Sra ohara sra_2009_self-healing_s&c

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

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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

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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

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

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

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.

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

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
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

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
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

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;
Viper, de fabricação G&W;
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:

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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

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
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
de sofre interrupções, com 1.519 clientes x
redução de 14.7% no DEC e 12.5% no FEC.
c. Etapa 4 e 5- 2007
de sofre interrupções, com 3.079 clientes x
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
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

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