*Departamento de Engenharia de Linhas de Transmissão – ER/LTAv. Barbacena, 1200 - Belo Horizonte - Minas Gerais - Brasil - CEP 30.970-123Fone: 55 031 349-3382 Fax: 55 031 349-3791 - e-mail: caxandre@cemig.com.br

GLT/004

21 a 26 de Outubro de 2001Campinas - São Paulo - Brasil

GRUPO IIIGRUPO DE ESTUDOS DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

Aplicação de Tecnologias de Monitoramento em Tempo Real para Aumentar a Capacidade deTransmissão em LTs Aéreas.

Carlos Alexandre M. do Nascimento* Edino B. Giudice Gernan GuimarãesAnderson Fleming de Souza Renato Mauricio Carvalho Osvaldo Campos Filho

COMPANHIA ENERGÉTICA DE MINAS – CEMIG

RESUMO

O objetivo desse trabalho é demonstrar os resultadosobtidos com o projeto de P&D do programa deeficiência energética - Procel/Aneel, que é aplicado àslinhas aéreas de transmissão e está baseado nomonitoramento de condições físicas dos cabos aéreos,tais como: temperatura do cabo, tensão mecânica deesticamento e altura cabo-solo[1].

Palavras-chave: Linhas de Transmissão,Monitoramento em Tempo Real, Recapacitação deLTs e Automação.

1 - INTRODUÇÃO

A partir do monitoramento em tempo real dascondições operativas das LTs aéreas, objetivando omonitoramento da altura cabo-solo, que é a variávelmais crítica para a operação das LTs, é possível operaro sistema com informações precisas de campo.

As informações do monitoramento são transmitidas emtempo real, através de sistemas de telecomunicações eprocessadas em um centro de processamento, onde osdados são armazenados e disponibilizados. Através dealgoritmos específicos as informações sãodisponibilizadas para as equipes que executam odespacho de carga em tempo real, auxiliando natomada de decisão para buscar maximizar o nível decarregamento das LTs.

Os desligamentos indesejáveis, corte de carga deconsumidores, também podem ser melhor avaliados asua real necessidade de execução.

O aumento no nível de carregamento das LTs aéreascurtas, em até 30% do valor máximo admissível, estásendo possível de ser aplicado com a utilização dessatecnologia[2]. Deste modo, esse trabalho mostra oprincipio de funcionamento dos sistemas demonitoramento, as suas vantagens e desvantagens,principais aplicações comparando-as entre os trêssistemas distintos de monitoramento em tempo real,que foram adquiridos pela CEMIG.

Desde 1980, a CEMIG vem desenvolvendo suacapacitação na tecnologia de monitoramento em temporeal para LTs. Em 1991, uma LT Experimental - NovaLima-Bonsucesso foi energizada com a utilização dosistema de monitoramento Power Donut ficando pormais de mais de 8 anos em operação[3]. Com asinformações e o know-how adquiridos na LTExperimental a engenharia de LTs começou a utilizarcomercialmente os sistemas de monitoramento, quesão também são úteis para aferição das metodologiasde calculo de carregamento elétrico utilizando as sérieshistóricas e em tempo real. Com as informações demonitoramento, as equipes de projeto, planejamento,operação e manutenção podem atuar de formaotimizada e mais segura na exploração máxima docarregamento de LTs.

A partir de 1998/99 a Agencia Nacional de EnergiaElétrica – ANEEL regulamentou o Programa Anual deCombate ao Desperdício de Energia Elétrica –PROCEL/99 e o projeto “Aplicação de tecnologia demonitoramento em tempo real para aumentar acapacidade de transmissão em LTs aéreas” foiexecutado, que é tema o desse informe técnico.

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2 - SISTEMA POWER DONUT – MEDIÇÃO DATEMPERATURA DE CABO AÉREO

O sistema Power Donut trabalha com a grandeza físicada temperatura de operação de cabo aéreo utilizado emLinhas Aéreas de Transmissão. O objetivo é encontrara altura cabo-solo de uma LT a partir da variáveltemperatura de operação dos cabos aéreos[4,5].

O sistema funciona através de um termômetro decontato instalado no cabo, capaz de monitorar atemperatura de operação e outro sensor para medir acorrente, utilizando sistema de comunicação de dados,para disponibilizar as informações em tempo real nasáreas afins. A Figura 2.1 mostra um diagramasimplificado de uma aplicação da tecnologiamonitoramento Power Donut.

O sistema é composto por quatro subsistemas, sistemade sensores, sistema de energia, sistema decomunicação e sistema computacional. A integraçãodos quatro subsistema proporciona a disponibilizaçãodas informações em tempo real.

Os sensores utilizados pelo sistema Power Donut são:o sensor de temperatura e o sensor de corrente. Essasinformações da linha são simultaneamente coletadas.A Figura 2.2 mostra um sensor Power Donut.

O sistema de comunicação entre o sensor e a estaçãoterrestre é feito via radio FM e da estação até o centrode processamento é feita através de canal dedicado decomunicação de dados.

O sistema computacional é responsável por todas asinformações que entram e saem do sistema PowerDonut. As informações são processadas localmente ouà distancia através de algoritmos de visualização dosdados em tempo real e programação das variáveis demedição. A Figura 2.3 mostra a estação Power Donutsendo programada.

O sensor Power Donut é instalado em pontos da linhaem que normalmente não possuem alimentaçãocomercial de 127 Vac. Deste modo, o sistema foiconcebido para utilizar a própria energia dos cabosaéreos através de uma bobina de corrente que alimentabaterias recarregáveis. A utilização do potencial dalinha como fonte de energia proporciona facilidade deoperação e instalação do sistema de monitoramento. AFigura 2.4 mostra uma instalação do sensor sendorealizada em linha viva.

FIGURA 2.1 – Diagrama Simplificado de um Sistemade Monitoramento

FIGURA 2.2 – Sensor de Temperatura e Corrente

FIGURA 2.3 – Estação Local Remota – Power Donut

FIGURA 2.4 – Instalação do Sensor Power Donut naLT Neves 1-2, 138 kV

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3 - SISTEMA CAT1 – MEDIÇÃO DA TENSÃOMECÂNICA DE ESTICAMENTO DOTRAMO

O sistema CAT1 trabalha com a grandeza física datensão mecânica de esticamento de cabo aéreo de LTsaéreas. O objetivo é encontrar a altura cabo-solo deuma LT a partir da variável de esticamento mecânicodos cabos aéreos de LTs[6]. O sistema funcionaatravés de uma célula de carga inserida entre o cabo ea estrutura da LT, capaz de monitora a tensãomecânica de esticamento do cabo no tramo, utilizandosistema de comunicação local e à distancia, paradisponibilizar essas informações em tempo real nasáreas afins. As Figuras 3.1 e 3.2 mostram o sensor decarga e uma instalação na LT.

O sistema é composto por quatro subsistemas, sistemade sensores, sistema de energia, sistema decomunicação e sistema computacional paraarmazenamento e análise e dos dados. A integraçãodos quatro subsistema proporciona a disponibilizaçãodas informações em tempo real.

Os sensores utilizados pelo sistema CAT1 são: osensor de carga, o sensor de temperatura ambiente e osensor de simulação do cabo (medição da influenciadas variáveis ambientais no cabo). O sistema CAT1 éinstalado em pontos da linha em que normalmente nãopossuem alimentação comercial em 127 Vac. Destemodo, o sistema foi concebido para utilizar bateriastipo automotivas de 12 V recarregáveis através deplaca de painel solar. A utilização do sistema deenergia solar possibilita isolar os sensores e outrosequipamentos eletrônicos de possíveis fontes de surtoselétricos e eletromagnéticos, como descargasatmosféricas ou surtos na LT. A Figura 3.3 mostra aestação remota local do CAT1 instalada na LT Neves1-2, 138 kV.

O sistema de comunicação é subdivido em doissubsistemas. O primeiro sistema é o local remoto, quetransmite as informações, via radio, da estação remotalocal até a subestação de coleta dos dados. O segundosubsistema é sub remota de automação instalada emuma estação de transformação do sistema elétrico paraintegrar os protocolos de comunicações existentesentre os sistemas CAT1 e remota de automação RTU-200 ABB. A Figura 3.4 mostra a integraçãoconstrutiva entre as remotas CAT1 e Harris na SENeves 2, que juntas formam uma subremota da RTU-200 ABB existente na SE[7].

O sistema é controlado por algoritmos que gerenciame a visualização dos dados e predições decarregamento em tempo real.

FIGURA 3.1 – Sensor de Carga

FIGURA 3.2 – Instalação do Sensor de Carga

FIGURA 3.3 – Detalhe da Instalação do CAT1 naEstrutura 34 da LT Neves 1-2, 138 kV

FIGURA 3.4 – Sub Remota - CAT1/Harris

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4 - SISTEMA SONAR – MEDIÇÃO DAALTURA CABO-SOLO

O sistema SONAR trabalha com a grandeza física daaltura cabo-solo. O sistema funciona através de umatrena eletrônica, que mede a distância entre doisobstáculos. Os dados são armazenados em umMicrogger e utiliza um sistema de comunicação viatelefonia celular programado para realizar e receberchamadas para acesso do base dados em tempo real[5].

Da mesma forma que o sistema Power Donut e CAT1o sistema Sonar é composto por quatro subsistemas,sistema de sensores, sistema de energia, sistema decomunicação e sistema computacional.

A Figura 4.1 mostra um sensor XPS40, que através deuma onda sonora mede com precisão a altura cabo-solo. O sistema ainda, utiliza dois sensores, demedição da temperatura ambiente no local da mediçãoe outro para medir a temperatura de operação dosequipamentos na estação remota local.

O sistema Sonar é instalado em pontos da linha em quenormalmente não possuem alimentação comercial em127 Vac. Deste modo, o sistema foi concebido parautilizar baterias do tipo automotivas de 12 Vrecarregáveis através de placa de painel solar. Autilização do sistema de energia solar possibilita isolaros sensores e outros equipamentos eletrônicos depossíveis fontes de surtos elétricos e eletromagnéticos,como descargas atmosféricas ou surtos na LT. AFigura 4.2 mostra a estação remota local do Sonarsendo montada em laboratório.

O sistema Sonar é de fácil instalação porque nãopossui equipamentos instalados diretamente nopotencial da Linha. A Figura 4.3 mostra a instalaçãorealizada na LT Neves 1-2, 138 kV

O sistema de comunicação é composto por um telefonecelular acoplado a um modem que fica na estaçãoremota local de armazenamento dos dados, onde abase de dados pode ser acessada de qualquer lugaratravés de uma linha comercial discada ou dedicada.Na central de processamento uma linha telefônicabusca automaticamente os dados em tempo real. AFigura 4.4 mostra o telefone celular analógicoutilizado para comunicação dos dados.

O sistema computacional é responsável pela conexão eprocessamento dos dados. O sistema utiliza algoritmosque gerenciam deste a conexão até o armazenamentodas informações em uma base de dados relacional paradisponibilizar em rede corporativa e em tempo real.

FIGURA 4.1 – Sensor Sonar XPS-40

FIGURA 4.2 – Montagem do Sistema SONAR

FIGURA 4.3 – Instalação do Sistema SONAR

FIGURA 4.4 – Sistema de Comunicação Celular

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5 - CENTRO DE MONITORAMENTO EMTEMPO REAL DE LTs

Para receber e processar as informações recebidas dossistemas de monitoramento remoto foi criado umcentro informatizado para monitoramento de LTs, noedifício Sede da CEMIG. Esse centro foi desenvolvidocom o objetivo de realizar a supervisão dos dadosadquiridos em tempo real, através de linhas telefônicaspara comunicação centro e estações remotas. Os dadossão armazenados e enviados para uma rede local queestá integrada a uma rede corporativa decomputadores. A Figura 5.1 mostra a instalação físicado centro de processamento.

Dois sistemas supervisorios um para o CAT1 e outropara o SONAR foram desenvolvidos para operar nocentro de monitoramento. Esses sistemas trabalham emplataforma computacional Unix e Windows,comunicam com a UTR através de placas decomunicações de dados ligadas a linha telefônicautilizando modem.

FIGURA 5.1 – Centro de Monitoramento em TempoReal de LTs

6 - COMPARAÇÕES ENTRE ASTECNOLOGIAS DE MONITORAMENTODE LTs

A Tabela 6.1 demonstra os custos básicos paraaquisição e instalação do primeiro conjunto de cadatecnologia de monitoramento de LTs. A primeiraaquisição é mais onerosa devido a aquisição da licençade uso dos algoritmos e os custos envolvidos com aengenharia de automação e treinamento associada àstecnologias. Para a expansão dos sistemas demonitoramento de LTs vários custos dedesenvolvimento dos projetos e da instalação físicanão incluem mais na planilha dos custos básicos.

TABELA 6.1 – Relação dos custos básicos paraaquisição das tecnologias de monitoramento

Sistema Material Preço

CAT-Unit US$ 22.400,00CAT-PAC US$ 14.800,00Sensor US$ 3.500,00Licença do software US $ 5.500,00Assistência Técnica US$ 3.800,00

CAT1Equipamentos e Projetos

Projetos Associados US$ 40.000,00Total ............ US $ 90.000,00

Estação remota US$ 12.000,00Sensor US$ 8.100,00Kit Manutenção US$ 500,00Kit Instalação US$ 200,00

Power DonutEquipamentos e Projetos

Projetos Associados US$ 12.000,00Total ............ US $ 32.800,00

Conjunto deEquipamentos

US$ 44.000,00

Licença do software US$ 15.000,00

SONAREquipamentos e Projetos

Projetos Associados US$ 27.000,00Total ............ US$ 86.000,00

Cada sistema de monitoramento possui uma aplicaçãomais adequada apesar de todos serem aplicados para omesmo objetivo, aumentar a capacidade detransmissão de LT aérea. Os custos envolvidos emcada tecnologia se diferem principalmente pelas suascaracterísticas construtivas e operativas, queproporcionam a cada tecnologia aplicações ecaracterísticas operacionais diferentes.

A CEMIG já utiliza o sistema Power Donut por maisde 9 anos e é um sistema que possui uma tecnologiabastante conhecida no setor elétrico mundial. Suatecnologia é perfeitamente aplicável devido as suascaracterísticas de custo e tempo reduzido parainstalação e operação, mas o sistema ainda não possuitodas características para controle em um sistemasupervisor, que por exemplo no sistema CAT1 já estádisponível.

O CAT1 é um dos sistema que mais estão sendoutilizados e comercializados nos Países de 1° mundodevido a suas características construtivas e comerciais.O fabricante disponibilizou um sistema demonitoramento com todas as necessidades operativaspara o controle de supervisão, alarmes e algoritmos depredição de carregamento, bem como a adaptação aosequipamentos e sistemas existentes das subestações.

O Sonar é tecnicamente um sistema bastante precisodevido a sua concepção de medição direta da alturacabo-solo. Sua versatilidade está voltada para acomunicação celular móvel, que facilita muito ainstalação da rede de comunicação entre ossubsistemas da tecnologia de monitoramento.

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7 - CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A título de exemplo é mostrado na Figura 7.1 um diatípico do monitoramento na LT Neves 1-2, 138 kVcom informações dos três sistemas. Os dados que estãosendo disponibilizados em tempo real para as equipesde projeto, operação, planejamento e manutenção dosistema são as janelas dos limites das variáveis deprojeto, uma vez que estão sendo monitorados asvariáveis que permitem encontrar com precisão aaltura cabo-solo em três pontos distintos na LT. Oproduto final da tecnologia de monitoramento é aconversão das informações de campo em capacidadede transmissão, potencia disponível em tempo real,onde algoritmos de predição e alarme estão sendoimplementados.

Com a base de dados, que está sendo coletada na LTNeves 1-2, 138 kV, a engenharia de monitoramento deLTs vai continuar os estudos e pesquisas nessatecnologia.

Até o presente momento, as pesquisas e aplicações dastecnologias de monitoramento, estão obtendoresultados satisfatórios e observá-se que existemaplicações para os três sistemas de monitoramento deLTs que foram testados, tais como: Aumento na ofertade energia, monitoramento de áreas invadidas,postergar obrar de recapacitação e ferramenta de P&Dpara os procedimento de projetos de LTs.

8 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] - Nascimento, C.A.M. - Aplicação de Tecnologiasde Monitoramento em Tempo Real para Aumentar aCapacidade de Transmissão em LTs Aéreas.–Procel/Aneel – CEMIG – Ciclo 98/99.[2] – T. Seppa - Accurate Ampacity Determination:Temperature-Sag Model for Operational Real-TimeRatings', IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.10 No. 3, July 1995, pp 1460-1470 incl. discussionsby Morgan, Douglass and White.[3] – Furtado, T.A. - Carregamento elétrico de linhasaéreas de transmissão, informações coletadas na LTExperimental Bonsucesso - Nova lima. XIII – ERLAC– Foz do Iguaçu-1997[4] – V.T. Morgan, The Real-Time Heat Balance forOverhead Conductors', presented at Seminar on Real-Time Ratings of Overhead Conductors, May 21, 1986,Atlanta, Georgia.[5] - O. Nigol and J.S. Barrett - Development of anAccurate Model of ACSR Conductors for CalculatingSags at High Temperatures, Canadian ElectricalAssociation Report 78-93.

[6] - J.S. Barrett, P. Ralston and O. Nigol, MechanicalBehaviour of ACSR Conductors', Paper 22-09, CIGREConference Proc., 29th session, Vol. 1, Group 22,Paris, September 1982, p. 41

Curva de Carga - Power Donut

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Horário (hh)

Corr

ente

(A

)

I1 I2

Power Donut

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Horário (hh)

Te

mp

era

tura

(°C

)

T1 T2 T5

Sistema Sonar

10

11

12

13

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Horário (hh)

Altu

ra C

ab

o-S

olo

(m

)

Altura

Sistema CAT1

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Horário (hh)

Te

nsã

o M

ecâ

nic

a (

kgf)

Tensão de Esticamento

FIGURA 7.1 – Informações do dia 02/03/01