Eletrosul
56
Análise de Desempenho
Projeto MedFasee Eletrosul
Frequência : SPMS Eletrosul
57
Detalhe da Evolução da Freqüência
Análise de Desempenho
Projeto MedFasee Eletrosul
Fluxo de Potência Ativa na LT 525kV Ivaiporã-Areia
(terminal Ivaiporã)
Potência Ativa
Espectro de Freqüências
58
Análise de Desempenho
Projeto MedFasee Baixa Tensão
Registros do SPMS da Baixa Tensão
Evolução da Freqüência
Detalhe da Evolução da Freqüência59
Análise de Desempenho
Projeto MedFasee Baixa Tensão
Registros do SPMS da Baixa Tensão
Diferença Angular entre as Tensões Medidas
em Belém, PA (UFPA); e em Fortaleza, CE (UFC)
Espectro de Frequências da Diferença
60
Angular UFPA – UFC
Análise de Desempenho
Projeto MedFasee Baixa Tensão
Registros do SPMS da Baixa Tensão
Diferença Angular entre as Tensões Medidas em
Florianópolis, SC (UFSC); e em São Carlos, SP
(USP-SC)
Espectro de Freqüências da Diferença
Angular UFSC – USP-SC
61
Análise de Desempenho
Projeto MedFasee Eletrosul x Baixa Tensão
Comparativo entre os registros fasoriais da alta
e da baixa tensão
Espectro de Frequências da Potência
Ativa na LT IVA-ARE
62
Espectro de Frequências da Diferença
Angular UFSC – USP-SC
Ocorrência 2: 22/07/2009
(Desligamento dos circuitos C1, C2 e C3 da LT Itaberá–Ivaiporã 765kV)
Oscilações entre regiões:
Frequência do SIN - SPMS Eletrosul
Ivaiporã
C.Novos
N.S.Rita
60.2
60
Frequência (Hz)
59.8
59.6
59.4
59.2
59
58.8
58.6
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
Tempo(s) - Início: 23/07/2009 23:40:00 (local)
84
Espectro de Frequências da Frequência no SIN (Ocorrência)
UFC
UnB
USP-SC
PUC-RS
0.018
Magnitude da Frequência (Hz)
0.016
0,36Hz
Modo N-S:
0.014
0.012
Modo S-SE:
0,62Hz
Frequência:
0,36 Hz
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Frequência (Hz)
1.2
1.4
1.6
Frequência:
0,62 Hz
63
Queda de torres na LT Ivaiporã– Areia
525 kV, em 08/09/2009
Causa: ventos fortes ocorridos na região
64
Queda de torres na LT Ivaiporã– Areia
Registro fasorial das correntes no terminal de
Ivaiporã.
Corrente na LT IVAIPORÃ - AREIA
7000
Fase A
Fase B
Fase C
6000
Evento 3
Corrente (A)
5000
Evento 1 – Curto-circuito fase CTerra
Evento 2 – Religamento monopolar
4000
Evento 3 – Curto-circuito fases ACTerra
Evento 4 – Desligamento total da LT
Evento 1
3000
2000
Evento 2
Evento 4
1000
0
119
119.5
120
120.5
121
121.5
Tempo(s) - Início:08/09/2009 01:42:00 (local)
122
65
Queda de torres na LT Ivaiporã– Areia
Registro fasorial de correntes
CC Fase C- Terra
CC Fase AC- Terra
Corrente na LT IVAIPORÃ - AREIA
6000
Ciclo 3
Fase A
Fase B
Fase C
Ciclo 1
6000
Ciclo 2
5000
4000
3000
Fase A
Fase B
Fase C
5000
Corrente (A)
Corrente (A)
Corrente na LT IVAIPORÃ - AREIA
Ciclo 1
Ciclo 2
Ciclo 3
4000
3000
2000
2000
Ciclo Ref
Ciclo referência
1000
1000
0
0
119.52
119.54
119.56
119.58
119.6
119.62
119.64
Tempo(s) - Início:08/09/2009 01:42:00 (local)
Local da falta:
(km 93 a partir de Ivaiporã)
119.66
120.9
120.92
120.94
120.96
120.98
121
Tempo(s) - Início:08/09/2009 01:42:00 (local)
121.02
Local estimado por métodos de Loc. Faltas:
66
(km 82 a 86 a partir de Ivaiporã)
Desequilíbrio de Corrente
LT 525kV Ivaiporã – Areia
Desequilíbrios de corrente
Terminal Ivaiporã
Terminal Areia
800
700
fase A
fase B
fase C
700
500
[A]
[A]
600
500
400
400
300
300
200
200
00:00:00
06:00:00
12:00:00
18:00:00
Tempo GMT 00:00 (16/06/2008)
100
24:00:0000:00:00
06:00:00
12:00:00
18:00:00
Tempo GMT 00:00 (16/06/2008)
24:00:00
60
[A] (dif. abs.)
[A] (dif. abs.)
60
40
20
00:00:00
fase A
fase B
fase C
600
06:00:00
12:00:00
18:00:00
Tempo GMT 00:00 (16/06/2008)
40
20
24:00:00 00:00:00
67
06:00:00
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Tempo GMT 00:00 (16/06/2008)
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Comentários Finais
É elevada a demanda pelo desenvolvimento da tecnologia de
SPMS em todo o mundo.
A maioria das instalações em operação está restrita ao registro de
perturbações e monitoração em tempo real.
A integração de aplicações em tempo real (Estimação de Estados,
Controle e Proteção) ainda se encontra em estágio incipiente.
Verificou-se no projeto MedFasee que informações relevantes
sobre o desempenho dinâmico de sistemas elétricos de potência
podem ser obtidas a partir da monitoração em baixa tensão.
O projeto pioneiro do LabPlan/UFSC e Reason evoluiu para a
instalação de um sistema nacional de monitoramento com fins
acadêmicos e motivou o desenvolvimento de projetos em parceria
com empresas do setor.
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