TPICOS DE ENGENHARIA

A U T O M A O

CURSO : ENGENHARIA ELTRICA

PROF. DAVIDSON GERALDO FERREIRA

CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA

DE ENGENHARIA - APOSTILA

A U T O M A O D E S I S T E M A E L T R I C O

REVISO 1 Jan/2015

ENGENHARIA ELTRICA

PROF. DAVIDSON GERALDO FERREIRA

FEVEREIRO/2015

1

E L T R I C O

2

Sumrio 1 Informaes Gerais da Disciplina 1.1 Objetivos 1.2 Abordagem do curso. 2 Introduo 3 Descrio do Processo Sistema Eltrico 3.1 Introduo 3.2- Subsistemas 3.2.1 Gerao 3.2.2 Transmisso 3.3.3 Distribuio 3.3.4 Carga 3.3 Tenses dos Sistemas 3.4 Equipamentos do Sistema 3.5 Ocorrncias de Falhas 3.6 Sistemas de Proteo 3.7 Sistema Simplificado 4 Estados Operativos 4.1 Descrio dos estados operativos. 4.2 Transies entre os estados operativos 5 Noes Bsicas de Sistemas de Superviso e Controle 5.1 Introduo. 5.2 Sistemas de Superviso e Controle 5.2.1 Constituio 5.2.2 Configurao ou Topologia 5.2.2.1 Configurao stand-alone 5.2.2.2 Configurao multiponto. 5.2.2.3 Configurao radial ou ponto a ponto. 5.3 Funes Operacionais de um Sistema de Superviso e Controle 5.3.1 Funes Bsicas 5.3.2 Funes Complementares 5.3.2.1 Processamento e Indicao de Alarmes 5.3.2.2 Processamento,Visualizao e Registro de Eventos. 5.4 Supervisora de Telecontrole 5.4.1 Estrutura de Hardware 5.4.2 Estrutura de Software 5.4.2.1 Sistema Operacional 5.4.2.2 Software Bsico 5.4.2.3 Software Aplicativo 5.5.- Remota de Telecontrole 5.5.1 Estrutura de Hardware. 5.5.1.1 Mdulo de Entradas Digitais 5.5.1.2 Mdulo de Entradas Analgicas 5.5.1.3 Mdulo de Sadas Digitais. 5.5.1.4 Mdulo CPU(Central Processor Unit) 5.5.1.5 Mdulo de Alimentao(fonte) 5.5.1.6 Modem 5.6 Isolao e Proteo dos Mdulos de E/S 5.6.1 Entradas Analgicas 5.6.2 Entradas Digitais

3

5.6.3 Sadas Digitais 5.7 Software da Remota 5.8 Protocolo de Comunicao 6 Software Aplicativo 6.1 Configurador da Rede Eltrica. 6.2 Estimao de Estado. 6.3 Monitorao da Segurana 6.4 Anlise de Contingncias. 6.5 Previso de Carga de Curto Prazo 6.6. Controle de Emergncia 6.7 - Controle Restaurativo 6.8 Controle Automtico de Gerao 7- Controle de Carga Freqncia 7.1 Introduo 7.2 Regulao Primria 7.3 Regulao Secundria 7.3.1 Elementos Bsicos 7.3.2 Erro de Controle de rea. 7.3.3 Princpio Bsico de Controle. 8 Controle de Tenso 8.1 Introduo 8.2 Expresses dos Fluxos de Potncia Ativa e Reativa nos ramos do SEE. 8.3 - Relao entre Tenso e Potncia Reativa. 8.4 O Controle de Tenso 8.4.1 Variao de Excitao dos Geradores e Compensadores Sncronos. 8.4.2 Banco de Capacitores 8.4.2.1 Capacitores Srie 8.4.2.2 Capacitores Paralelos. 8.4.3 Reatores 8.4.4 Transformadores com mudana de tap. 8.4.5 Compensadores Estticos 8.5 Concluso. 9 Estimao de Estado 9.1 Introduo. 9.2 Dados Utilizados pelo Estimador de Estado. 9.3 Erro na estimao de estado 9.4 Caractersticas de um Sistema de Medio apropriado Estimao. 9.5- Aplicaes da estimao de estado. 9.6 Etapas Bsicas da Estimao Esttica. 9.7 Formulao do Modelo Matemtico. 10 Referncias Bibliogrficas.

4

1 - Informaes Gerais da disciplina 1.1 Objetivos Fornecer ao aluno conhecimentos sobre a automao de sistemas eltricos . Estudar os sistemas Superviso e Controle de sistemas eltricos com relao a sua estruturao , focalizando os softwares aplicativos voltados para a operao de sistemas eltricos. 1.2 Abordagem do Curso O curso pode ser dividido em trs partes. A primeira parte aborda conceitos bsicos da constituio, caractersticas e operao dos sistemas eltricos de potncia. Este bloco possibilitar ao aluno adquirir fundamentos para a especificao da automao do referido processo. Na segunda parte so estudados os diversos subsistemas que integram um Sistema de Superviso e Controle tais como : Aquisio de Dados, transmisso de Dados, Interface homem-mquina e Computacional para a operao de sistemas eltricos de potncia. Finalmente na terceira parte aborda-se o software aplicativo utilizado na automao de Sistemas Eltricos, envolvendo funes de Monitoramento e Controle da operao de sistemas eltricos. 2 Introduo As empresas de energia eltrica ,do Brasil e do exterior, passam por grandes transformaes em virtude principalmente das mudanas no modelo institucional do setor eltrico. Algumas destas mudanas, nesse modelo, e com grande impacto na gesto e na operao das empresas de Energia Eltrica, so a criao e regulamentao da ANEEL, as propostas relativas ao produtor independente e consumidor livre e a lei de concesses de prestao de servios pblicos. Esta alterao vem ensejar que as concessionrias de energia eltrica tenham um comportamento empresarial mais definido, pois a competio, a busca de menores custos operacionais, em contrapartida melhor qualidade no fornecimento de energia eltrica sero os fatores determinantes da excelncia e do sucesso das empresas. Neste contexto de mudanas significativas que a empresa tem se posicionar de forma ativa e determinada, otimizando seus recursos e integrando de forma bem estreita todas as sua reas e os seus diversos nveis gerenciais. Uma das ferramentas disponveis para a obteno desses resultados de forma eficiente e economicamente vivel a utilizao macia da automao nos diversos processos da empresa. A implantao em empresas de energia eltrica dos Sistemas de Automao, mais propriamente Sistemas de Telesuperviso e Telecontrole, objetiva atender s duas

5

necessidades bsicas de uma prestadora de servio, evidenciadas pelo aumento da competitividade que tem se acentuado nos tempos modernos:

- Fornecimento de energia dentro de requisitos pr-estabelecidos de qualidade e

confiabilidade. - Reduo de custos e otimizao de recursos. Dentro dessas premissas o processo de automao tem caminhado de forma progressiva no sentido de atingir as metas estabelecidas, passando pelas dificuldades inerentes a um processo de transformao da empresa e de mudana profunda dos mtodos e processos, inclusive do prprio processo de operao do sistema eltrico. 3 - DESCRIO DO PROCESSO SISTEMA ELTRICO 3.1 Introduo O sistema eltrico proporciona um meio de gerar, transmitir e distribuir energia sob a forma de corrente eltrica aos usurios finais, ou seja, carga. Gerao, Transmisso, Distribuio e Carga so os quatro elementos bsicos, ou subsistemas, de um sistema eltrico. 3.2 Subsistemas 3.2.1 Gerao A gerao apenas a converso de uma forma de energia em outra. A energia trmica armazenada nos combustveis, por exemplo, convertida em energia eltrica por meio de um gerador eltrico. Os trs tipos principais de gerao so : Fssil Combustveis fsseis, como carvo mineral, petrleo e gs so queimados para gerar eletricidade. Hidrulica Gera-se eletricidade pela passagem da gua atravs de uma turbina, a qual, por sua vez , aciona um gerador eltrico. Nuclear O calor produzido pela fisso de um combustvel nuclear, como o urnio, utilizado para gerar eletricidade. Basicamente, o gerador consiste em um componente rotativo, o rotor, e um componente estacionrio, o estator. Em todos os grandes geradores modernos, o enrolamento que gera potncia trifsica alternada fica localizado em torno do interior do estator. A gerao dessa potncia alternada requer a existncia de um campo magntico rotativo. Para isto, transmite-se ao enrolamento do rotor uma corrente contnua chamada corrente de excitao, sob tenso de cerca de 500 volts, que ir gerar o campo magntico.

6

As perdas associadas aos geradores eltricos constituem um srio problema de projeto, uma vez que podem criar grandes quantidades de calor. Em turbogeradores de grande porte e de alta velocidade, usa-se hidrognio como meio de arrefecimento.Contudo, mesmo com precaues desse tipo, o aquecimento continua a ser, nos geradores, o principal fator limitativo da produo de energia. As turmas de operao costumam receber curvas de capabilidade como da figura 3.2.1-1 ,a fim de manter a unidade operando dentro de limites de temperatura permitidos.

Figura 3.2.1-1 Curva de Capabilidade Na determinao das limitaes de potncia de um equipamento, necessrio levar em conta tanto a produo de potncia ativa quanto a potncia reativa. 3.2.2 Transmisso O sistema de transmisso consiste em um malha de linhas areas ou, em reas densamente povoadas, de cabos subterrneos. As linhas so projetadas para transmitir grandes quantidades de energia desde o ponto de gerao at a rea da carga. Em sua maior parte, a transmisso de energia eltrica feita por linhas areas em corrente alternada, usando-se corrente contnua somente para fins especiais. Os cabos subterrneos so geralmente utilizados em reas de grande densidade populacional ou sob a forma de linhas subaquticas de longa distncia. As linhas areas so quase sempre mais econmicas que os cabos subterrneos, uma vez que usam ar como isolamento, ao invs de leo e papel de custo elevado. Empregam-se linhas de transmisso areas em sistemas eltricos cujas tenses variam de 69 a 800 kV. Por que motivo a energia transmitida a nveis de tenso to elevados?

7

A resposta que a potncia ao longo de uma linha proporcional ao produto entre tenso e corrente. Ou seja, P V x I

Onde V a tenso aplicada linha e I a corrente que circula na linha. Portanto, para aumentar a potncia transmitida, preciso aumentar a tenso ou a corrente. Contudo, quando se aumenta a corrente, as perdas so muito maiores, j que as perdas de calor na linha so iguais ao produto do quadrado da corrente e da resistncia da linha. Consequentemente, o razovel operar linhas em nveis de tenso mais elevados, e no em nveis maiores de corrente. As tenses mais elevadas permitem, portanto, a transferncia de grandes quantidades de energia com um mnimo de perdas sob a forma de calor. No obstante, a transmisso em tenses mais elevadas impem certos custos, tais como maior espaamento entre cabos, maiores isoladores e torres maiores. Os quatro componentes bsicos de uma linha de transmisso area so : 1 Condutores 2 Cabos-guarda 3 Isoladores 4 Torres A figura 3.2.2-1 mostra uma estrutura de uma linha de transmisso

Figura 3.2.2-1 Os condutores eltricos so geralmente constitudos por fios mltiplos de alumnio em torno de uma alma de ao. Este tipo de condutor geralmente chamado cabo ACSR (sigla de aluminium conductor steel reinforced, ou condutor de alumnio reforado a ao). A nveis de tenso superiores, os condutores so enfeixados para constituir uma das fases da linha, o que feito principalmente para reduzir os efeitos do campo eltrico (ou efeitos corona), tais como na interferncia de rdio.

8

O cabo-guarda (ou de terra) no fornece corrente carga. So feitos de ao de alta resistncia ou de uma combinao de ao e alumnio, chamada Alumoweld, e sua funo proteger os condutores energizados (ou de fase) contra descargas atmosfricas. Os isoladores suspendem os condutores energizados, isolando-os da torre aterrada. Geralmente so feitos de porcelana ou vidro. As torres servem de apoio aos prprios condutores e so, naturalmente, a parte mais visvel de uma linha de transmisso. A corrente contnua, CC, no oscila a 50 ou 60 ciclos por segundo, e sim tem um valor constante; positivo ou negativo. Nesta modalidade de transmisso, as tenses e corrente trifsicas em 60 ciclos so convertidas em corrente contnua, transmitidas em uma linha bipolar ( ou bipolo) composta de dois condutores ou plos e , em seguida, reconvertida em corrente alternada no outro terminal. A transmisso em corrente contnua empregada para fins especiais, a saber : 1 Ligar dois sistemas que operam a freqncias diferentes; 2 Em transmisso subterrnea ou subaqutica de longa distncia; 3 Em transmisso area de longa distncia. As linhas em corrente contnua so s vezes chamadas de interligaes assncronas, uma vez que podem ser utilizadas para interligar dois sistemas em corrente alternada, um operando a 60 hertz e o outro, digamos, a 50 hertz. Alm disto, este tipo de conexo ajuda a manter a estabilidade entre os dois sistemas de corrente alternada em questo. Na maior parte das vezes, opta-se pela transmisso em corrente contnua por ser esta consideravelmente menos dispendiosa do que a transmisso em corrente alternada quando as distncias so muito longas, mais de 650 km para linhas areas e mais de cerca de 30 km para cabos subterrneos. Uma linha de transmisso mdia (80 km-240km) pode ser modelada utilizando a seo-pi apresentada na figura 3.2.2-2 . Figura 3.2.2-2

R L

C C

1 2

9

As linhas de transmisso curtas so representadas apenas considerando-se a resistncia e a indutncia. No caso de linhas mais extensas, vrias sees-pi podem ser ligadas em cascata para representar a linha. 3.2.3 Distribuio O sistema de distribuio consiste tambm de uma rede de alimentadores e cabos subterrneos atravs dos quais a energia distribuda aos usurios finais, ou seja, carga. Normalmente, essas linhas so mais curtas que as linhas de transmisso e transportam quantidades menores de energia. 3.2.4 Carga Este termo refere-se soma de todas as formas pelas quais determinada quantidade de energia eltrica utilizada em residncias (iluminao, alimentao de aparelhos eletro-eletrnicos), em indstrias (para o acionamento de motores e outros equipamentos), em escritrios. 3.3 Tenses dos Sistemas Na gerao de eletricidade, as tenses tpicas situam-se na faixa de 12 a 35 quilovolts ( kV ) . As linhas de transmisso e respectivos equipamentos operam numa faixa de tenso de 69 a 800 kV. Na distribuio, as tenses situam-se geralmente na faixa de 4 a 35 kV. As cargas operam em vrias tenses diferentes, dependendo da natureza de cada uma. Geralmente, as cargas residenciais operam em 127 e 240 volts. 3.4 Equipamentos dos Sistemas Alm dos geradores, das linhas de transmisso/distribuio, os equipamentos bsicos empregados nos terminais de um sistema eltrico incluem os itens abaixo : Transformadores so empregados para elevar ou abaixar as tenses entre os subsistemas de um sistema eltrico. A figura 3.4-1 mostra um transformador de potncia de 500/138 kV utilizado em subestaes de Extra Alta Tenso - EAT.

10

Figura 3.4-1 Disjuntores so empregados para interromper o fluxo de corrente isolando assim partes do sistema que apresentam falha. A figura 3.4-2 mostra disjuntores utilizados em sistemas de transmisso.

Figura 3.4-2 Reatores em Paralelo, Capacitores em paralelo e Capacitores em Srie so empregados para fins de compensao, isto , para corrigir quedas ou elevaes de tenso no sistema ou para aumentar o fluxo de potncia de um sistema. A figura 3.4-3 mostra um banco de capacitores utilizado para controle de tenso .

11

Figura 3.4-3 Pra-Raios so empregados para proteger grandes equipamentos contra tenses excessivas que possam danific-los. Rels de Proteo so empregados para desligar disjuntores de modo a isolar somente as partes do sistema que apresentem falhas. Barramentos so condutores reforados, geralmente slidos, que servem como centros comuns de coleta e redistribuio de corrente. Subestaes so pontos de juno de vrias linhas de transmisso ou distribuio e contm a maioria dos equipamentos mencionados acima. A figura 3.4-4 apresenta uma foto area da subestao de Neves da CEMIG localizada na regio metropolitana de Belo Horizonte. Figura 3.4-4

12

3.5 Ocorrncia de Falhas Uma falta num circuito qualquer falha que interfere com o fluxo normal de corrente. A maioria das faltas em linhas de transmisso, principalmente em elevadas tenses, causada por descargas atmosfricas, que resultam no centelhamento dos isoladores. A alta tenso existente entre um condutor da linha e a torre (que aterrada) causa a ionizao, provocando um caminho para a terra, para a carga induzida pela descarga atmosfrica. Uma vez estabelecido o caminho ionizado para a terra, a baixa impedncia desse caminho faz com que a corrente circule da linha para a terra e atravs da terra para o neutro aterrado de um transformador ou gerador, completando assim o circuito Faltas entre duas fases no envolvendo terra so menos comuns. A abertura dos disjuntores, para isolar a poro da linha em falta do resto do sistema interrompe a circulao de corrente no caminho ionizado e permite que ocorra a desionizao. Aps um intervalo de cerca de 20 ciclos para a desionizao, os disjuntores geralmente podem ser religados sem que se estabelea o arco novamente. A experincia na operao de linhas de transmisso mostra que os disjuntores com velocidade ultra-rpida de religamento conseguem religar-se com muito sucesso aps muita faltas. Aqueles casos que o religamento no ocorre com sucesso, um nmero aprecivel causado por faltas permanentes onde ele seria impossvel, independente do intervalo de tempo entre a abertura e o religamento. As faltas permanentes so causadas por linhas cadas ao solo, por ruptura de uma cadeia de isoladores, devido a vandalismos , por danos permanentes em torres e por falhas de pra-raios. A experincia tem mostrado que entre 70 e 80% das faltas em linhas de transmisso so faltas entre uma fase e terra, as quais ocorrem devido ao centelhamento de uma fase da linha para a torre e da para a terra. O menor nmero de faltas, cerca de 5%, envolve todas as trs fases, o que chamado de faltas trifsicas. Outros tipos de faltas em linhas de transmisso so as faltas entre duas fases, as quais no envolvem a terra, e as faltas entre duas fases e terra. Todas as faltas acima, exceto a falta trifsica, so assimtricas e causam um desequilbrio entre as fases. 3.6 Sistema de Proteo As faltas podem ser muito prejudiciais a um sistema de potncia. Muitos estudos, desenvolvimento de dispositivos e projetos de esquemas de proteo tm resultado em contnuo aperfeioamento na preveno de danos em linhas de transmisso e equipamentos, como tambm de interrupes na gerao aps a ocorrncia de uma falta. A funo do sistema de proteo provocar a remoo imediata de qualquer elemento de um sistema de potncia quando este sofrer um curto-circuito ou quando comear a operar de forma anormal, que possa causar danos ou interferir na operao normal do restante do sistema. Os rels de proteo so auxiliados nesta tarefa pelos disjuntores que so capazes de desconectar ao elemento em falta quando acionado pelos rels. Os disjuntores so geralmente alocados de modo que cada gerador, linha de transmisso, transformador, barramento, etc, possam ser completamente desconectados do resto do sistema.

13

Estes disjuntores precisam ter capacidade suficiente de modo a suportar momentaneamente a mxima corrente de curto-circuito que pode fluir por ele e ento interromp-la. A figura 3.6-1 mostra um diagrama unifilar com os elementos integrantes de um sistema de proteo. Figura 3.6-1 3.7 Sistema Simplificado A figura 3.7.1 representa o diagrama de um sistema eltrico. Os smbolos correspondentes aos principais componentes do sistema so indicados no diagrama unifilar que representa um sistema trifsico. Na prtica, todo sistema eltrico inclui vrias usinas geradoras, muitos centros de demanda de carga e, provavelmente, vrias interligaes com outros sistemas eltricos. Uma vez que a corrente eltrica no pode ser armazenada, a quantidade de potncia gerada deve sempre ser igual demanda dos consumidores mais quaisquer perdas que ocorram no sistema.

Figura 3.7-1

G e r a o T r a n s m i s s o D i s t r i b u i o

C a r g a

G e r a o = D e m a n d a + P e r d a s

S i s t e m a I s o l a d o

S is t e m a I n t e r l i g a d o

G e r a o + I n t e r c m b io = D e m a n d a + P e r d a s

D

R R

D D D

14

4 - Estados Operativos 4.1 Descrio dos Estados Operativos Um sistema de energia eltrica(SEE), operando em regime permanente, est sujeito a dois tipos de restries : restries de carga g(x ) = 0 restries de Operao 0)( xh

Onde g e h so funes vetoriais das variveis de estado x .Tenso e ngulo nas barras do sistema eltrico As restries de carga representam as injees de potncia ativa e reativa especificadas nas barras de carga, bem como as injees de potncia ativa nas barras de gerao. Violar esta restrio deixar de atender carga especificada para uma determinada barra. Entre as restries de operao esto os limites impostos s magnitudes das tenses nodais, aos fluxos de potncia aparente nas linhas de transmisso e transformadores, e as injees de potncia nas barras de gerao. Ou seja, as tenses dos barramentos devem estar dentro de faixas previamente estabelecidas, e os equipamentos de transmisso e transformao com um carregamento inferior a 100 % do nominal.

Ao conjunto de restries (1) pode-se acrescentar as chamadas restries de segurana, cuja definio est associada a um conjunto pr-estabelecido de contingncias( sada programada ou no de um determinado equipamento do sistema eltrico) possveis de linhas, transformadores, geradores e capacitores/reatores shunt. O novo conjunto de restries passa a ser : Restries de Carga g(x ) = 0 Restries de Operao 0)( xh

Restries de Segurana s (x)=0 onde s uma funo vetorial que consiste de todas as restries de carga e de operao para cada uma das contingncias listadas. Isto significa que a ocorrncia de uma contingncia no pode implicar em restrio de atendimento de carga ou violao de faixas de tenso estabelecidas ou violao de carregamento em qualquer equipamento. Os limites de operao do sistema e de equipamentos, referidos anteriormente, em muitos casos no so rgidos, no sentido que podem ser violados por algum tempo. Em situaes de emergncia eles so, em geral, mais abertos. Assim, a capacidade trmica de uma linha de transmisso ou o carregamento mximo de um transformador so diferentes quando se consideram as sobrecargas possveis para, por exemplo, trs minutos ou uma hora.

praticamente invivel que a lista de contingncias na qual se baseiam as restries de segurana inclua todas as contingncias possveis. Esta lista geralmente inclui as contingncias simples e um nmero limitado de contingncias mltiplas. No existem

1

15

critrios bem estabelecidos para a elaborao dessas listas, podendo-se levar em conta, por exemplo, a experincia prvia do sistema e as probabilidades de ocorrncia de falhas.

Baseando-se nas definies das restries de carga, de operao e de segurana, apresentadas na parte terica, podem ser definidos quatro estados de operao do sistema: seguro, alerta, emergncia e restaurativo. No estado seguro so obedecidas todas as restries: carga, operao e segurana. Isto significa que o sistema est intacto, com suprimento total da demanda e nenhuma violao de limites de operao. O sistema opera normalmente em regime normal e em situao de contingncia. Ou seja, em regime normal e contingncia no temos violao de restries de tenso ou carregamento.

Para o estado alerta, ou normal -inseguro, so obedecidas apenas as restries de carga e operao, porm nem todas as restries de segurana so obedecidas. A no observncia das restries de segurana significa que a ocorrncia de pelo menos de uma das contingncias listadas como possveis poder levar o sistema a uma situao de emergncia. Ou seja, em regime normal no temos violao de restries de tenso ou carregamento, mas em contingncia temos violao de restries de tenso ou carregamento.

A observncia das restries de segurana, no violao de faixas de tenso ou carregamento, quer dizer que nenhuma das contingncias listadas como possveis, se de fato ocorrer, levar o sistema ao estado de emergncia. A ocorrncia, no entanto, de uma contingncia considerada impossvel(no listada) poder provocar uma emergncia.

O que caracteriza o estado de emergncia a violao das restries de operao, definida anteriormente como violao de faixa de tenso ou carregamento. A emergncia pode ser provocada por uma contingncia e conseqente desligamento de um ou mais componentes do sistema (linhas, geradores, transformadores, etc.).Com exceo dos equipamentos que provocaram a emergncia, o sistema est intacto. A eliminao da emergncia pode ser feita com a passagem do sistema para o estado alerta ou, ento, pelo desligamento de partes do sistema (cargas, por exemplo), o que leva o sistema para o estado restaurativo. O estado restaurativo atingido quando uma emergncia eliminada por desligamento manual ou automtico de partes do sistema, efetuado pelo centro de controle ou por dispositivos locais(sistema de proteo, por exemplo). As restries operacionais so obedecidas, mas o sistema no est intacto(cargas no atendidas, ilhamentos, etc).Na opo de se passar do estado de emergncia para o estado restaurativo, sacrifica-se a integridade do sistema(inclusive com o desligamento de cargas) em benefcio da observncia das restries de operao. As transies entre os quatro estados definidos anteriormente podem ocorrer em conseqncia de perturbaes no sistema(transies ditas involuntrias) como devido a aes de controle(transies voluntrias), algumas das quais constituem funes especficas dos centros de superviso e controle. A figura 4.1-1 apresenta um diagrama relacionando as possveis transies de estado .

16

NormalSeguro

NormalInseguro

EstadoRestaurativo

EstadoEmergncia

Controle Preventivo

Controle de Emergncia

Crise

Controle Restaurativo

Controle de Emergncia Corretivo

Estado Normal

Transio devido a um distrbio (Involuntria)

Transio devido a umaao de controle

TRANSIES ENTRE ESTADOS OPERATIVOS

Figura 4.1-1 Nota Importante :Normal-Inseguro = alerta 4. 2 -Transies entre os Estados Operativos As transies entre os quatro estados definidos anteriormente, podem ocorrer tanto em conseqncia de perturbaes no sistema (transies ditas involuntrias), como devido a aes de controle (transies voluntrias), algumas das quais constituem funes especficas dos centros de monitorao e controle. No estgio atual de desenvolvimento, estas aes de controle so comandadas pelo operador que pode dispor de programas computacionais na determinao das melhores estratgias de controle a serem seguidas em cada situao particular ( uma emergncia, por exemplo). As vrias transies de estado esto descritas abaixo: Seguro-Alerta (Normal-Inseguro) Uma contingncia, ou mesmo a evoluo normal da demanda, podem levar o sistema de estado seguro para o estado alerta, no qual uma ou mais das restries de segurana deixam de ser obedecidas. Alerta (Normal-Inseguro) Seguro Esta transio feita atravs da execuo da funo Controle de Segurana (Modo Corretivo) e realizada pelo Centro de Controle. Consiste em se determinar uma soluo vivel para o conjunto de restries (carga, operao e segurana), a partir de uma situao na qual apenas as restries (carga e operao) so obedecidas.

17

Alerta (Normal-Inseguro) Emergncia Se o sistema estiver no estado de Alerta e ocorrer uma das contingncias responsveis por este estado, ento o sistema passar para o estado de emergncia. Dito de outra forma, o sistema estar em alerta (normal-inseguro) quando para uma ou mais contingncias consideradas possveis (previamente listadas) so previstas violao de limites. O estado de emergncia atingido quando uma dessas contingncias de fato ocorre antes de se adotarem medidas de controle para colocar o sistema no estado seguro (transio Alerta Seguro). Emergncia Alerta (Normal-Inseguro) O sistema pode sair do estado de emergncia pela atuao do Controle de Emergncia , nos modos corretivos ou de crise. A transio Emergncia Alerta realizada no Modo Corretivo . Neste caso uma violao de limite pode ser eliminada por aes de controle envolvendo, por exemplo, remanejamento de gerao, variao das tenses controladas ou de taps de transformadores, chaveamento de banco de capacitores/indutores, etc. Neste modo de atuao do Controle de Emergncia, ao contrrio do que ocorre no Modo de Crise, no so sacrificados o atendimento da demanda ou integridade do sistema. Matematicamente esta transio corresponde determinao de uma soluo vivel para o conjunto das restries de carga e operao, minimizando-se, por exemplo, o desvio nas variveis de controle. As polticas de Controle de Emergncia (Modo Corretivo) podem ser pr-estabelecidas, determinadas com a ajuda de programas computacionais durante a emergncia ou confiadas ao operador (nos casos mais simples). Emergncia Restaurativo Nem sempre possvel a transio do estado de emergncia para o estado de alerta. Em algumas situaes, dispositivos locais de proteo e controle atuam antes que qualquer medida seja tomada pelo Centro de Controle, colocando o sistema no estado restaurativo atravs de desligamentos de cargas/circuitos. Em outros casos, os desligamentos de cargas e circuitos so efetuados pelo prprio Centro de Controle atravs da funo Controle de Emergncia no modo Modo de Crise . Esta opo pode ser tomada quando no for possvel fazer os limites de operao serem obedecidos por meios mais brandos como, por exemplo, remanejamento da gerao ou controle de tenso. RestaurativoAlerta A funo do Controle Restaurativo religar as cargas e circuitos do sistema, desligados durante uma emergncia tentando colocar o sistema de volta para o seguro ou, pelo menos, no estado alerta (normal-inseguro). A implementao de software aplicativo que possa orientar ou tomar decises automticas de grande relevncia para diminuio dos tempos de interrupo de energia eltrica. 5 - Noes Bsicas de Sistemas de Superviso e Controle 5. 1 - Introduo Um sistema de superviso e controle eletrnico pode utilizar tecnologia analgica (utilizando transistores, amplificadores discretos ou integrados, amplificadores

18

operacionais, etc.), ou tecnologia digital. Os sistemas que utilizam tecnologia digital atualmente utilizam microprocessadores digitais.

Os Sistemas de Superviso e Controle empregados no sistema eltrico so tambm chamados de telecontrole, porque a ao de controle e superviso realizada distncia.

Um sistema de telesuperviso e telecontrole, que, para simplificar denominaremos doravante Telecontrole, depende, ento, de um sistema de telecomunicao que pode ser um sistema utilizando VHF, UHF ou SHF. Pode utilizar tambm linha fsica ou cabo ptico. Pode ser privativo ou passar por uma central de telefonia (linha comutada). Pode ainda utilizar o sistema carrier ou comunicao via satlite. O canal de comunicao pode ainda ser dedicado ou compartilhado, ou seja, num mesmo canal podem trafegar informaes de controle (dados) e informao de voz ou tons de teleproteo, por exemplo.

Conforme ilustrado pela figura 5.1-1 podemos verificar que um processo de superviso e

controle distncia depende de quatro estruturas bsicas distintas, a saber:

1. Centro de Superviso e Controle, tambm denominado Centro de Controle, Estao

Master, Supervisora de Telecontrole, ou, simplesmente, Supervisora. 2. Unidade de Aquisio de Dados e Comando ou unidade de interface com o processo,

tambm chamada Unidade Terminal Remota (UTR ou RTU = Remote Terminal Unit) ou simplesmente Remota.

3. Sistema de Telecomunicaes ou canal de comunicao de dados. 4. Sistema de alimentao ininterruptiva. A UTR a responsvel pela aquisio de dados e pela execuo da atuao no processo eltrico.

A Supervisora de Telecontrole colhe os dados das Remotas, processa esses dados, apresenta-os de forma inteligvel para o operador (atravs de sinticos, tabelas, sinais sonoros, etc.), emite relatrios e faz o armazenamento de dados histricos.

Numa ao de controle o comando efetuado pelo operador em uma tela da Supervisora que transmite esse comando Unidade Remota, que realiza o comando atuando no processo eltrico.

O sistema de telecomunicao, responsvel pelo trfego de dados, permite a troca de informaes entre a Supervisora e a Remota.

Para possibilitar a utilizao de um canal de comunicao distncia necessrio um equipamento, denominado Modem, para transformar os dados gerados pelos equipamentos de telecontrole (dados digitais na forma de bytes ou palavra de dados) em sinais analgicos transmissveis para um canal de comunicao (MODulador) e, no sentido inverso, transformar os sinais analgicos recebidos atravs do canal de comunicao em dados inteligveis pelo equipamento de telecontrole (DEModulador).

19

Figura 5.1-1

Um sistema de alimentao que garanta o suprimento de energia limpa (sem rudos, harmnicos e variaes) e permanente (sem interrupes) para o Sistema de Superviso e Controle de vital importncia para o correto funcionamento e baixo ndice de falhas, uma vez que a operao do sistema eltrico se ressentir da falta de superviso com maior intensidade exatamente nos momentos de que distrbios eltricos estiverem ocorrendo, alm do que poderamos dizer que, embora cada vez em menor grau, equipamentos eletrnicos, principalmente microprocessados, so afetados pelos distrbios eltricos.

SISTEMA DE ALIMENTAO

(UPS = Uninterruptible Power Suply)

CENTRO DE SUPERVISO E CONTROLE

(MASTER ou SUPERVISORA)

MEIO DE COMUNICAO Linha fsica (cabo eltrico)

VHF / UHF SHF (microondas) OPLAT (carrier)

Fibra tica Via Satlite

MODEM

MODEM

UNIDADE DE AQUISIO DE DADOS E COMANDOS RTU = Remote Terminal Unit

PROCESSO ELTRICO

Disjuntores

Transformadores Chaves

Religadores Protees

RELS AUXIL.

TRANS- DUTORES

BANCO DE BATERIAS DE TELECOMUNICAES

BANCO DE BATERIAS SUBESTAO e RTU

20

Uma vez que a UTR est instalada junto ao processo eltrico sua alimentao proveniente, normalmente, do mesmo sistema de alimentao do sistema de potncia. utilizada a alimentao contnua em funo da continuidade garantida pelo banco de baterias da subestao. Quanto ao Centro de Controle torna-se necessrio a utilizao de um sistema de fornecimento de energia prprio denominado UPS (Uninterruptible Power Suply = suprimento de energia ininterruptvel) ou No-break.

5.2 Sistema de Superviso e Controle 5.2.1 Constituio As UTR`s constituem-se de hardware dedicado funo de aquisio de dados e comandos, embora possuam, atualmente, microprocessadores realizando tarefas especficas como aquisio de dados, comunicao, etc. Essas remotas microprocessadas so, via de regra, inteligentes, pois processam os dados que recebem e podem, se programadas para isso, realizar combinaes lgicas e aes de controle sem interveno do operador.

Essas unidades tm um gabinete prprio e atendem a requisitos de isolao eltrica e imunidade a interferncias eletromagnticas necessrios ao controle de processo em ambientes do sistema eltrico de potncia. A Estao Supervisora pode ser constituda de um hardware dedicado, com um gabinete prprio, ou, como usual, atualmente, um microcomputador, industrial ou no, utilizando a mesma tecnologia dos micros comerciais, equipados com os recursos necessrios aplicao (placa multi-serial, placa de rede, placa de vdeo dual, etc), incluindo, eventualmente alguma placa especfica a controle de processos (para sincronismo, alarmes, etc.). A figura 5.2.1-1 apresenta uma viso geral de um Sistema de Superviso e Controle (SSC).

SUBESTAAO

MODEM MODEM

SUPERVISORA REMOTA

CANAL DE COMUNICAO

Figura 5.2.1-1

21

O que caracteriza a Estao Supervisora , fundamentalmente o software que processado na mesma. O hardware visa atender aos requisitos de confiabilidade e desempenho proporcionveis pelo software. Mais adiante daremos algumas conceituaes bsicas para entendimento e caracterizao da Supervisora. 5.2.2 - Configurao ou topologia 5.2.2.1 -Configurao stand-alone Essa foi uma configurao adotada nos primeiros telecontroles que tinham por objetivo a operao de uma subestao pela equipe de operao de outra subestao. So os chamados telecontroles locais , com uma supervisora para cada remota, conforme ilustrado na figura 5.2.2.1-1 . CANAL DE

COMUNICAO Figura 5.2.2.1-1 5.2.2.2 - Configurao multiponto

Nessa configurao uma Supervisora se comunica com vrias Remotas, utilizando uma mesma porta de comunicao. Abaixo temos uma figura ilustrativa dessa configurao. Essa configurao adequada quando o custo do canal de comunicao at a supervisora elevado, mas a confiabilidade tambm elevada.

MODEM MODEM

22

Figura 5.2.2.2-1 5.2.2.3 -Configurao radial ou ponto a ponto

Nessa configurao a Supervisora comunica com vrias Remotas utilizando diferentes portas de comunicao. Nessa configurao necessrio um canal de comunicao para cada Remota, isso implica em um custo mais elevado, mas a perda de um canal tem conseqncias menos desastrosa para a operao do sistema. Figura 5.2.2.3-1

MODEM

SUPERVISORA

REMOTA 1 REMOTA 2 REMOTA n

MODEMMODEM MODEM

M M

M

M M

M REMOTA

REMOTA

REMOTA

23

5.3 Funes Operacionais de um Sistema de Superviso e Controle. 5.3.1 - Funes bsicas O Sistema de Superviso e Controle assim denominado em funo dos seus atributos bsicos que exatamente a capacidade de realizar a superviso (monitoramento on-line de um determinado processo, no nosso caso o sistema eltrico ou parte do sistema eltrico, identificando os estados dos equipamentos e os valores das grandezas ou variveis concernentes a esse processo) e o controle (atuao no processo de forma a alterar os valores das variveis ou estado dos equipamentos monitorando-se a reao do processo aos comandos efetuados).

Um sistema de superviso e controle tem, basicamente, as seguintes funes: 1. Indicao/alarme/evento: informao digital que identifica a atuao ou o estado de

um equipamento (disjuntor, chave, rel, etc.). 2. Medio: informao analgica (ou, excepcionalmente, uma palavra digital

representando um certo dado ou valor analgico) representando grandezas do sistema eltrico (tenso, corrente, potncia, etc.).

3. Comando: abertura ou fechamento de contato possibilitando a atuao (fechamento, abertura, bloqueio, etc.) de equipamentos do sistema eltrico.

Indicao de estado A indicao de estado tem dois valores (aberto, fechado), conforme apresentado na figura 5.3.1-1, que podemos representar pelos nveis lgicos 1 e 0

CHAVE ABERTA CHAVE FECHADA NVEL LGICO = 1 NVEL LGICO = 0

Figura 5.3.1-1 Essa mesma filosofia utilizada para indicar outros estados: ligado, desligado, bloqueado, desbloqueado, local, remoto, normal, operado, etc. A indicao de estado fornecida ao equipamento de aquisio de dados atravs de uma posio de chave, de um contato auxiliar do equipamento de potncia ou de um contato de um rel auxiliar do sistema eltrico. Internamente a UTR a informao de estado codificado em nveis lgicos ( 1 ou 0) associado varivel que representa o equipamento do sistema eltrico dentro da mesma. As mudanas de estado podem ser interpretadas pela UTR, ou apenas pelo Centro de Controle, como alarme ou como evento, conforme veremos a seguir.

24

ALARME Informao que tem por objetivo sinalizar a ocorrncia de uma anomalia no sistema eltrico. As informaes de alarme so normalmente fornecidas por contatos de rels de proteo ou sensores. Tambm so representadas internamente por nveis lgicos 1 e 0, associados s variveis que representam os alarmes. O nvel lgico representa a situao do ponto (normal ou alarme).

Alarmes podem ser gerados tambm a partir de variveis analgicas. A comparao dos valores recebidos de campo com valores pr-definidos geram os alarmes correspondentes, geralmente definidos com duas ou quatro condies de alarme (baixo, muito baixo, alto, muito alto).

EVENTO (SOE)

Informao que tem por objetivo registrar o momento exato em que houve uma alterao no sistema eltrico (normalmente o evento est associado atuao de uma proteo, abertura/fechamento de um disjuntor, etc.).

tambm uma informao digital (mudana de estado) qual associado o tempo em que ela ocorreu.

Um conjunto de informaes de evento, normalmente cronologicamente ordenado, chamado de seqncia de eventos, por isso as entradas digitais de pontos que so considerados eventos so chamadas de entradas tipo SOE (sequency-off-event).

Para maior exatido a marcao de tempo deve ser feita na UTR. A marcao de tempo da UTR sempre relativa. A marcao de tempo absoluto, no formato DIA/MES/ANO - HORA/SEGUNDOS/MILISSEGUNDOS, feita pelo Centro de Controle. (supervisora). MEDIO As medies so fornecidas ao equipamento de aquisio de dados (UTR) pelos transdutores. Os transdutores colhem as informaes de TPs e TCs e fornecem Remota informaes na forma de tenso ou corrente (0 a 1V, 0 a 10 V, 0 a 1 mA, 0 a 20 mA, 4 a 20 mA, etc.) proporcionais ao valor da grandeza medida (tenso na barra, corrente/potncia na linha, tenso/potncia nos transformadores , etc.).

A informao analgica recebida digitalizada pela Remota, transformando-se em um valor binrio. Quanto maior o nmero de bits utilizados para representar a grandeza maior a preciso que o sistema pode apresentar.

O circuito responsvel pela converso da informao analgica (internamente representada por uma tenso) em informao digital (internamente representada por uma varivel analgica de oito a doze bits) denomina-se conversor A/D (Conversor Analgico Digital). Na situao representada na figura 5.3.1.1-2, a converso analgica para digital foi parametrizada de forma que um valor de 1 mA corresponderia ao valor 2000 decimal.

25

Para o valor da tenso medida, nesse exemplo, a sada do conversor o valor binrio 11001000000, que corresponde, em decimal, ao valor 1600. . . D10 11001000000 . Figura 5.3.1-2

Nesse exemplo podemos analisar a resoluo e a preciso mnima que o sistema pode apresentar. A variao mnima do conversor A/D (resoluo) , logicamente, de um bit, que corresponde a uma variao do valor medido de 18 KV / 2000 = 9 VRms. Essa uma resoluo bastante satisfatria. O erro do conversor no passa muito de um bit, portanto a preciso e a exatido do sistema dependem muito mais do TP e do transdutor.

Outro parmetro importante da medio analgica a banda morta, que define uma variao mnima para que o sistema reconhea como variao efetiva, evitando assim o excesso de trfego de informaes e a constante alterao do valor exibido em funes de variaes desprezveis geradas pela variao normal da grandeza ou por rudo interno ou externo UTR. aconselhvel que a banda morta seja definida e reconhecida na UTR. Valores usuais de banda morta so de 3% para medio de corrente, potncia e temperatura e 1% para monitorao de tenso. COMANDO Numa ao de comando a atuao do operador no hardware da supervisora (acionamento do boto esquerdo do mouse em uma rea sensvel da tela, ou outro procedimento estabelecido), provoca a alterao de valor de uma varivel correspondente ao equipamento selecionado.

Nem sempre a varivel e seu valor representam o equipamento e seu estado atual ou estado para o qual dever ser comutado (isso s verdade no caso de indicao de estado, conforme vimos acima). Normalmente se usa, para comutar o estado de um equipamento principal, o acionamento de um rel para abertura e outro rel para fechamento. Existe, nesse caso, uma varivel que representa o comando de abertura e uma varivel para o comando de fechamento. Para abrir determinado equipamento foramos a varivel que representa o comando de abertura a alterar o seu valor (normalmente, de 0 para 1). A Supervisora responsvel por enviar essa informao para a UTR onde, atravs de toda uma lgica que visa coibir atuaes indevidas, feito o acionamento da sada correspondente, o que causar a energizao do rel auxiliar correspondente, que, por sua vez, atuar no equipamento desejado.

TP 13,8 KV / 115 V

Transdutor

0 150 vrms 0 1 mA

Conversor Analgico Digital (11 bits)

26

O comando pode ter variaes quanto ao tipo de sada:

- Temporizado: a sada mantida em 1 por um tempo pr-definido ou programado. - Biestvel: para cada sada existe uma sada complementar, se uma vai a 1 a outra

vai a 0 e vice-versa. - Contato seco: fornecido apenas um contato para o circuito externo sem nenhuma

fonte de tenso. A tenso necessria para acionar o dispositivo a comandar ou o rel auxiliar fornecida externamente (normalmente a prpria tenso do servio auxiliar CC).

- Contato energizado: nesse caso a sada alimentada pela prpria UTR. - Raise-lower: O contato fica fechado por um tempo determinado pelo valor de uma

varivel. Utilizado para controle de gerao, por exemplo.

O comando por ter variaes quanto filosofia de operao e de segurana de hardware:

- Select-before-operate: o equipamento a ser comandado primeiramente selecionado e, somente aps a confirmao de seleo, enviada a ao de comando. A consistncia feita em nvel de hardware, na UTR, e de software, na Supervisora.

- Check-before-operate: realizada uma verificao das pr-condies para operar o equipamento.

- Check-before-execute: verifica falhas de hardware, como, por exemplo, se h outro equipamento indevidamente selecionado, se a fonte de tenso para comando est irregular, etc.

5.3.2 - FUNES COMPLEMENTARES

Alm das funes citadas os Sistemas de Superviso e Controle apresentam as seguintes funes: 1. Processamento e indicao de alarme. 2. Processamento, visualizao e registro de eventos. 3. Registro de variveis. 5.3.2.1 - Processamento e indicao de alarmes Alarmes so indicativos de alteraes nas condies normais do processo (grandezas ou estado de equipamentos) ou do prprio sistema de superviso e controle.

Alarmes podem ser gerados por: - mudana de estado como: abertura de disjuntores, operao de rels de proteo; - medies ultrapassando limites de alarmes configurados; - falhas na remota; - falha no canal de comunicao; A informao de alarme (ON / OFF = alarme / normal) enviada pela UTR, o Centro de Controle pode acrescer as seguintes informaes:

- prioridade do alarme, que diferencia a gravidade do alarme, ou urgncia em relao

atuao do operador.

27

- situao do alarme (reconhecido ou no reconhecido), que informa se o operador tomou conhecimento do alarme.

Os softwares de sistemas de superviso e controle tm caractersticas prprias de tratamento e apresentao de alarmes, algumas configurveis outras no, mas, normalmente, quando ocorre um alarme: - soa o sinal sonoro do microcomputador; - mostrada a mensagem do alarme no vdeo; - impressa a mensagem na impressora; - h a mudana do smbolo no vdeo; - alarme deve ser reconhecido pelo operador; - alarme registrado em um arquivo histrico para consulta posterior na forma de

relatrios. 5.3.2.2 - Processamento, Visualizao e Registro de eventos a funo responsvel pela ordenao dos eventos, controle de reconhecimento e normalizao dos eventos e sua apresentao na tela. tambm responsvel pela impresso dos eventos (a impresso dos eventos em ordem de chegada no Centro de Controle considerada, hoje, como uma funo bsica) e pelo registro em banco de dados em ordem cronolgica.

Os eventos so registrados em arquivos histricos e podem ser visualizados no vdeo da supervisora ou na forma de relatrios emitidos pela impressora e servem, basicamente, para subsidiar a anlise de ocorrncias no sistema, detectando a seqncia de atuao de protees, por exemplo, o que permite identificar falha ou descoordenao de proteo. 5.3.2.3 - Registro de variveis Todos os eventos ou alarmes so armazenados em uma rea de memria denominado "buffer" histrico, normalmente de forma cclica, isto , quando o "buffer" atinge seu limite, os eventos mais novos substituem os mais velhos.

Estes eventos podem ser visualizados atravs de uma tela na supervisora, impressos na impressora em forma de relatrios e, ainda, armazenados em disco.

Alm do registro de informaes oriundas do processo eltrico podem ser registrados e armazenados tambm outros dados como, por exemplo, comandos efetuados no sistema. O armazenamento feito para permitir um estudo estatstico ou avaliao posterior dos dados.

Outra possibilidade oferecida por alguns sistemas o registro de qualquer varivel selecionada pelo usurio, normalmente analgica (tal como: fluxo de energia ativa ou reativa em uma linha de transmisso, temperatura de leo de um transformador, etc.), para acompanhamento de suas variaes durante um intervalo de horas, dias, ou meses.

Essa facilidade denominada registro histrico de variveis ou, em alguns sistemas, grfico de tendncia (Trend), uma vez que o acompanhamento pode ser visto em um grfico, onde podem ser efetuadas operaes de zoom e deslocamentos no eixo do tempo, desde o incio do registro at o ltimo valor adquirido.

28

5.4 - Supervisora de Telecontrole Denominamos Supervisora a entidade responsvel pela troca de informaes com a Unidade Remota, interpretao dos dados referentes s informaes de estado e alarme, converso dos dados referentes a grandezas analgicas em valores de engenharia e apresentao de todos esses dados de forma adequada ao operador seja na forma de alteraes visuais ou sonoras, seja em tela ou em relatrio impresso. A Supervisora pode tambm processar algoritmos de controle automtico (quando implementados).

A atuao no processo se inicia atravs da ao disparada pelo operador do Centro de Controle ao realizar um comando na Supervisora (seja atravs do acionamento dos botes do mouse em reas sensveis da tela, seja via teclado, ou qualquer outro dispositivo de acionamento) ou pelo disparo de algum programa de controle automtico (as Remotas inteligentes tambm podem executar programas de controle automtico). A Supervisora transmite a mensagem de comando para a Remota, que a responsvel pela atuao no processo eltrico (via rels auxiliares, tambm chamados rels de interposio). 5.4.1 - Estrutura de Hardware Na dcada passada, as Supervisoras de Telecontrole, principalmente na configurao stand-alone (uma Supervisora e uma Remota), eram constitudas por um hardware dedicado, em estruturas semelhantes s das Unidades Remotas. Em grandes sistemas eram utilizados computadores de mdio ou grande porte com alguns equipamentos de interface.

Com a difuso do uso dos microcomputadores, esses passaram a serem utilizados em superviso e controle, rodando softwares especficos para controle de processo. Inicialmente a estrutura adotada nas empresas de energia eltrica tinha a seguinte configurao bsica:

Figura 5.4.1-1

VIDEO

MICROCOMPUTADOR

P/ CANAL DECOMUNICAO

MODEM

TECLADO

IMPRESSORA

NO-BREAK

127Vca

29

Outra configurao utilizada foi projetada para operar em modo dualizado. O sistema opera em rede, com dois microcomputadores para operao (denominados IHM interface homem mquina) e dois microcomputadores, desprovidos de vdeo e teclado, dedicados tarefa de comunicao com as Unidades Remotas (denominados Front-Ends ou Concentradores de Comunicao).

Os Concentradores de Comunicao operam no modo hot stand-by, ou seja, os dois ficam ligados, atualizando a base de dados, mas somente um deles que recebe ou envia informaes para as IHMs e para as Unidades Remotas.

Um equipamento denominado Chaveador de Linhas reconhece qual Concentrador assumiu a comunicao e ento direciona a ligao com os modems para o mesmo. Os concentradores so equipados com uma placa especial, a multiport serial, e um adaptador de cabos (caixa de conectores) que possibilitam a interligao com os diversos canais de comunicao. A seguir, temos um desenho esquemtico do sistema dual descrito:

CONSOLES DE OPERAO

CONCENTRADORES DE COMUNICAO

CHAVEADORES

DE LINHAS

PARA MODEMs

REDE ETHERNET

Figura 5.4.1-2 5.4.2 Estrutura de software

Tendo em vista o modo como tratado hoje pelos fabricantes o software de uma estao supervisora ser dividido em 3 (trs) partes principais:

30

5.4.2.1 - Sistema operacional o programa bsico. Est sempre vinculado a "famlia" da mquina. Esta a parte do software responsvel pelo correto funcionamento da mquina, principalmente as operaes com disco, teclado, vdeo, portas de comunicao, etc. Para ser utilizado em controle de processos, tais como controle de subestaes, um sistema operacional deve ter capacidade de gerenciamento multitarefas, em "tempo real". Isto , deve ter capacidade de garantir que todas as tarefas necessrias ao controle do processo sejam executadas no tempo especificado. Por exemplo: deve-se mostrar uma tela simultaneamente gravao de qualquer dado no disco e tambm executar comunicao com a remota.

A gravao de um dado no disco pode no ter terminado quando um dado recebido da remota. O dado recebido deve ser calculado, comparado, ou utilizado em qualquer outra funo que exija tempo de CPU, o que faz com que as tarefas tenham que ser ordenadas em uma seqncia de prioridades.

5.4.2.2 - Software Bsico

Esta a parte do software responsvel pela "capacidade" do sistema. no software bsico que definido o modo como os dados recebidos da remota so tratados e apresentados ao operador. Est sempre vinculado ao sistema operacional.

composto de diversos sub-programas que fazem o controle das telas, armazenamento dos dados em um banco de dados, criao e gerenciamento do banco de dados, e que tambm interpretam e tratam os dados recebidos do canal de comunicao, entre outras tarefas. Em geral os softwares bsicos para superviso e controle que so comercializados, possuem verses para mais de um sistema operacional (multiplataforma). 5.4.2.3 - Software Aplicativo O software aplicativo compreende os programas desenvolvidos para apoiar as funes de monitorao e controle vinculadas ao processo de operao do sistema eltrico. considerado aplicativo tambm a elaborao da base de dados do sistema, que consiste na identificao para o sistema de telecontrole de cada ponto da subestao telecontrolada e no desenho das telas sinpticas. O item 6 ir detalhar o conjunto de software aplicativos que so usualmente utilizados nos SSC de empresas de energia eltrica. 5.5 - Remota de Telecontrole A Unidade de Comando e Aquisio de Dados, aqui denominada UTR, ou simplesmente Remota, o equipamento do Sistema de Superviso e Controle mais prximo do processo, processo eltrico no caso, como veremos, logo a seguir, onde descrevemos sua composio fsica.

31

5.5.1 - Estrutura de Hardware Uma Unidade de Comando e Aquisio de Dados constituda de circuitos ou mdulos com funes dedicadas.Na figura 5.5.1-1 ilustramos a composio bsica desse equipamento:

ENTRADASDIGITAIS

ENTRADASANALOGICAS

SAIDASDIGITAIS

CPUMODEM

FONTE

UNIDADE TERMINAL REMOTA

SUBESTAO

CANAL

ALIMENTAO

Figura 5.5.1-1 A seguir apresentamos a descrio sucinta de cada mdulo: 5.5.1.1 Mdulo de Entradas Digitais:

CONTATO DORELE AUXILIAR

1

2

3

16

PLACA DEINTERFACE

CPU

ENTRADAS DIGITAIS

Figura 5.5.1.1-1

Mdulo responsvel pela aquisio de informaes do tipo aberto / fechado (informao digital binria) usadas para indicao de estado, superviso de alarmes e monitoramento

32

de eventos (SOE). Eventualmente podem ser implementados contadores ou grupo de entradas digitais para medio de MWh e MVArh.

5.5.1.2 -Mdulo de Entradas Analgicas:

1

2

3

8

PLACA DEINTERFACE

CPU

ENTRADAS ANALOGICAS

TRANSDUTOR TC, TP

Figura 5.5.1.3-2 Mdulo responsvel pela aquisio de informaes do tipo analgica e sua converso em valores digitais, usadas para medio de grandezas como corrente, tenso, potncia, temperatura, etc. 5.5.1.3 - Mdulo de Sadas Digitais:

1

2

16

PLACA DEINTERFACE

CPU

SADAS DIGITAIS +P/ CIRCUITO DOEQPTO. A SERCOMANDADO

Figura 5.5.1.3-1

33

Mdulo responsvel pelo acionamento dos rels auxiliares (de interposio) para acionamento dos dispositivos a serem comandados, usado para comando de dispositivos de manobra (disjuntores, seccionadores, etc.), mudana de estado de equipamentos diversos (bloqueio e desbloqueio de religadores, insero e retirada de banco de capacitores) e atuao tipo raise-lower (aumentar-diminuir). 5.5.1.4 - Mdulo CPU (Central Processor Unit): MDULO CPU Figura 5.5.1.4-1 Mdulo responsvel pelo processamento dos dados de entrada / sada, comunicao com a Supervisora, processamento dos algoritmos programados (intertravamentos, programas automticos de controle, etc.) e associao de tempo s variaes de entradas utilizadas para SOE. Nesse mdulo esto o microprocessador, o firmware (sistema operacional e outras rotinas bsicas) da UTR (armazenado em memria EPROM) e a configurao (base de dados, armazenada em EEPROM ou NVRAM). A memria voltil (RAM) onde se armazenam as variveis utilizadas pelos rotinas internas e as variveis recebidas do processo (dados digitais e analgicos). 5.5.1.5 - Mdulo de Alimentao (fonte). Mdulo responsvel pela isolao e converso da tenso de alimentao de entrada (normalmente 125 VDC) nas diversas tenses utilizadas pelos demais mdulos. 5.5.1.6 - Modem

Equipamento ou mdulo responsvel pela converso dos dados digitais em um sinal analgico passvel de ser transmitido por um canal de comunicao ( necessrio que seja um sinal cuja freqncia esteja na faixa de 0 a 4 kHz, no mximo) e vice-versa, pode ser um equipamento parte ou um mdulo pertencente UTR, conforme o diagrama em blocos mostrado no item 5.5.1.6.

uP

EPROM

EEPROM ou

RAM

INTERFACE

MDULOS DE ENTRADA / SADA E DE COMUNICAO

34

5.6 - Isolao e Proteo dos Mdulos de E/S Os mdulos de processamento de informao no necessitam de proteo contra sobretenses uma vez que no esto sujeitas a esse tipo de agresso, exceto quando, no mesmo mdulo, so implementadas outras funes que necessitam de acesso a outros circuitos externos UTR. Algumas vezes esses mdulos tm necessidade de blindagem eletromagntica para evitar a interferncia de campos eletromagnticos externos.

Os mdulos de entrada / sada, uma vez que atuam como interface entre os mdulos de processamento e o sistema eltrico, necessitam de proteo contra surtos gerados por descargas atmosfricas e chaveamento de equipamentos e so providos de algum componente que permita uma isolao entre o sistema eltrico e os circuitos internos do prprio mdulo. Essa isolao atua o mais prximo ao ponto de contato com o campo, de forma a evitar danos ao mdulo. Muitas vezes a isolao feita por um mdulo ou um dispositivo (rel, p.ex.) externo ao mdulo. O mesmo acontece com a proteo contra surtos. A seguir veremos algumas formas de proteo e isolao dos mdulos de E/S. 5.6.1- Entradas Analgicas Uma forma de isolar o conversor A/D do processo eltrico atravs da memorizao da informao recebida do processo em capacitores e isolamento atravs de contatos, conforme o esquema abaixo: K3 K1 K3 C K2 K4 Figura 5.6.1-1

Os contatos K1, K2, K3, K4 fazem a isolao com o campo, evitando correntes de loop induzidas e tenses induzidas em relao terra. Os contatos K1 e K2 ficam normalmente fechados, armazenando a informao no capacitor C. No momento de leitura da informao pelo conversor analgico digital os contatos K1 e K2 so abertos e so fechados momentaneamente os contatos K3 e K4.

Conforme ilustrado na figura abaixo, a tenso E1 induzida no condutor por campos eletromagnticos igual E2 induzida no condutor de retorno. A tenso transferida pelo capacitor se resume ddp gerada pelo transdutor. A possibilidade de corrente de loop pela malha de terra tambm eliminada pelo seccionamento do circuito.

CONVERSOR

A / D

TRANSDUTOR

35

UTR

E1

E2 I loop = 0 Terra Figura 5.6.1-2 5.6.2 - Entradas Digitais O isolamento das entradas digitais normalmente obtido com foto-acopladores. A proteo contra surtos obtida com associao de varistores, supressores de transientes (tranzorbs), diodos, diodos zener e capacitores.

Figura 5.6.2-1

Outra caracterstica importante do circuito de entrada digital a supresso de oscilao, sendo necessrio um circuito filtro (passa-baixa) ou circuito anti-debouncing.

5.6.3 Sadas Digitais

A sada digital normalmente feita utilizando-se rels para desacoplamento da UTR com o processo (tambm chamado campo, no nosso caso, o sistema eltrico de potncia). Os rels fornecem a isolao galvnica necessria e so especificados para fornecerem a isolao contra sobretenses advindas do processo eltrico. Adicionalmente, pode-se incorporar varistores e diodos supressores de surto s sadas para garantir a isolao em nveis mais elevados de tenso induzida.

36

Figura 5.6.3 O circuito de sada pode conter, adicionalmente, circuitos de monitoramento da sada selecionada, monitoramento da tenso da fonte de acionamento dos rels de sada, monitoramento da corrente durante o acionamento dos rels monitorando inclusive a condio da bobina do rel) e tambm um circuito de controle de sada, permitindo as funes select-before-operate e check-before-execute.

5.7 Software da Remota

As remotas possuem um software bsico que implementa as funes de aquisio de dados, execuo de comandos e de comunicao. Em geral estas funes podem ser somente "parametrizadas" pelo usurio, mas a funo no pode ser completamente alterada. Nas remotas modernas a caracterizao das entradas digitais (debouncing, tipo), entradas analgicas (escala, amostragem) e sadas digitais (tipo, durao do pulso) so programadas por software. O carregamento da base de dados consiste exatamente em transferir para a memria no voltil esses parmetros.

As funes de controle quando executadas pela remota, so programadas atravs de

linguagens especficas tais como "LADDER", "C" ou diagramas de blocos, e constituem o software aplicativo na remota.

Os programas (software) que rodam na remota so independentes daqueles que rodam no Centro de Controle. Assim se o Centro de Controle estiver fora (em falha), ou ocorrer a perda do canal de comunicao, a remota continua executando suas tarefas normalmente, exceto a transferncia de informaes para o Centro de Controle e a execuo dos comandos que seriam recebidos do mesmo, o que no a impediria, caso fosse programada para isso, de executar rotinas de controle automtico e comandos gerados a partir dessas rotinas.

Fonte 24 Vcc

monitoramento saida selecionada

controle de sada

monitoram.tenso

125 Vcc(+)

125 Vcc(-)

37

5.8 Protocolos de Comunicao Protocolo de comunicao um conjunto estabelecido de regras que so estabelecidas de forma a garantir a correta comunicao entre dois ou mais elementos de um sistema. A rede de comunicao tem padres ou protocolos que vo desde o nvel fsico, que define as caractersticas mecnicas, eltricas e funcionais (ex.: RS-232) at o nvel de aplicao. O modelo de referncia ISO tem sete nveis ou camadas, mas, nas aplicaes usuais, os protocolos adotados no tm essa distino definida de camadas. Para efeito do que vamos tratar o protocolo se resume ao formato dos dados que trafegaro entre Master e Remotas e os tipos de servio que cada protocolo fornece, ou seja, que tipo de comando so reconhecidos. O protocolo deve definir, ento, o formato das mensagens, modo de sincronizao, seqncia de dados e modo de verificao de erro.

A capacidade de um protocolo de comunicao to importante quanto a capacidade do computador da Supervisora, visto que o protocolo define coisas tais como:

- Quantidade de informao que enviada em cada comunicao; - Capacidade de detectar erros na comunicao; - Tamanho da "palavra" de comunicao; - Tipos de comandos possveis de serem executados (individuais ou em grupos); - Quantidade de Remotas que podem compartilhar o mesmo canal de comunicao.

O modo de comunicao, tambm definido pelo protocolo utilizado pode ser:

- Mestre / escravo.

- Por exceo - Quando a Remota possui autonomia de iniciar a comunicao sempre que ocorre uma variao no Sistema Eltrico que deve ser reportado Supervisora.

6 - Software Aplicativo So responsveis por funes diretamente relacionadas Operao do Sistema eltrico. Esses programas, de forma geral, so extensos e complexos quanto sua formulao matemtica. A figura 6.1 mostra uma viso de todo o software aplicativo presente em um SSC.

38

SUBSISTEMA DE AQUISIO DE DADOS

Configurador de rede Estimador de Estado Previso de Carga

Monitorao de Segurana

Anlise de ContingnciasControle de Emergncia

Controle Restaurativo

SUBSISTEMA DE INTERFACE HOMEM-MQUINA

OPER.

Programao da Produo

CAG

ControleSuperv.

Informaes de status de disjuntores e chaves

Reprogramao Preventiva

Medidas Analgicas

Sinais de controle

Comandos de chaveamento

normal emergnciarestaurativo

seguroInseguro(alerta)

Figura 6.1 Viso Geral do Software Aplicativo de um SSC A seguir apresentaremos uma descrio sucinta dos softwares aplicativos: 6.1 Configurador da Rede Eltrica Utilizando as informaes provenientes do sistema eltrico sobre o status atual das chaves e disjuntores, do programa denominado Configuradordetermina em tempo real a configurao atual da rede do sistema interno. Essa configurao atual utilizada por outras funes do sistema supervisrio. 6.2 Estimao de Estado O objetivo bsico determinar a melhor estimativa ( a mais prxima possvel dos valores reais) do estado do sistema (Mdulo e ngulo das tenses nas barras ), utilizando um conjunto imperfeito mas redundante de dados provenientes do sistema. Essa funo verifica se o estado atual do sistema interno normal ou no, isto , verifica se o ponto de operao atual satisfaz ou no as restries de carga e de operao. 6.4 Monitorao da Segurana Verifica qual o grau de segurana do sistema, isto , determina se o ponto de operao encontra-se na regio normal-inseguro ou alerta. A funo Reprogramao Preventiva deve ser acionada caso o estado atual do sistema esteja em condio normal-alerta. Essa funo tem como objetivo indicar quais aes preventivas devem ser efetuadas para tornar o estado normal-seguro.

39

Essa funo tem como objetivo prever a carga total do sistema ou de partes do mesmo e as cargas individuais de cada barra do sistema. 6.5- Funes de Controle de Emergncia O objetivo do Controle de Emergncia determinar e executar aes a mdio ou a curto prazo ou por vezes at imediatamente(dependendo do impacto da contingncia), a fim de remover as violaes das restries de operao, tornando todo o sistema normal ou parte do sistema normal . 6.6 Controle Restaurativo Essa funo tem como objetivo a determinao de aes rpidas, corretas e seguras para restaurar o sistema, aps os desligamentos parciais decorrentes do controle de Emergncia Crise ou aps desligamentos totais. 6.7 Controle Automtico de Gerao um programa de malha fechadaque tem como objetivos: Minimizar as variaes de intercmbio de potncia em relao ao intercmbio programado com as reas vizinhas e as variaes de freqncia em relao freqncia programada. Exercer o controle segundo critrios econmicos timos. 7 - Controle de Carga - Freqncia 7.1 - Introduo As cargas nos diversos barramentos do sistema eltrico variam a cada instante, fazendo com que o estado de equi l br io carga/gerao seja sempre al terado e, portanto determinando a necessidade de constante restabelecimento do estado de equi l br io original. Esta funo t ipicamente a funo primordial de um sistema de controle. Ento, um Sistema Eltr ico de Potncia (SEP) deve ser dotado de um sistema de controle adequado no sentido de fazer com que o mesmo retorne a um estado de equi l br io apropriado instante a instante. Suponhamos um SEP em que h um acrscimo na carga e o consumo maior que a potncia gerada pelas mquinas naquele instante. Este aumento de consumo suprido atravs da energia cintica das massas girantes, determinando-se, portanto, abaixamentos de velocidade de rotao das mquinas, e, consequentemente, de f reqncia. A ao nos reguladores de velocidade faria com que um novo estado de equi l br io fosse at ingido (com freqncia mais baixa). Podemos primeiramente considerar que no houve nenhum tipo de ao de regulao automtica de velocidade. Ainda neste caso, o sistema ter uma capacidade inerente de alcanar um novo estado de equi l br io. Isto se apl ica pelo fato de que a carga varivel com a f reqncia, e portanto, em geral , quando a f reqncia decai, tambm decai o valor absoluto da carga,

40

indicando uma tendncia do prpr io sistema atravs de suas caracterst icas prpr ias de carga, de se auto-regular, ou seja, de at ingir novo estado de equi l br io. Esta propriedade (de chegar a um novo estado de equi l br io por si s) denominada Regulao Prpria do Sistema e se expressa atravs de um parmetro D, chamado de Coef iciente de

Amortecimento: D Po / f onde: Po = carga ativa do sistema f = freqncia Ento, se considerarmos apenas a regulao prpria do sistema, a

variao de f reqncia ser: f Po / D . Em um sistema de potncia de porte, estas variaes instante a instante (Po) at ingem valores considerveis, enquanto os valores de D tpicos em tais sistemas so relat ivamente baixos. Ento, as variaes de f reqncias podem ser inadmissveis, indicando a necessidade de se dispor de controladores adequados no sentido de evitar tais fatos ( D = 1% por exemplo ). Em outras palavras, h necessidade de controladores para balancear gerao e carga do sistema de potncia. A dif iculdade do estabelecimento de controle adequado agravada por causa da variabi l idade das prprias caracterst icas de carga, que podem ser vl idas para um perodo (carga pesada, por exemplo) e no ser para outro (carga leve), porque as relaes de sensibi l idade das cargas conectadas com a freqncia podem ser inteiramente diversas no decorrer do dia.Verif ica-se, portanto, que o controle de um sistema eltr ico depende, fundamentalmente, do comportamento da carga. Em uma regio altamente industr ial izada, pode-se at ingir uma curva com fator de carga bastante elevado, considerando que as cargas industr iais so prat icamente constantes durante boa parte do dia. J em uma rea na qual so de maior parte as cargas residenciais, comerciais e de i luminao, pode-se ter uma curva de carga como mostrada na f igura 7.1-1 abaixo.

Figura 7.1-1

P (MW)

41

Portanto, sem sistemas automticos de controle, a tarefa dos operadores seria dif ci l e sujeita a erros. Assim sendo, vemos que o operador no pode competir com o sistema de proteo e exigir que ele controle o sistema instante a instante, de forma a no permitir que ocorram abaixamentos substanciais de freqncia, o que exporia o sistema e consumidores a riscos desnecessrios. Neste ponto, j podemos estabelecer os Objet ivos do Sistema de Controle de um SEP:

Manter a f reqncia constante a maior parte do tempo que for possvel (funo primordial ).

Manter intercmbios nos valores programados: grandes vantagens so obtidas ao se operar sistemas eltr icos de forma interl igada ao invs de isolados. Um subsistema poder auxi l iar outro em situao carente, porm, normalmente deve-se respei tar os intercmbios programados entre sistemas.

Garanti r o auxl io adequado aos subsistemas que eventualmente em um dado instante se encontrem em situao carente da sua gerao com relao sua carga.

7.2- Regulao Primria A regulao prpria desaconselhvel como modo de se chegar a um novo estado de equi l br io, pois variaes de f reqncia de grande porte seriam observados e o sistema chegaria a nveis operativos inaceitveis. necessrio algo mais que auxi l ie a conduo a um estado de equi l br io mais favorvel . Para isto, as unidades geradoras so dotadas de mecanismos de regulao de velocidade automtica que atuam no sentido de elevar ou reduzir a potncia da unidade quando a velocidade (ou f reqncia) se afasta do valor de referncia. A esta regulao automtica feita pelos reguladores de velocidade das mquinas do sistema chamamos Regulao Primria. Portanto, o controle da f reqncia fei to atravs de variaes de potncia at iva das mquinas, indicando a correlao em P (potncia at iva) e f ( f reqncia).

Ex.: aumento de carga (desequilbrio) gerao inferior cargautiliza-se parte da energia cintica existente nas massas girantes do sistemavelocidade cai atuao automtica dos reguladores de velocidade para aumentar as potncias das unidades geradoras. Interao anloga se veri f ica entre Q (Potncia reativa) e V (Tenso) consti tuindo-se assim duas grandes malhas de controle: malha de controle de f reqncia ( com auxl io das potncias at ivas) e malha de controle de tenso (com auxl io das potncias reativas).

42

Figura 7.2-1

Pela figura 7.2-1 observa-se que para a resposta a uma variao de freqncia h uma malha de controle que transforma tal variao em um sinal apropriado que ir atuar nos rgos de admisso da turbina. Tais mecanismos so os reguladores de velocidade. Em um sistema de muitos geradores, cada regulador tem uma caracterst ica de estat ismo, o que assegura que qualquer variao de carga ser devidamente dividida entre as unidades geradoras. A f igura 7.2-2 mostra uma caracterst ica de regulador composta (ou seja, para todo o sistema; na real idade, cada turbina tem sua prpria caracterst ica de regulador). Vemos por este diagrama que, sempre que h um desequil br io entre gerao e carga, ocorre uma variao de f reqncia no sistema.

Figura 7.2-2

43

Se, por exemplo, a carga aumentar repentinamente para 5.500MW, haver insuf icincia de gerao. Embora a produo de energia eltr ica mude imediatamente para atender carga, a admisso mecnica de potncia nas turbinas no pode mudar instantaneamente. O resultado uma desacelerao dos rotores dos geradores, o que por sua vez, faz cair a f reqncia. Diante disto, cada unidade reguladora ajusta a vlvula de controle da turbina a f im de aumentar a admisso de vapor ou gua, e eventualmente, um novo ponto de equi l br io ( isto , gerao = carga) alcanado, mas a uma f reqncia mais baixa que a programada, como indica a f igura 7.2-2. 7.3 - Regulao Secundria 7.3.1 - Elementos Bsicos Para que o sistema opere f reqncia programada, necessrio ajustar os pontos de referncia de carga do regulador em um ou mais geradores. O controle Automtico de Gerao (C.A.G) faz esse ajuste automaticamente. O C.A.G , de fato um sistema suplementar de controle, (regulao suplementar ou secundria) , superposto ao normal de controle dos reguladores (regulao primria). Alm de manter a freqncia do sistema no valor programado, o C.A.G tambm controla o intercmbio de potncia nas interl igaes de um sistema interl igado. Uma f inal idade secundria do C.A.G ajustar automaticamente a produo das unidades controladoras, de modo a satisfazer a programao de carregamento econmico ou os cri tr ios de segurana do sistema. Na verdade, o C.A.G um mtodo de sintonia f ina destinado a ajustar a gerao demanda, e funciona melhor quando o sistema est operando em condies de estado permanente ou prximo dessas condies. Isto impl ica f reqncia na faixa de 0,25 Hertz a mais ou a menos em relao f reqncia programada. Quando a f reqncia se desvia dessa faixa (como, por exemplo, em condies de emergncia), a prt ica adotada por muitas concessionrias interromper a atuao do C.A.G. Na presena de desvios de f reqncia mui to grandes, o C.A.G tem um efei to muito menor sobre a produo dos geradores em comparao com a atuao primria dos reguladores. Para que atue com ef icincia, o C.A.G geralmente implementa sua ao de controle a cada 2 ou 4 segundos. Em um sistema interl igado, cada rea de controle deve ter o seu C.A.G operando em harmonia com os das outras reas. Sempre que se altera o intercmbio lquido programado, pelo menos duas reas devem implantar essa alterao simultaneamente. A gerao de uma rea deve aumentar na mesma proporo em que a gerao da outra rea diminui. Com isto, o intercmbio desejado ser transferido de uma rea de controle para outra.

44

Qualquer alterao introduzida na freqncia programada deve ser feita simultaneamente no C.A.G. das outras reas em todo o sistema interligado. Cinco elementos bsicos so necessrios operao do sistema de C.A.G. A f igura 7.3.1-1 mostra esses elementos, que so: 1. Equipamentos de aquisio de dados e controle 2. Equipamentos de comunicao 3. Controlador do C.A.G. 4. Interface do Despachante 5. Controlador das unidades geradoras (C.U.G) A f inal idade do equipamento de aquisio de dados e controle (1) medir vrias grandezas do sistema de potncia, inclusive os f luxos nas interl igaes, a produo de megawatts das unidades geradoras e a f reqncia do sistema, alm de obter informaes sobre o estado das unidades controladoras (tais como se esto operando ou sendo controlados, ou no).

Figura 7.3.1-1

A aquisio de dados e controle incluem vrios equipamentos de diferentes t ipos e graus de sof ist icao. Na maioria das apl icaes do C.A.G., empregam-se Unidades Terminais Remotas (UTRs) que coletam e preparam os dados para t ransmisso. Esses dados so transmit idos para o controlador do C.A.G. atravs de canais de comunicao (2).

Pulsos Raise/ Lower

I N S E R O

45

O elemento mais importante do sistema de C.A.G. o prprio controlador (3). Atualmente, a maioria dos controladores de C.A.G. consti tudo basicamente por computadores digitais. O programa do C.A.G. processa os dados monitorados e decide qual o grau desejado de aumento ou reduo da produo da unidades geradoras controladas. A interface do C.A.G. para uso dos operadores geralmente consiste em monitores a cores, equipados com console e teclado. Na maioria das apl icaes, o operador pode usar esse console de controle para obter resumos de dados operacionais de determinada unidade ou do sistema como um todo. Usando essa interface, o despachante pode inserir dados no C.A.G como, por exemplo, o estado de qualquer unidade geradora. Alm disso, o despachante pode especificar manualmente os limites superiores e inferiores de despacho da unidade, seu modo de controle e ponto base, bem como alteraes na freqncia ou no intercmbio programado. Assim, quando o controlador do C.A.G. decide o grau de aumento ou reduo da produo de megawatts de uma unidade geradora, envia o sinal adequado, atravs da rede de comunicao, para o Controlador das Unidades Geradoras (C.U.G.) (5). O C.U.G. transforma o sinal emit ido pelo controlador em variaes de produo da unidade que est sendo controlada. 7.3.2 - Erro de Controle de rea (ECA)

Primeiro, o C.A.G. precisa calcular um sinal de erro, comparando os valores reais de intercmbio e freqncia com os valores programados (isto , desejados). Em seguida, controla a gerao de modo a reduzir esse erro a zero. O sinal bsico de erro chamado de Erro Controle de rea, cuja abreviatura E.C.A. Normalmente, o E.C.A. tem dois componentes: um erro de intercmbio e um erro de freqncia. A frmula do E.C.A de uma rea pode ser expressa na seguinte forma:

Onde :

E.C.A = (I .L.R - I .L.P) - (10B) ( f), I .L.R = Intercmbio lquido real (em MW) I .L.P = Intercmbio lquido programado (em MW) f = Desvio da freqncia, ou freqncia real menos

freqncia programada ( em hertz) B = Bias constante de f reqncia ( em MW/0,1 hertz) . O Bias o coef iciente entre a variao de f reqncia, de acordo com a caracterst ica de estat ismo.(B negativo). (por exemplo, suponhamos que o Bias de uma rea seja B = - 100MW/0,1 hertz. Isto signi f ica que a rea deve aumentar sua gerao em 100 megawatts para cada 0,1 hertz de queda de f reqncia).

46

Note-se que o termo (10B) (f) expresso em megawatts, por coerncia com o termo (I.L.R - I.L.P). Portanto, o E.C.A tambm expresso em megawatts. A t tulo de exemplo, consideremos o sistema interl igado i lustrado pela f igura 7.3.2-1. Inicialmente, no h intercmbio (cada rea supre sua prpria carga, e I .L.R = I .L.P = 0). Contudo, em virtude da parcela de uma perda unidade geradora de 300MW na rea C, o intercmbio l quido real das trs reas passa a ser o seguinte: rea A I.L.R.: de 0 MW para + 70MW rea B I.L.R.: de 0 MW para + 142MW rea C I.L.R.: de 0 MW para - 212MW

Figura 7.3.2-1 A f reqncia de todo o sistema cai em virtude da perda da unidade, de modo que, em todas as reas, o termo (f ) negativo. Nas reas A e B, o termo de erro de intercmbio (I.L.R. - I.L.P) positivo, mas o termo de erro de freqncia ( -10Bf) tende a cancel-lo dando um E.C.A. de aproximadamente zero. Portanto, nenhuma medida tomada nas reas A e B. Na rea C, porm o termo de erro de f reqncia (-10B f ) e o erro de intercmbio (I.L.R. - I.L.P) so negativos, de modo que o E.C.A da rea C ser signif icat ivo, provocando um aumento da gerao. O resultado que a f reqncia aumenta o intercmbio diminui , at que os valores programados sejam novamente obtidos.

de 300 MW

47

Vemos pela equao do E.C.A. que o fato de este ser negativo signi f ica que (1) o intercmbio real menor que o programado, ou (2) que a f reqncia menor que a programada, ou ainda (3) que est havendo uma combinao destas duas condies. Portanto, quando o E.C.A. negativo, o controlador do C.A.G. deve aumentar a gerao total da rea. Inversamente, quando o E.C.A posit ivo, o C.A.G. deve reduzir a gerao total da rea. Aps calcular o E.C.A., o C.A.G. dever distr ibuir a mudana de gerao desejada entre os geradores submetidos ao seu controle. Esta distr ibuio do aumento ou da reduo da gerao entre as unidades geradoras depender de fatores como custo, ef icincia, conf iabi l idade, faci l idade de alterao de carga, etc. O maior problema quanto ao controle secundrio reside na determinao dos parmetros que def inem este controle, de tal forma a produzir o melhor comportamento do sistema. Os parmetros que precisam ser ajustados correspondem exatamente o Bias B e ao ganho do integrador do controlador. 7.3.3 - Princpio Bsico de Controle A anl ise dos ECAs em funo do tempo nos leva a um poder de anl ise bastante interessante, mas no conclusiva. Suponhamos 2 reas de controle interl igadas, da tal forma que as caracterst icas de ECA possam ser mostradas nas f iguras 7.3.3-1 e 7.3.3-2 abaixo:

Figuras 7.3.3-1 e 7.3.3-2

48

A rea 1 demonstra um bom controle, pois seu ECA prat icamente nulo, enquanto que a rea 2 no apresenta controle sat isfatrio, pois seu ECA na maior parte do tempo, bem diferente de zero. Isto pode estar acontecendo por diversos motivos. Ex. : fal ta de reserva de potncia suf iciente na rea 2, ponta instantnea dentro da ponta horria maior do que a prevista, etc. Podemos supor, agora, duas reas cujas caracterst icas de ECA sejam, conforme as f iguras 7.3.3-3 e 7.3.3-4 abaixo:

Figura 7.3.3-3 e 7.3.3-4 Neste caso, embora as magnitude de ECA1 sejam menores que ECA2, a rea 2 considerada de melhor controle, pois o ECA2 osci la em torno de zero, ao contrrio de ECA1 . Esta anl ise apenas nos mostra a real necessidade de se melhor anal isar os valores de ajustes de Bias t imos. O grande problema agora est no desempenho dinmico do sistema de controle envolvido, uma vez que os erros f e I dinmicos tambm devem ser minimizados, com os seguintes objet ivos: - melhorar e garantir a estabi l idade dinmica do sistema; - minimizar intercmbios involuntrios; - minimizar o erro de tempo. Um cri tr io bem simples da teoria da ot imizao pode ser considerado. O mtodo consiste em veri f icar os erros, ou desvios que o sistema de controle dever el iminar, e apl icar uma funo de penalizao aos mesmos. Esta funo ter como efeito o fato de penalizar a magnitude dos erros. Tal funo poder ser calculada a cada instante, e a soma dos valores assim obtidos nos dir se o desempenho do sistema de controle bom ou no.

49

Depois de tudo o que foi exposto, o que podemos considerar a respei to do ajuste t imo de Bias de cada rea depende fundamentalmente dos parmetros de reguladores de velocidade e turbinas adotados, bem como do que chamado de tamanho eltr ico da rea, isto signif ica a grandeza do seu parque gerador, nas dimenses e caracterst icas de sua carga, o malhamento e a adequao de seu sistema de transmisso, etc. Enf im, o balanceamento da carga - gerao de cada rea ser muito importante nesta anl ise, e principalmente a margem de regulao de cada rea. 8 - Controle de Tenso 8.1 Introduo O objetivo primrio do controle de tenso no sistema economicamente proporcionar a cada usurio de energia a tenso do equipamento utilizado. Quase todo equipamento utilizado projetado para uso em tenso terminal definida particular; a tenso da planta ou indicada. economicamente impossvel proporcionar a cada consumidor individual de um sistema eltrico uma tenso de utilizao constante correspondente tenso indicada dos dispositivos de utilizao. Quedas de tenso acontecem em cada parte do sistema de potncia, da fonte at entrada de servio do consumidor. A queda de tenso proporcional magnitude e ao ngulo de fase da corrente da carga que circula atravs de todo o sistema de potncia. Isso essencialmente significa que o consumidor situado eletricamente mais prximo da fonte receberia uma tenso mais alta do que o consumidor mais distante. A regulao de tenso do sistema essencialmente no mais do que a manuteno da tenso na entrada de servio do consumidor dentro de limites permitidos,atravs do uso de equipamentos de controle de tenso em pontos estratgicos dentro do sistema. Na operao de sistemas de transmisso de potncia os problemas de tenso/potncia reativa podem ocorrer a qualquer momento devido a contingncias e/ou alteraes na demanda. Portanto so necessrias decises de controle adequadas em um perodo de tempo relativamente pequeno para melhorar o estado de operao de modo a no comprometer a segurana e a confiabilidade do sistema eltrico. Algumas destas situaes podem exigir solues baseadas em conhecimento especficos dos operadores .Esse tipo de conhecimento tem origem na experincia prtica operacional adquirida