PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE GERADORES SÍNCRONOS: O uso

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  • PROTEO DIFERENCIAL DE GERADORES SNCRONOS: O uso de redes neurais artificiais para

    identificao e correo da saturao dos transformadores de corrente

    Rogrio Cesar Serapio Silva

    So Carlos

    2012

    Orientador: Prof. Tit. Denis Vinicius Coury

    Dissertao de Mestrado apresentada Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Cincias, Programa de Engenharia Eltrica. rea de Concentrao: Sistemas Eltricos de Potncia.

    Orientador: Prof. Tit. Denis Vinicius Coury

    Trata-se da verso corrigida da dissertao. A verso original se encontra disponvel na EESC/USP que aloja o Programade Ps Graduao de Engenharia Eltrica.

  • Ficha catalogrfica preparada pela Seo de Tratamento da Informao do Servio de Biblioteca EESC/USP

    Silva, Rogrio Cesar Serapio. S586p Proteo diferencial de geradores sncronos : o uso de

    redes neurais artificiais para identificao e correo da saturao dos transformadores de corrente. / Rogrio Cesar Serapio Silva ; orientador Denis Vinicius Coury. So Carlos, 2012.

    Dissertao (Mestrado - Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica e rea de Concentrao em Sistemas Eltricos de Potncia)-- Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, 2012.

    1. Redes neurais artificiais. 2. Proteo diferencial. 3. Geradores sncronos. 4. Saturao de transformadores de corrente. I. Ttulo.

  • iv

  • v

    Agradecimentos

    Este trabalho de pesquisa teve a colaborao de diversas pessoas a quem

    gostaria de agradecer mesmo correndo o risco de esquecer algumas delas.

    Agradecimentos especiais devem ser feitos a minha esposa Selma e filhas

    Karen e Carolina, pela compreenso e por todo apoio dado em momentos difceis e

    que forneceram suporte em todas as fases de estudo pelas quais passei.

    Ao meu pai por me ensinar a ter muita fora e garra, mesmo quando nada

    funciona, e por sempre ter me instigado a ir alm. minha me, pelo carinho e por

    sempre estar ao meu lado quando mais precisei.

    Ainda devo agradecer, de forma geral, a todas estas pessoas, pois,

    contriburam para a formao do bem mais precioso que possuo, meu

    conhecimento, em especial aos meus Gerentes da CPFL, Wilson Geraldo Gonalves

    de Aguiar (in memorian), Walter Henrique Bernardelli, Pedro Paulo Derrico,

    Aparecida Maria Rangel Ferreira, alm de a todos os colegas de trabalho que

    sempre me apoiaram nos momentos difceis.

    Seguindo uma linha cronolgica, gostaria de agradecer aos amigos que fiz

    na graduao e que continuam ao meu lado. Dentre estas pessoas, devo ressaltar o

    Eng. Carlos Alberto Tadeu dos Reis Santos, que me ajudou muito no aprendizado

    de projeto eltrico e, tambm, por sempre tentar me mostrar que os problemas

    podem ser visualizados por ngulos diferentes.

    Aos professores de graduao da FEB/Barretos, instituio na qual tive o

    privilgio de adquirir toda base de conhecimentos acadmicos. Em especial, ao

    professor Ms. Nazin Chubaci, pelo auxlio dado desde o perodo da graduao at

    hoje. Ao professor Walter Henrique Bernardelli pelos grandiosos ensinamentos.

    Aos amigos de graduao, Eng. Reginaldo Leopoldino, Eng. Marcio

    Aparecido da Silva, Eng. Fabio Cesar Remiro pelos seis anos bem vividos e que,

    mesmo distantes, ainda mantm contato.

    Agradeo, tambm, aos amigos da CPFL Eng. Alexandre Jos Pires, Eng.

    Marcos Cezar Vilela, Eng. Paulo Jos China e Eng Cntia Beatriz.

    Agradeo, ainda, aos amigos da USP, Eng. Ricardo de Souza Fernandes e

    ao Eng. Renato Machado Monaro, pelo companheirismo e amizade e pela grandiosa

    ajuda neste trabalho de pesquisa.

  • vi

    Ao Prof. Dr. Mrio Oleskovicz, por estar sempre ao meu lado, auxiliando na

    elaborao dos temas realizados nos seminrios referentes s disciplinas Qualidade

    da Energia Eltrica e Proteo de Sistemas Eltricos de Potncia.

    Ao Prof. Dr. Denis Vinicius Coury que, desde o comeo, sempre deu

    liberdade para pesquisar assuntos que fossem de meu interesse, pela grandiosa

    contribuio para a concluso deste trabalho e pela confiana depositada neste

    estudo. Agradeo, ainda, pela orientao acadmica e pelos ensinamentos

    trabalhados nas disciplinas.

    Ao Eng. Murilo da Silva, pela grandiosa ajuda neste trabalho de pesquisa.

    Aos colegas dos demais laboratrios: Eng. Daniel Falconi, Eng. Silvio

    Albuquerque, Eng. Adriano e muitos outros.

    Aos funcionrios da Universidade de So Paulo (USP/EESC/SEL), em

    especial, as secretrias de Ps-Graduao, Marisa Fortulan e Rosane Aranda.

    Escola de Engenharia de So Carlos (EESC/USP) que acolheu este

    trabalho, por meio da destinao de espao fsico e apoio administrativo, traduzindo

    assim, a grandiosidade da instituio e sua viso de futuro.

  • vii

    O vento sopra onde quer, ouves a sua voz, mas no sabes de onde vem, nem

    pr onde vai; assim todo aquele que nascido do Esprito.

    Amm.

    Joo 3, 8

  • viii

  • ix

    RESUMO

    SILVA, R. C. S. (2012). Proteo Diferencial de Geradores Sncronos: o uso de redes neurais artificiais para identificao e correo da saturao dos transformadores de corrente. 109 f. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, 2012.

    Este trabalho tem como objetivo apresentar um algoritmo de proteo diferencial de

    geradores baseado em Redes Neurais Artificiais (RNAs), que seja robusto e

    confivel em situaes onde os algoritmos padres podem apresentar dificuldades,

    como no caso, da saturao de TCs. O algoritmo desenvolvido constitudo por dois

    mdulos principais: a) um mdulo de deteco da saturao dos transformadores de

    corrente (TCs) empregados na proteo diferencial de geradores e; b) um mdulo de

    correo das formas de onda distorcidas devido saturao dos TCs. Os mdulos

    utilizam RNAs para detectar e corrigir situaes onde haja saturao dos TCs, a fim

    de evitar a m operao da proteo diferencial. O algoritmo foi desenvolvido em

    ambiente Matlab e validado com base nos dados da modelagem e simulaes de um

    sistema eltrico utilizando o software Alternative Transients Program (ATP).

    Palavras Chave: Proteo diferencial. Redes neurais artificiais. Geradores sncronos. Saturao dos transformadores de corrente.

  • x

    ABSTRACT

    SILVA, R. C. S. (2012). Differential protection for synchronous generators: the use of artificial neural networks for identification and correction of the saturation of current transformers. 109 f. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, 2012.

    This work has as objective to present an algorithm for differential protection of

    generators based on Artificial Neural Networks (ANN), which is robust and reliable in

    situations where standard algorithms fail, as in the case of Current Transformer (CT)

    saturation. The algorithm developed consists of two main modules: a) a module to

    detect saturation of CTs used in differential protection of generators and; b) module

    to correct distorted waveforms due to CT saturation. The modules use ANNs to

    detect and correct situations where there is saturation of CTs in order to avoid

    misoperation of the differential protection. The algorithm was developed using Matlab

    software and validated based on data modeling and simulations of a power system

    using the Alternative Transients Program (ATP) software.

    Keywords: Differential protection. Artificial neural networks. Power generator. Current transformer saturation.

  • xi

    LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

    A/D Analgico/Digital ANN Artificial Neural Network ATP Alternative Transients Program BPA Bonneville Power Administration EMTP Electromagnetic Transient Program EPRI Eletric Power Research Institute MLP Multi Layer Perceptron RNA Rede Neural Artificial IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers RBF Radial Basis Function TC Transformador de Corrente EQM Erro Quadrtico Mdio LEC Leuven EMTP Center SEP Sistema Eltrico de Potncia CPFL Companhia Paulista de Fora e Luz SEs Subestaes TP Transformador de Potencial TI Transformador de Instrumento RTC Relao de Transformao do TC RTE Relao de Transformao do Equipamento ANSI American National Standart Institute ASA American National Association ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

  • xii

    AC Alternated Current DC Direct Current RMS Root Mean Square TDNN Time Delay Neural Networks ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica CEMIG Companhia Energtica de Minas Gerais LT Linha de Transmisso GT Gerador-Transformador LSEE Laboratrio de Sistemas de Energia Eltrica

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    LISTA DE FIGURAS

    Figura 1.1 Sistema eltrico de potncia ...................................................................2

    Figura 3.1 Exemplos de RTC .................................................................................15

    Figura 3.2 Relao nica x relao mltipla...........................................................15

    Figura 3.3 Curva de excitao do TC.....................................................................17

    Figura 3.4 TC de baixa reatncia ...........................................................................20

    Figura 3.5 TC de alta reatncia ..............................................................................20

    Figura 3.6 TC tipo bucha...............................................