Sra ohara sra_2009_self-healing_s&c

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Sra ohara sra_2009_self-healing_s&c

  1. 1. COMISSÃO DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA REGIONAL COMITÊ NACIONAL BRASIL VI CIERTEC 2009 Seminário Internacional sobre Smart Grid em Sistemas de Distribuição e Transmissão de Energia Elétrica Área: Distribuição Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil – Outubro de 2009 SISTEMA DE RECOMPOSIÇÃO AUTOMÁTICA DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO – A APLICAÇÃO DO CONCEITO DE SELF-HEALING Curitiba, 14 de maio de 2009 Soluções tecnológicas de mercado e tendências da tecnologia em relação à automação de redes de distribuição. ALEXANDRE TAIJUN OHARA S&C ELECTRIC DO BRASIL LTDA PALAVRAS-CHAVE: Self-Healing; Auto-Recomposição; Localização de falta; DADOS DO AUTOR RESPONSÁVEL Endereço: Rua Ana Berta Roskamp, 1149 – casa 9 – Curitiba - PR Código Postal: 81530-250 Telefone: 41 – 3365-7524 Fax: E-Mail: aohara@sandc.com.br I. RESUMO Este trabalho tem como objetivo demonstrar a aplicação do conceito de SELF HEALING nas redes de distribuição, através do uso do sistema de Recomposição Automática. Serão descritos os princípios de operação do sistema, as características técnicas dos equipamentos que o compõem, os ganhos em confiabilidade, as experiências já realizadas em sua aplicação e os resultados que elas trouxeram às concessionárias de energia. II. INTRODUÇÃO Dentre as várias características que uma rede Smart Grid deve apresentar, o conceito de Self-Healing, ou auto-recuperação, embora pouco aplicado e discutido atualmente, é uma DADOS DA INSTITUIÇÃO S&C Electric do Brasil LTDA Endereço: Rua Francisco Alves de Lima, 71 – São José dos Pinhais-PR Código Postal: 83.015-510 Telefone: 41-3382-6481 Fax: 41-3383-2026 das mais importantes e fundamentais para que uma rede seja considerada inteligente. Segundo o DOE (Department of Energy – USA), o conceito de Self Healing refere-se à capacidade da rede de, frente a um disturbio: - Isolar o problema; - Reduzir ao máximo o número de clientes afetados; - Retornar ao seu estado normal Tais ações devem ocorrer com a menor ou nenhuma intervenção humana. O objetivo de tais ações é minimizar o impacto de um evento ao menor número de clientes possível. O sistema de recomposição automática Intelliteam II demonstra ser a solução que melhor auxilia as concessionárias de energia a 1
  2. 2. atingir os objetivos de uma rede Self Healing. Através de controladores de equipamentos de manobras para redes de distribuição, podendo ser chaves tripolares sob carga ou religadores, que comunicam entre si de forma constante, na ocorrência de uma falta o sistema automaticamente identifica o trecho em falta, isola-o e recompõe o maior número de clientes possíveis através de fontes alternativas de energia. III. PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO O Sistema de Recomposição Automática Intelliteam tem como objetivo: - Isolar a falta; - Recompor o sistema nos trechos sem falta; A. Isolamento da falta O isolamento da falta ocorrerá de formas distintas na aplicação do controlador em um religador ou em uma chave. No caso de um religador, se a falta ocorrer após o mesmo, este será responsável por abrir a falta e isolá-la. Se for utilizada chave sob carga, o controlador irá detectar a sobrecorrente caso a falta ocorra após a chave, porém irá aguardar a ação do disjuntor do alimentador. Quando o controlador da chave detectar uma sobrecorrente e uma falta de tensão posterior, indicando a abertura do disjuntor da subestação, ele irá comandar a abertura da chave no tempo morto do disjuntor, evitando que a chave sob carga abra corrente de falta para a qual ela não está dimensionada. As ações de isolamento da falta ocorrem de forma independente dos demais membros do sistema. B. Recomposição Automática do Sistema A partir do isolamento da falta, cada controlador irá enviar as informações detectadas referente ao evento aos demais controladores. Juntando as informações dos controladores subjacentes, cada controlador 2 tomará a decisão de fechar o religador ou chave sob carga, restabelecendo a tensão no trecho. Esta decisão será tomada de acordo com as seguintes condições: - A falta não deve estar no trecho recomposto; - O trecho a ser recomposto não deve sobrecarregar o alimentador para o qual será transferido; Caso a recomposição venha a trazer sobrecarga a um alimentador, se houver um outro alimentador alternativo para realizar esta recomposição o sistema irá fechar a chave conectada a este alimentador. C. Sistema Exemplo Para melhor ilustrar a operação do Sistema de Recomposição Automática Intelliteam, será utilizado o sistema da figura 1 como exemplo. Este sistema é constituido de 12 chaves sob carga (A a M) motorizadas, com sensores de tensão e corrente, e controlador microprocessado com o sistema Intelliteam. Quatro alimentadores (SUB1, SUB2, SUB3 e SUB4), dotados de disjuntores na subestação com lógica de religamento, servem o sistema, sendo que SUB2 atende ao trecho em verde, SUB3 ao trecho em laranja, SUB4 ao trecho em azul e SUB1 serve como alternativa. Fig. 1 – Sistema exemplo em sua configuração normal Considerando uma falta ocorrida entre as chaves A,B,C, como ilustra a figura 2, como são chaves sob carga, sem capacidade de
  3. 3. interrupção de falta, quem irá interromper a falta será o disjuntor da subestação 4, deixando todo o trecho em azul desligado. . Fig. 3 – Chaves J e F decidem fechar Fig. 2 – Falta entre as chaves A,B e C Após detectar a falta de tensão, as chaves A,B, C, D e E irão abrir, seguindo a premissa de isolar a falta em primeiro. Imediatamente haverá a troca de informações entre os controladores, quando serão passados os dados que cada controlador detectou (ausência de tensão, detecção de falta, posição da chave). Inicia-se então o processo de recomposição automática. O controlador da chave J, com as informações do controlador da chave D, saberá que o trecho entre eles está desligado, e que D não detectou falta de sobrecorrente, logo a falta não está neste trecho. A conclusão é que poderá restabelecê-lo através do alimentador SUB4, e então, fechará. A chave F receberá informações das chaves D, E e C, e tomará a mesma decisão, restabelecendo pelo alimentador SUB2 este trecho, conforme figura 3. Após estas recomposições, as chaves K e E irão detectar o retorno da tensão. A chave K receberá a informação de B, decidindo por restabelecer este trecho por SUB3. A chave E receberá também informações de C,D e F, e também tomará a decisão de fechar. As chaves B e C receberão a informação de que a chave A detectou sobrecorrente, logo, a falta encontra-se entre eles e nenhuma delas tomará a decisão de fechar, mantendo o sistema como na figura 4. Fig. 4 – Sistema após a reconfiguração automática Desta forma, o sistema foi recomposto de forma autônoma, sem intervenção do operador ou do Sistema SCADA, o que vai de encontro ao conceito de Self Healing. Importante salientar que, para um sistema com esta quantidade de equipamentos, o tempo 3
  4. 4. estimado para que esta recomposição venha a ocorrer é de 26 segundos, inferior aos 3 minutos necessários para que a ANEEL contabilize a falta nos índices DEC e FEC. Se for considerado que um despachante no Centro de Operações levaria pelo menos 30 minutos para efetuar as manobras de isolamento e recomposição da falta, o Sistema de Recomposição Automática estaria reduzindo os registro em índices de DEC e FEC a somente os consumidores do trecho entre A,B e C, enquanto que a atuação manual, mesmo que remota feita pelo despachante, ocasionaria em registros em todo o trecho alimentado por SUB4. IV. IMPLEMENTAÇÃO A primeira forma de implementação do Sistema de Recomposição Automática Intelliteam é através de módulos microprocessados chamados UIM(Universal Intelliteam Module), a serem instalados em controladores de chaves sob carga ou religadores. Esses controladores devem ter os seguintes requisitos mínimos: - Porta RS-232 com protocolo DNP 3.0; - Leitura analógica de tensão e corrente; - Ponto de estado digital para a detecção de falta; Desta forma, o Sistema de Recomposição Automática permite sua implementação em equipamentos de vários fabricantes, uma vez que o protocolo DNP 3.0 vem a ser hoje o mais utilizado nas redes de distribuição, e também considerá-lo um sistema de arquitetura aberta, um dos requisitos para que esteja em conformidade com o conceito de Smart Grid. Um exemplo de instalação do módulo UIM em um religador da NULEC pode ser visto na figura 5. 4 Figura 5 – Módulo UIM instalado em controlador CAPM5 da NULEC O módulo UIM possui porta serial RS-232 para comunicação com o controlador da chave ou religador. Através desta porta, o módulo extrai constantemente todas as informações coletadas por este controlador. Outra porta serial é utilizada para a conexão do módulo de comunicação com os outros módulos do sistema, e é através dela que o controlador disponibiliza as informações deste controlador para os demais módulos e recebe as informações provenientes destes. A arquitetura de comunicação do Sistema é abordada no item V. Na ocorrência de uma ausência de tensão, o módulo irá analisar o evento e, de acordo com sua configuração (tempo de espera, quantidade de religamentos), comandará a abertura do equipamento através da comunicação com o controlador, de forma a isolar a falta. Imediatamente, irá enviar mensagem para os demais controladores informando o que foi detectado (ausência de tensão, detecção de falta se aplicável)e irá receber as informações dos demais módulos, e levando em consideração ao que foi configurado, em conjunto com os demais módulos será decidido qual equipamento deverá fechar ou não.
  5. 5. Uma terceira porta serial frontal é utilizada para a configuração do módulo. Esta configuração é feita através de um software compatível com sistema operacional Windows. Através deste software, é possível configurar todos os parâmetros referentes à comunicação com o controlador, comunicação com os demais equipamentos e configurações de isolamento e recomposição automática. No que diz respeito à comunicação com o controlador, é possível configurar o mapa de pontos DNP 3.0, de forma a ajustar a leitura dos dados provenientes do controlador à lógica de atuação do módulo Intelliteam. Uma das telas de configuração da comunicação com o controlador é vista na figura 6. A configuração da recomposição automática, por outro lado, permite: - Configurar os equipamentos pertencentes ao trecho em que o módulo está instalado; - Definir qual a posição normal de cada equipamento (Normalmente Fechado/Aberto); - Para os equipamentos Normalmente Abertos, pode se definir um limite de carga para o qual é permitido transferir para o alimentador ao qual o equipamento está interligado; - Configurar prioridades de alimentadores alternativos, caso uma trasferência seja necessária; - Definir o retorno ao Normal após o conserto da falta, e se este retorno deve ocorrer de forma paralela ou não; A tela de configuração da Recomposição Automática é visualizada na figura 7. Figura 6 – Tela da configuração dos estados provenientes do controlador A configuração da lógica de isolamento permite: - Ajustar o tempo de ausência de tensão ao qual o módulo aguardará para iniciar o isolamento, caso o disjuntor da subestação não possua religamento; - Ajustar a quantidade de religamentos que o sistema deverá aguardar antes de iniciar o isolamento, caso o disjuntor da subestação não tenha religamento configurado; - Definir bloqueio ou não de religamento, caso o equipamento pertencente ao sistema seja Religador Figura 7: Tela de configuração da Recomposição automática. Outras formas de implementação são fornecidas pela S&C Electric, desenvolvedora do sistema Intelliteam. O conjunto controlador 5801+chave sob carga Scada Mate CX é a solução completa fornecida pela S&C para chaves sob carga. A chave tripolar sob carga Scada Mate CX possui sensores de tensão e corrente já compatíveis com o controlador 5801, este microprocessado e com o Sistema de Recomposição Automática Intelliteam implementado. 5
  6. 6. Figura 7. Chave Scada Mate CX e controlador 5801 Outra forma de implementação do Intelliteam é o Religador de Pulso Intellirupter, também desenvolvido pela S&C Electric, que, entre outras funcionalidades, possui uma tecnologia nova de verificar a presença de falta através de pulso, configuração via Wi Fi e sistema de Recomposição Automática Intelliteam II já implementado em seu controlador. de comunicação deve ser do tipo Peer-to-Peer, onde cada módulo deverá ter acesso a informação a qualquer um dos outros módulos pertencentes ao sistema. Na prática, dois sistemas apresentam a confiabilidade e a disponibilidade necessária para o perfeito funcionamento do sistema. A primeira alternativa de comunicação entre os módulos é a rede de Rádios SpeedNet, que é fornecido como opcional com cada UIM. Trabalhando na frequência livre de licença da Anatel em 902-928MHz, os rádios podem transmitir a uma velocidade de 650 kBPS com latência de 6 a 12ms. Os rádios formam uma rede do tipo Peer-toPeer, através de endereços IP para cada rádio, que criam suas tabelas de rotas dinamicamente, ou seja, caso algum rádio venha a falhar, automaticamente o sistema criará rotas alternativas. A topologia da comunicação é apresentada na figura 9. Figura 8. Religador de Pulso Intellirupter V. SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO A. Comunicação entre módulos O Sistema de Recomposição Automática depende da troca intensa de informações entre os módulos, e, portanto, o sistema de comunicação deve ser rápido e confiável. Vários meios de comunicação podem ser utilizados, uma vez que o canal de comunicação disponibilizado para o sistema é uma porta serial RS-232. Porém, a topologia 6 Fig. 9 – Topologia de Comunicação com Rádio SpeedNet A segunda alternativa de comunicação entre equipamentos é a fibra ótica, que mantém a confiabilidade, a velocidade e a disponibilidade de comunicação em níveis extremamente altos. Neste caso, a topologia será do tipo Ponto-a-Ponto em Anel, conforme
  7. 7. a figura 10. Cada controlador deverá ter 2 modems fibra-ótica/RS-232, sendo que os dois controladores das pontas somente precisam de 1 modem. Como os controladores têm capacidade de direcionar mensagens, um controlador pode enviar mensagens através desta rede para qualquer outro. Figura 10 – topologia com comunicação através de Fibra ótica Para a comunicação com o sistema SCADA, cada módulo UIM possui uma porta RS-232 em DNP 3.0 para a comunicação com este sistema, permitindo ao sistema SCADA aquisitar os dados do equipamento e do próprio sistema. A vantagem do sistema Intelliteam é que um dos módulos pode funcionar como gateway, ou seja, através de somente um módulo, o sistema SCADA terá disponibilidade de adquirir informações de qualquer outro módulo do sistema, reduzindo o número de canais de comunicação necessários para supervisionar os equipamentos. Um diagrama da topologia com o sistema SCADA pode ser visto na figura 11. Figura 11 – Topologia de comunicação com Scada VI. APLICAÇÕES DO SISTEMA DE RECOMPOSIÇÃO AUTOMÁTICA EM PROJETOS SMART GRID O Sistema de Recomposição Automática Intelliteam é existente desde 1996, em sua versão original para apenas dois alimentadores. Após várias evoluções do sistema, hoje é considerada a única solução verdadeira em Self Healing conforme os conceitos do Smart Grid por ser um sistema de Recomposição Automática com: - Inteligência Distribuida: O sistema não depende somente de um sistema supervisório central. Os controladores formam uma rede de troca de informações e suas decisões são independentes de um sistema central; - Arquitetura Aberta – pode ser aplicável a equipamentos de vários fornecedores; - Expansível – Para incluir um novo equipamento no sistema, basta implementar um módulo e configurar somente os módulos dos equipamentos que ficarão no mesmo trecho ao qual este será instalado. Não é necessário configurar lógicas. - Permite Monitoramento e Operação– Mesmo que não necessária, a comunicação com o sistema SCADA através do protocolo DNP 3.0 7
  8. 8. é suportável, e o uso do sistema Intelliteam a simplifica, uma vez que somente um canal de comunicação é necessário para a comunicação com todos os módulos do sistema; Atualmente o sistema de Recomposição Intelliteam é utilizado pelas grandes concessionárias dos Estados Unidos e Canadá, e é o sistema de recomposição automática mais utilizado nas Américas. Vários projetos no Canadá e nos Estados Unidos referentes ao Smart Grid utilizaram o sistema de recomposição Intelliteam para aplicar o conceito Self Healing. Dentre estes, será abordado dois projetos: GridWise na Concessionária Georgia Power e a EnMax, em Calgary. - Instalação de módulos UIM para os 8 relés dos disjuntores da subestação, modelo SEL351 da Schweitzer Engineer Labs; - Instalação de módulos UIM para 12 religadores U27, de fabricação da NULEC - Instalação de módulos UIM em 4 religadores NOVA, de fabricação da COOPER Power; - Instalação de módulos UIM em 2 religadores Viper, de fabricação G&W; - Instalação de módulos UIM em 2 religadores W&B, fabricados pela Wipp and Borne; - Integração ao sistema de Recomposição Automática de 10 chaves Scada Mate com controlador 5801, fabricados pela própria S&C; - Integração ao sistema de uma chave Pad Mounted, para distribuição subterrânea, com controlador 5801 fabricados pela própria S&C; A. GridWise Project – Georgia Power A concessionária de energia Georgia Power atende 2.5 milhões de consumidores em 155 cidades do estado da Georgia, Estados Unidos. Em 2008 eles iniciaram o projeto GridWise, para implementação da rede Smart Grid, com os seguintes objetivos: - Implementar AMI usando Radios UtiliNet para DA, SCADA, - Implementar “Self Healing” usando IntelliTEAM II - Demonstrar automação integrada da maioria dos alimentadores com vários fornecedores (Disjuntores/ Religadores / Chaves aéreas / Chaves Pad Mounted para distribuição subterrânea); A Georgia Power escolheu um sistema de distribuição com 8 alimentadores provenientes de 4 subestações, conforme o diagrama unifilar da figura 12. Para a implementação do sistema Intelliteam, o projeto contemplou: 8 Fig. 12 – Unifilar geral da implementação do Intelliteam na Georgia Power O projeto encontra-se em execução desde 2008. B. EnMAx Project A concessionária de energia EnMAX Power, localizada na cidade de Calgary, estado Alberta, Canadá. Em 2004 foi iniciado um projeto para Automação da Distribuição, com
  9. 9. a implementação do Sistema de recomposição automática Intelliteam II. O projeto foi dividido em 5 etapas: a. Etapa 1- 2004 Implementação do sistema Intelliteam II em 18 alimentadores. Durante o ano de 2004, 11 desligamentos ocorreram nestes alimentadores. Com a implementação do Intelliteam, 6.800 clientes foram evitados de sofre interrupções, com 862 clientes x minutos de redução. Isto resultou em uma redução de 8.6% no DEC e 1.7% no FEC. b. Etapa 2- 2005 Implementação do sistema Intelliteam II em 10 alimentadores. Durante o ano de 2005, 12 desligamentos ocorreram nos alimentadores implementados. 30.800 clientes foram evitados de sofre interrupções, com 987 clientes x minutos de redução. Isto resultou em uma redução de 13% no DEC e 13% no FEC. c. Etapa 3- 2006 Implementação do sistema Intelliteam II em 16 alimentadores. Durante o ano de 2006, 19 desligamentos ocorreram nos alimentadores implementados. 30.800 clientes foram evitados de sofre interrupções, com 1.519 clientes x minutos de redução. Isto resultou em uma redução de 14.7% no DEC e 12.5% no FEC. c. Etapa 4 e 5- 2007 Implementação do sistema Intelliteam II em 22 alimentadores. Durante o ano de 2007, 50 desligamentos ocorreram nos alimentadores implementados. 21.000 clientes foram evitados de sofre interrupções, com 3.079 clientes x minutos de redução. Isto resultou em uma redução de 18% no DEC e 5.7% no FEC. O resultado final da implementação do Sistema de Recomposição Automática Intelliteam II em 66 alimentadores foi de 101.000 clientes com interrupções evitadas, e 7.300,000 clientes x minutos de redução em tempo. VII. CONCLUSÃO O Sistema de Recomposição Automática Intelliteam II é a única solução existente hoje capaz de tornar a rede de distribuição verdadeiramente Self Healing, conforme os conceitos de Smart Grid. Com inteligência distribuida, arquitetura aberta, expansível e integrável ao sistema SCADA, sua aplicação vêm se mostrando bastante eficiente no que diz respeito ao aumento da confiabilidade das redes de distribuição ao longo dos 12 de sistema. VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS a) A System View of the Modern Grid – SELF Heals – DOE – Department Of Energy from United States – www.energy.gov b) Advanced Feeder Automation is Here Douglas M.Stasesky, Dean Craig and Craig Beufus – S&C Electric Co - www.sandc.com c) Embedded Inteligence – Gene Wolf – T&D Magazine article – april 1, 2007 – www.tdworld.com d) Advanced Control of Distribution Circuits – Gene Wolf – T&D Magazine article – January 2, 2007 – www.tdworld.com 9

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