Paludo Paulo Roberto Leite

Universidade de So Paulo

Escola de Engenharia de So Carlos

Departamento de Engenharia Eltrica

Aplicao de um Sistema de Proteo

Adaptativa na Coordenao de Proteo e

Seletividade em um Sistema Eltrico

Industrial com Cogerao

Paulo Roberto Leite Paludo

So Carlos

2010

Paulo Roberto Leite Paludo

Aplicao de um Sistema de Proteo

Adaptativa na Coordenao de Proteo e

Seletividade em um Sistema Eltrico

Industrial com Cogerao

Trabalho de Concluso de Curso apresentado

Escola de Engenharia de So Carlos

da Universidade de So Paulo

Curso de Engenharia Eltrica com nfase

em Sistemas de Energia e Automao

Orientador: Prof. Dr. Jos Carlos de Melo Vieira Jnior

So Carlos

2010

AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

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

Paludo, Paulo Roberto Leite P661a Aplicao de um sistema de proteo adaptativa na

coordenao de proteo e seletividade em um sistema eltrico industrial com cogerao / Paulo Roberto Leite Paludo ; orientador Jos Carlos de Melo Vieira Jnior. - So Carlos, 2010.

Trabalho de Concluso de Curso (Graduao em Engenharia Eltrica com nfase em Sistema de Energia e Automao) -- Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo, 2010.

1. Rels. 2. Rels digitais. 3. Sistemas de proteo. 4. Sobrecorrente. 5. Seletividade. 6. IEC 61850. 7. Lgica booleana. I. Ttulo.

v

Agradecimentos

Agradeo a toda minha famlia, em especial, aos meus pais, Adelino e Snia, por

todo suporte, direcionamento e carinho oferecidos durante os anos de graduao.

Ao professor Jos Carlos de Melo Vieira Jnior pela amizade, confiana e

orientao neste trabalho de concluso de curso (TCC).

Ao amigo Ulisses Chemin Netto pela enorme contribuio neste trabalho, pelas

valiosas conversas e orientaes.

Ao amigo Jder Fernando Dias Breda por me apresentar toda estrutura do

Laboratrio de Sistemas de Energia Eltrica (LSEE) e facilitar o desenvolvimento deste

trabalho.

Ao LSEE pela disponibilizao da estrutura e dos equipamentos utilizados.

empresa FIGENER S. A. Engenheiros Associados pelo fornecimento dos

dados do sistema eltrico abordado neste TCC.

Escola de Engenharia de So Carlos (EESC USP) pela excelente formao

acadmica oferecida durante a graduao.

vii

Sumrio

Lista de figuras ................................................................................................................... ix

Lista de tabelas ................................................................................................................... xi

Lista de siglas e abreviaturas .......................................................................................... xiii

Resumo ............................................................................................................................ xvii

Abstract ............................................................................................................................. xix

1) Introduo ...................................................................................................................... 21

1.1) Objetivos ................................................................................................................... 22

1.2) Metodologia............................................................................................................... 23

1.3) Organizao do trabalho ........................................................................................... 24

2) Reviso bibliogrfica ..................................................................................................... 25

2.1) Esquema adaptativo de proteo contra sobrecorrente ............................................ 25

2.2) Uma nova viso de sistemas digitais IEC 61850 para SEs ........................................ 26

2.3) Aplicao do IEC 61850 ............................................................................................ 27

2.4) Uso da IEC 61850 em hidreltricas benefcios e incompatibilidades ...................... 28

2.5) Uma nova abordagem da proteo da distribuio ................................................... 29

3) O padro IEC 61850 ....................................................................................................... 31

3.1) A histria do padro IEC 61850................................................................................. 31

3.2) Definies do padro IEC 61850 ............................................................................... 32

3.3) Vantagens decorrentes do uso do padro IEC 61850 ............................................... 36

4) Estudo de caso .............................................................................................................. 39

4.1) Descrio do sistema eltrico sob estudo ................................................................. 39

4.2) Estudo de coordenao da proteo: problemas encontrados .................................. 41

4.3) Estudo de coordenao da proteo: solues propostas......................................... 49

5) Desenvolvimento da aplicao ..................................................................................... 53

5.1) Lgica de seleo ..................................................................................................... 53

5.2) Verificao da lgica de seleo ............................................................................... 58

5.3) Simulao do sistema eltrico sob estudo ................................................................. 61

viii

5.4) Determinao dos grupos de ajuste .......................................................................... 64

5.5) Simulador de disjuntores ........................................................................................... 65

5.6) Metodologia de validao do sistema de proteo adaptativa ................................... 66

6) Resultados ..................................................................................................................... 69

6.1) Tempos de atuao ................................................................................................... 69

6.2) Registros do rel RDF-TR-4 ...................................................................................... 73

6.3) Vantagens decorrentes de um menor tempo de atuao .......................................... 75

7) Concluses .................................................................................................................... 77

Referncias bibliogrficas ................................................................................................ 79

Apndice Dados do sistema eltrico abordado ............................................................ 83

ix

Lista de figuras

Figura 1 Diferentes protocolos utilizados no mbito da automao. .................................. 31

Figura 2 Sistema de comunicao atravs do protocolo Modbus ...................................... 33

Figura 3 Sistema de comunicao atravs da norma IEC 61850 ...................................... 34

Figura 4 Estrutura da linguagem de configurao da SE. ................................................. 36

Figura 5 Caractersticas e vantagens do padro IEC 61850 ............................................. 37

Figura 6 Diagrama unifilar do sistema eltrico industrial e central de cogerao............... 40

Figura 8 Verificao grfica da coordenao (3 TGs em operao). ................................. 44

Figura 9 Verificao grfica da coordenao (TG1 e TG2 em operao). ......................... 46

Figura 10 Verificao grfica da coordenao (apenas TG1 em operao). ..................... 48

Figura 11 Operao do elemento de processamento. ....................................................... 50

Figura 12 Mapa de Karnaugh para o bit C. ....................................................................... 54

Figura 13 Porta lgica decorrente do Mapa de Karnaugh no bit C. ................................... 55

Figura 14 Mapa de Karnaugh para o bit S......................................................................... 55

Figura 15 Esquema lgico decorrente do Mapa de Karnaugh no bit S. ............................. 56

Figura 16 Lgica de seleo dos grupos de ajuste. .......................................................... 57

Figura 17 Lgica final (lgica de seleo + lgica complementar)..................................... 58

Figura 18 Implementao da lgica final no Simulink. ....................................................... 59

Figura 19 Grupo de ajuste decorrente da operao de trs TGs. ...................................... 60

Figura 20 Grupo de ajuste decorrente da operao de dois TGs. ..................................... 60

Figura 21 Grupo de ajuste decorrente da operao de um TG. ........................................ 61

Figura 22 Contribuio dos trs TGs em um curto-circuito trifsico franco no primrio do

TR-3. ................................................................................................................................... 62

Figuro 23 Contribuio de dois TGs em um curto-circuito trifsico franco no primrio do

TR-3. ................................................................................................................................... 63

Figura 24 Contribuio de um TG em um curto-circuito trifsico franco no primrio do TR-

3. ......................................................................................................................................... 63

Figura 25 Lgica do simulador de disjuntor. ...................................................................... 65

x

Figura 26 Esquema laboratorial para implementao e validao do sistema de proteo.

............................................................................................................................................ 66

Figura 27 Grupo de ajuste vigente simulando-se a operao de 3TGs. ............................ 67

Figura 28 Grupo de ajuste vigente simulando-se a operao de 2TGs. ............................ 68

Figura 29 Grupo de ajuste vigente simulando-se a operao de 1 TG. ............................. 68

Figura 30 Registro de oscilografia do rel considerando trs TGs ativos. ......................... 74

Figura 31 Registro de oscilografia do rel considerando dois TGs ativos. ......................... 74

Figura 32 Registro de oscilografia do rel considerando um TG ativo. .............................. 75

xi

Lista de tabelas

Tabela 1 Definio dos grupos de ajuste .......................................................................... 49

Tabela 2 Estado dos disjuntores dos geradores e grupos de ajuste ativos. ...................... 50

Tabela 3 Representao das sadas em funo dos bits C e S. ....................................... 54

Tabela 4 Grupos de ajuste em funo dos bits C e S........................................................ 57

Tabela 5 Resumo dos grupos de ajuste. ........................................................................... 65

Tabela 6 Tempo de atuao para o ajuste fixo. ................................................................ 70

Tabela 7 Tempo de atuao para o ajuste dinmico. ........................................................ 71

Tabela 8 Tempo mdio de atuao e desvio padro para o ajuste fixo. ............................ 72

Tabela 9 Tempo mdio de atuao e desvio padro para o ajuste dinmico. ................... 72

Tabela 10 Dados dos geradores. ...................................................................................... 83

Tabela 11 Dados dos motores. ......................................................................................... 84

Tabela 12 Dados dos transformadores. ............................................................................ 84

xiii

Lista de siglas e abreviaturas

ANSI American National Standards Institute

BA Bobina de Abertura

BF Bobina de Fechamento

CID Configured IED Description

DNP3.0 Distributed Network Protocol

EPRI Electric Power Research Institute

GOOSE Generic Object Oriented Substation Event

GPS Global Positioning System

ICD IED Capability Description

IEC International Electrotechnical Commission

IED Intelligent Electronic Devices

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IHM Interface Homem Mquina

LAN Local Area Network

LSEE Laboratrio de Sistemas de Energia Eltrica

MMS Manufacturing Message Specification

xiv

PCHs Pequenas Centrais Hidreltricas

RDF Rel Direcional de Fase

RF Rel de Fase

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

SCD Substation Configuration Description

SCL Substation Configuration Language

SEs Subestaes

SEPs Sistemas Eltricos de Potncia

SIN Sistema Interligado Nacional

SSD System Specification Description

TC Transformador de Corrente

TCC Trabalho de Concluso de Curso

TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol

TGs Turbogeradores

UCA Utility Communications Architecture

UCC Unidade Central de Controle

UTRs Unidades Terminais Remotas

xv

WAN Wide Area Network

XML eXtender Markaup Language

xvii

Resumo

PALUDO, P. R. L. Aplicao de um Sistema de Proteo Adaptativa na Coordenao

de Proteo e Seletividade em um Sistema Eltrico Industrial com Cogerao. 2010.

84p. Trabalho de Concluso de Curso Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade

de So Paulo, So Carlos, 2010.

Nas ltimas dcadas a utilizao de rels digitais microprocessados vem

trazendo contribuies relevantes na composio de sistemas de proteo especiais, tais

como os sistemas de proteo adaptativa. A possibilidade de desenvolvimento de sistemas

que tenham suas configuraes alteradas de forma automtica em funo da variao de

alguns parmetros (como tenso, corrente ou estado de disjuntor) transforma os rels

digitais em poderosas ferramentas, com funes importantes e ainda pouco exploradas no

mbito da proteo. Ao encontro deste fato, o trabalho em questo aborda a implementao

e validao de um sistema adaptativo para proteo de um sistema eltrico industrial com

uma central de cogerao composta por trs turbogeradores e conectada ao barramento de

138 kV da subestao de entrada na indstria. Os rels utilizados no trabalho so

microprocessados e o foco a proteo contra sobrecorrente, com atuao temporizada e

instantnea. No desenvolvimento do trabalho evidencia-se o uso de importantes

funcionalidades dos rels microprocessados, tais como comunicao, monitoramento,

interface com outros dispositivos de proteo e intertravamentos lgicos. Como

particularidade, a central de cogerao do sistema industrial sob estudo pode operar

parcialmente ou em sua potncia nominal, dependendo do nmero de turbogeradores ativos

(um, dois ou trs). Deste modo, diante da configurao dinmica da mesma, ocorre variao

significativa na contribuio de curto-circuito e um sistema de proteo convencional torna-

se incapaz de oferecer a seletividade, confiabilidade e o desempenho necessrios para a

proteo adequada. Assim, este fato justifica a proposio de um sistema de proteo

adaptativa, cuja funo a alterao automtica do ajuste dos rels de sobrecorrente em

funo do nmero de geradores em operao, de forma a garantir uma atuao eficiente da

proteo contra sobrecorrente no caso de faltas no sistema eltrico da indstria. Entre

outros aspectos, pode-se destacar como diferencial deste trabalho a utilizao do protocolo

de comunicao IEC 61850 aplicado na proteo de sobrecorrente de um sistema eltrico

industrial. O uso deste protocolo uma tendncia atual e crescente, pois padroniza a forma

como as informaes transitam entre diferentes equipamentos, trazendo uma srie de

vantagens aos sistemas eltricos de potncia (SEPs). Entre esses benefcios, sucintamente,

pode-se destacar: reduo expressiva na quantidade de cabos utilizados em comunicao,

xviii

possibilidade de decomposio funcional de sistemas de proteo, facilidade de expanso

dos sistemas sob anlise e alta confiabilidade decorrente da simplificao de projetos. Outro

aspecto de relevncia no trabalho remete lgica desenvolvida para seleo automtica do

grupo de ajuste dos rels de sobrecorrente. Optou-se por uma lgica do tipo Booleana por

sua simplicidade, difuso e pela possibilidade de implementao no prprio rel, suprimindo,

assim, a necessidade de agregao de novos dispositivos destinados ao processamento

lgico. Por fim, salienta-se que as tcnicas e consideraes utilizadas neste trabalho podem

servir de base para futuros estudos. Durante todo o desenvolvimento manteve-se em foco a

obteno de um sistema genrico e singelo, com o intuito de facilitar seu aproveitamento na

obteno de solues mais especficas. Destaca-se ainda que apesar de este trabalho

abordar um sistema eltrico industrial especfico, as idias aqui apresentadas no se

restringem apenas a esse tipo de instalao e nem tampouco s protees seletivas de

sobrecorrente. Elas podero se estender tambm a sistemas de transmisso e distribuio e

ao emprego de outras funes de proteo como sub e sobretenso, sub e sobrefrequncia,

sobrecarga, entre outras.

Palavras-chave: Rels Digitais, Sistemas de Proteo, Sobrecorrente, Seletividade, IEC

61850, Lgica Booleana.

xix

Abstract

PALUDO P. R. L. Application of an Adaptive Protection System on Protection

Coordination and Selectivity in an Industrial Electrical System with Cogeneration.

2010. 84p. Course Final Report School of Engineering of So Carlos, University of So

Paulo, So Carlos, 2010.

The use of digital microprocessor relays on the last decades has coming to light

outstanding contributions in the composition of special protection systems, such as adaptive

protection systems. The possibility of development of systems that may have their settings

automatically changed in function of variation of some parameters (like voltage, current or

breaker status) transforms digital relays in powerful tools, with important functions and still

poorly explored in the protection context. Going to this point, the report in question deals with

the implementation and validation of an adaptive system for protecting an industrial electrical

system with a cogeneration plant consisting of three turbo-generators and connected to the

138 kV bus of the industry's entrance substation. The relays used are microprocessored and

the focus is on the overcurrent protection, with timed and instantaneous operation. During

this work's development, the use of important features of microprocessor relays was

demonstrated, such as communication, monitoring, interface with others protective devices

and logical interlocks. As a peculiarity, the cogeneration plant of the industrial system under

study may operate in part or in its nominal power, depending on the number of active turbo-

generators (one, two or three). Thus, given the dynamic configuration of plant, there is

significant variation in the contribution of short-circuit and a conventional protection system

becomes unable to provide the selectivity, reliability and performance required for an

adequate protection. Thus, this fact justifies the proposition of an adaptive protection system,

whose function is to change the automatic adjustment of overcurrent relays based on the

number of generators in operation, to ensure an efficient operation of the overcurrent

protection in case of failures in the industry's electrical system. Among other things, it can be

highlighted, as a differential aspect of this work, the use of the IEC 61850 communication

protocol applied to the overcurrent protection of an industrial electrical system. The use of

this protocol is a current and growing tendency because it standardizes the way information

moves between different devices, bringing a number of advantages to electric power

systems. Among these benefits, briefly, it can be highlighted: significant reduction in the

number of cables used in communication, the possibility of functional decomposition of

protection systems, facility of expansion of the systems under analysis and high reliability

due to design simplification. Another important aspect leads to the developed logic for

xx

automatic selection of the setting group of overcurrent relays. It was opted for a Boolean

logic type by its simplicity, diffusion and possible implementation in its own relay, avoiding

thus the need for adding new devices to processing logic. Finally, it is noted that the

techniques and considerations used in this work can serve as a basis for future studies.

Throughout all the development, the focus was on getting a generic and unassuming system,

in order to facilitate its performance in obtaining more specific solutions. It is noticeable that

despite the fact of this paper deals with a specific industrial electrical system, the ideas

presented here are not restricted to this type of installation, and neither the overcurrent

selective protections. They may also be extended to the transmission and distribution

systems, and the use of other protective functions such as over and subvoltage, sub and

over frequency, overload, among others.

Keywords: Digital Relays, Protection System, Overcurrent, Selectivity, IEC 61850, Boolean

Logic.

21

1) Introduo

Com o objetivo de atenuar os efeitos das perturbaes ou condies anormais

de operao, os sistemas de proteo devem assegurar, da forma mais eficiente possvel, a

continuidade de fornecimento de energia e a integridade das instalaes das redes eltricas.

Visando atingir a esses objetivos de maneira mais segura e confivel, a partir da dcada de

60, surgiram os rels de proteo digitais, que se desenvolveram juntamente com os

computadores, quando os mesmos passaram a substituir lenta e sistematicamente muitas

das ferramentas de anlise dos SEPs, tais como: clculo de curto-circuito, fluxo de carga e

estabilidade [1].

Nos ltimos anos, o emprego desses rels de proteo digital tem apresentado

significativo crescimento em virtude dos benefcios que podem oferecer aos sistemas

eltricos, sejam eles industriais, de transmisso ou de distribuio de energia eltrica. A

elevada sofisticao tecnolgica presente nesses equipamentos permite maior flexibilidade

de aplicao em sistemas de proteo com o uso de novas funes como, por exemplo,

intertravamentos lgicos para a composio de esquemas de proteo especiais,

monitoramento de equipamentos e circuitos, medio, comando e comunicao integrados

proteo e grupos de ajustes independentes para cada funo de proteo.

Essas inmeras funes permitem conceber um sistema de proteo

diferenciado em que os rels digitais podem operar de forma integrada, aumentando a

confiabilidade e segurana de um sistema eltrico (danos e tempos de atuao e de

restabelecimento de falta menores). Contudo, a aplicao dessa tecnologia muitas vezes

tratada como um elemento parte em um sistema de proteo, uma vez que seu potencial

no aproveitado adequadamente para prover todos os benefcios possveis a um sistema

eltrico. Isso pode ocorrer tanto pela carncia de profissionais especializados quanto pela

utilizao de filosofias de proteo herdadas da era dos rels eletromecnicos, as quais no

permitiam muita flexibilidade na elaborao de esquemas eficientes de proteo [3].

Entretanto, seja qual for o sistema de proteo e os dispositivos utilizados,

caractersticas como seletividade e coordenao so necessrias no contexto da filosofia de

proteo. Na ocorrncia de defeitos em um sistema eltrico em que seja necessrio seu

isolamento, o princpio da seletividade estabelece que o menor trecho desse sistema seja

isolado, mantendo suas demais reas operando normalmente. J, a coordenao, refere-se

a uma estratgia utilizada na proteo, em que na ocorrncia de um defeito, existe diferena

no tempo de atuao entre a proteo principal e a de retaguarda, permitindo seletividade

na interrupo do sistema [1, 2].

22

Levando-se em considerao o exposto at aqui, o trabalho em questo rene

uma srie de informaes e tcnicas relevantes implementao de um sistema de

proteo eficiente para um sistema eltrico industrial especfico. Tal sistema eltrico refere-

se a uma instalao real e apresenta particularidades (entre elas, um sistema de cogerao)

que impossibilitam ou restringem a utilizao de tcnicas convencionais de proteo.

1.1) Objetivos

Com o intuito de apresentar os benefcios proporcionados pela proteo digital

aos sistemas eltricos de potncia bem como de firmar a sua importncia na concepo de

um sistema de proteo, este trabalho ter como foco a coordenao e seletividade da

proteo de um sistema eltrico industrial com a aplicao de rels digitais, compondo um

esquema de proteo adaptativa.

Os rels utilizados nesse processo so os de sobrecorrente, com atuao

temporizada (funo ANSI 51) e instantnea (funo ANSI 50). Assim, os defeitos aqui

analisados abrangem tipicamente os curtos-circuitos.

Salienta-se que apesar de neste trabalho ser abordado um sistema eltrico

industrial especfico, as idias aqui apresentadas no se restringem apenas a esse tipo de

instalao e nem tampouco s protees seletivas de sobrecorrente. Elas podero se

estender tambm a sistemas de transmisso e distribuio e ao emprego de outras funes

de proteo [3].

Destaca-se que, entre outros aspectos, um dos objetivos desse trabalho

solucionar um problema de engenharia (implementao do sistema de proteo adaptativa)

de forma estruturada e coesa, apresentando a soluo mais ampla e genrica possvel. O

foco em uma soluo abrangente justifica-se pelo fato de que a mesma poder servir de

base para implementao de solues especficas, garantindo economia de horas de

engenharia.

Uma das principais vantagens da utilizao da proteo digital a possibilidade

de comunicao entre os diversos dispositivos que compem um sistema de proteo.

Nesse contexto, surge como eficiente alternativa a utilizao do padro IEC 61850, que

representa um dos objetivos deste TCC.

De forma sucinta, pode-se adiantar que o padro IEC 61850 estabelece uma

srie de regras que padronizam a troca de informaes entre dispositivos dos SEPs e suas

vantagens e funcionalidades so exploradas ao longo desse trabalho.

Assim, pode-se sintetizar os objetivos deste trabalho nos seguintes itens:

Garantir a seletividade e coordenao do sistema eltrico sob estudo;

23

Implementar um sistema de proteo adaptativa baseando-se no uso da

proteo digital;

Apresentar uma soluo genrica, coesa e estruturada para o problema em

questo;

Elaborar o sistema de proteo explorando as vantagens da utilizao do

padro IEC 61850.

1.2) Metodologia

Este tpico tem o objetivo de fornecer uma viso introdutria da metodologia

utilizada ao longo do desenvolvimento do sistema de proteo adaptativa.

O presente trabalho de concluso de curso teve incio com o claro entendimento

do problema de engenharia e das etapas necessrias para a resoluo adequada do

mesmo. De forma paralela, foram necessrios uma srie de estudos e consultas a materiais

e contedos inerentes proteo digital.

Na sequncia, desenvolveu-se a lgica que permitiu proteger o sistema industrial

de forma adequada. Tal lgica apresenta significativa relevncia por ser o ponto central da

concepo do sistema de proteo adaptativa.

A etapa seguinte contemplou a simulao do sistema eltrico industrial. Neste

momento, ocorreu a simulao do tipo e localizao das faltas (curtos-circuitos), bem como

a verificao das formas de onda e das intensidades de correntes resultantes.

A partir desse ponto, iniciou-se a parte experimental propriamente dita. Etapa

esta que se desenvolveu no Laboratrio de Sistemas de Energia Eltrica (LSEE) presente

no campus de So Carlos da Universidade de So Paulo. No trabalho em questo, a etapa

experimental foi a que mais demandou tempo e empenho em decorrncia da quantidade de

equipamentos e softwares utilizados. Alm disso, algumas dificuldades, que so descritas

no decorrer do trabalho, foram enfrentadas durante o desenvolvimento do sistema de

proteo adaptativa.

Por fim, utilizando-se da estrutura e dos equipamentos presentes no LSEE, foi

possvel implantar, testar e validar a soluo de proteo adaptativa desenvolvida. Salienta-

se que a descrio completa da metodologia utilizada ao longo do trabalho ser

detalhadamente descrita no Captulo 5.

24

1.3) Organizao do trabalho

Este trabalho foi segmentado em sete captulos com o intuito de organiz-lo e

facilitar sua compreenso. Abaixo segue uma sucinta descrio dos assuntos e temas

abordados em cada um desses captulos:

Captulo 1 Introduo: trata-se do atual captulo deste trabalho. Tem como

caracterstica fundamental fornecer uma viso geral do trabalho e dos assuntos com ele

relacionados, destacando seus objetivos e metodologia empregada.

Captulo 2 Reviso bibliogrfica: neste captulo so expostos alguns artigos e

publicaes que se relacionam diretamente com o tema deste trabalho de concluso de

curso. O objetivo primordial da Reviso Bibliogrfica desenvolver uma anlise crtica e

ampla dos estudos j realizados anteriormente, fornecendo embasamento para o

desenvolvimento do estudo atual.

Captulo 3 O padro IEC 61850: a idia central deste captulo definir as

bases do protocolo de comunicao IEC 61850, demonstrando suas vantagens em relao

ao uso de um mtodo de comunicao convencional, alm de explorar as novas

possibilidades decorrentes de sua utilizao nos SEPs.

Captulo 4 Estudo de caso: anlise detalhada das caractersticas do sistema

eltrico industrial. Nesse captulo, so tambm expostos os motivos que estimularam o

desenvolvimento do sistema adaptativo em detrimento do sistema de proteo

convencional.

Captulo 5 Desenvolvimento da aplicao: captulo que descreve toda a

metodologia e etapas necessrias para o desenvolvimento da soluo obtida neste trabalho.

Alm disso, so descritas as dificuldades enfrentadas e como as mesmas foram superadas

ou mitigadas.

Captulo 6 Resultados: exposio dos resultados obtidos com o trabalho.

Captulo que descreve as solues obtidas, salientando suas caractersticas, vantagens e

aplicaes.

Captulo 7 Concluso: captulo que descreve as consideraes finais do

trabalho, salientando suas contribuies e aplicabilidade.

25

2) Reviso bibliogrfica

Especialmente na primeira dcada do sculo XXI, importantes trabalhos foram

desenvolvidos para compor esquemas especiais de proteo, automao de subestaes

(SEs), regras para troca de informaes e implementao de lgicas de controle

embarcadas em rels.

Tais estudos visam superar ou, pelo menos atenuar, limitaes recorrentes nas

mais diversas reas que compem os SEPs. Alm disso, estes trabalhos podem servir de

base e trazer contribuies expressivas para trabalhos futuros.

Diante do exposto, este captulo destaca algumas publicaes encontradas na

literatura que tm relao com os contedos desenvolvidos neste trabalho. A seguir so

brevemente descritas as publicaes de maior relevncia e os respectivos resultados

obtidos por seus autores.

2.1) Esquema adaptativo de proteo contra sobrecorrente

Os contedos explorados pelos autores em [3] serviram como estmulo para o

desenvolvimento deste TCC. A publicao destaca as vantagens que os rels digitais

microprocessados trazem para os SEPs, entre elas: aumento da confiabilidade, flexibilidade

de programao, bom desempenho operacional e satisfatria relao entre custo e

benefcio. Os autores apresentam no artigo um estudo de coordenao da proteo e

seletividade de um sistema eltrico industrial especfico. Neste estudo, fica evidente, em

decorrncia das caractersticas do sistema sob analise, que um sistema de proteo

convencional incapaz de proteg-lo satisfatoriamente. O sistema eltrico abordado tem

como diferencial a presena de uma central de cogerao que pode operar fornecendo

diferentes nveis de potncia. Assim, variaes no processo de cogerao, a depender do

nmero de geradores em operao, implicam em nveis distintos de potncia de curto-

circuito, o que impossibilita que um sistema de proteo convencional (rels com ajuste fixo)

opere adequadamente em todos os cenrios de gerao. Os autores propem ento um

sistema de proteo adaptativa capaz de superar as particularidades do sistema eltrico sob

estudo. No sistema proposto, aglutinam-se as situaes de gerao semelhantes e as

associam a um ajuste de rel especfico, totalizando trs grupos de ajuste. Prope-se ainda

a utilizao de uma unidade central de processamento, responsvel por receber

informaes do sistema, desenvolver o processamento lgico e enviar comandos para os

demais dispositivos componentes do esquema de proteo.

26

Entretanto, durante o desenvolvimento deste TCC, que apresenta relao com o

artigo em questo, julgou-se que a utilizao da unidade central de processamento poderia

interferir na manuteno da confiabilidade de todo o sistema. Alm disso, o investimento em

um dispositivo com finalidade exclusiva de processamento no se justificou pela

possibilidade de tal funo ser executada por outro elemento presente no sistema de

proteo. Desta forma, a soluo desenvolvida neste TCC, no que diz respeito ao

dispositivo responsvel pelo processamento, distancia-se da soluo proposta pelos

autores.

2.2) Uma nova viso de sistemas digitais IEC 61850 para SEs

O artigo [4] explora as mudanas de paradigma no setor eltrico decorrentes do

advento do padro IEC 61850. Dentre as alteraes, destacam-se melhorias nas funes de

proteo de SEs como bloqueios, intertravamentos e permisses entre mdulos, alm da

progressiva substituio da fiao eltrica convencional pelas das redes de comunicao de

dados (no caso, Ethernet).

Segundo os autores, na troca de informaes binrias com uso de fiao eltrica

convencional verifica-se a incapacidade de distino entre a transmisso de nvel lgico 0,

normalmente associado ausncia de tenso na entrada digital, e um possvel rompimento

de fiao. De forma anloga, tambm no ocorre diferenciao entre a transmisso de nvel

lgico 1 e uma falha na origem do dado que resulte em uma injeo de tenso na entrada

digital como, por exemplo, rompimento da isolao de cabos ou equipamentos.

Outro aspecto negativo na utilizao de fiao convencional refere-se vibrao

dos contatos das sadas digitais acionadas a rel, que resulta na transmisso de

informaes imprecisas. A aplicao de filtros possibilita a superao desta limitao,

contudo, resulta no surgimento de retardos ou atrasos altamente indesejveis no mbito da

proteo digital. A interferncia eletromagntica, decorrente de descargas naturais ou falha

de equipamentos, tambm se apresenta como condio crtica na manuteno da fiao

eltrica convencional.

Os novos padres estabelecidos pela norma IEC 61850 apresentam

caractersticas que, se aplicadas corretamente aos equipamentos das SEs, permitem a

superao das limitaes expostas anteriormente. Alm disso, a norma permite a

simplificao de tarefas antes tidas como de extrema complexidade, tais como ampliaes

nas SEs e reconfigurao de esquemas de proteo ou controle previamente implantados.

Diante do exposto, percebem-se as novas possibilidades decorrentes do uso do protocolo

de comunicao IEC 61850. O mesmo vem se mostrando uma opo crescente e segura e,

27

na atualidade, encontra-se no horizonte de planejamento das empresas de energia eltrica

que tm foco na simplificao e padronizao de suas SEs.

2.3) Aplicao do IEC 61850

Os autores em [5] propem as bases de um extenso projeto para modernizao

de 30 subestaes de transformao de uma concessionria de energia eltrica. O artigo

em questo aborda o projeto referente modernizao da primeira SE, que ser ento

estendido para as demais. Entre as melhorias previstas no projeto, destacam-se:

Implementao de novas interfaces homem mquina (IHMs);

Modernizao dos sistemas de controle, superviso e aquisio de dados;

Automao da subestao;

Substituio de painis de rels eletromecnicos por rels digitais

microprocessados.

A respectiva concessionria de energia j havia definido a opo pelo protocolo

DNP3.0 para a integrao de todos os dispositivos eltricos inteligentes (Intelligent

Electronic Devices IEDs) em decorrncia de seu domnio e difuso. Contudo, durante a

fase de elaborao das propostas, solicitou-se uma opo alternativa para automao da

SE baseada no protocolo de comunicao IEC 61850.

A deciso sobre o uso da alternativa IEC 61850 baseou-se em algumas

vantagens que superaram os custos adicionais devido aos investimentos com treinamentos

da equipe, possveis alteraes de filosofia e custos de alteraes do projeto. A motivao

para escolha da nova filosofia de projeto das SEs fazendo-se uso do padro IEC 61850

baseou-se nos critrios a seguir:

Uso dos sistemas de comunicao de alta velocidade baseados na Ethernet;

Interoperabilidade de equipamentos de diferentes fabricantes;

Reduo significativa na quantidade de cabos a serem utilizados, facilitando o

comissionamento e reduzindo a probabilidade de falhas;

Alta confiabilidade e disponibilidade do sistema com o uso de projetos mais

simples e arquitetura mais eficiente;

Facilidade na expanso do sistema.

Os autores do projeto destacam que a facilidade de instalao em campo, a

identificao mais rpida das falhas, a implementao de funes automatizadas, e os

novos, mais rpidos e mais seletivos esquemas de proteo proporcionariam retorno do

investimento em um prazo menor do que o estimado inicialmente. Alm disso, a deciso de

28

qual sistema deveria ser desenvolvido nas subestaes no foi baseada somente no menor

custo global, mas tambm na melhor soluo tcnica.

No artigo ainda so abordadas as funes de proteo, automao e

intertravamento que foram aprimoradas com a utilizao da norma IEC 61850. Dentre estas

funes, destacam-se: proteo de falha de disjuntor, seletividade lgica para proteo de

barramento, transferncia automtica de linhas, transferncia de carga entre

transformadores de potncia, restabelecimento automtico da subestao e transferncia

automtica da proteo de neutro.

Por fim, possvel destacar que a alternativa escolhida pelos autores se mostrou

acertada pela tima relao custo/benefcio decorrente da opo pelo padro IEC 61850.

Alm deste fato, as vantagens oriundas da utilizao da norma so relevantes e se

estenderam tambm aos clientes da concessionria, que passaram a contar com reduo

significativa nos tempos de interrupo do fornecimento de energia eltrica.

2.4) Uso da IEC 61850 em hidreltricas benefcios e incompatibilidades

Os autores em [6] destacam que apesar da norma IEC 61850 ter sido

desenvolvida no mbito das SEs, a mesma pode estender seus benefcios para os sistemas

de gerao, no caso, para as hidreltricas. Inicialmente, so destacadas as principais

contribuies da norma, tais como:

Comunicao via rede entre dispositivos;

Reduo de cabeamento e consequente reduo de custos;

Reduo do nmero de entradas e sadas dos dispositivos inteligentes e

consequente reduo de custos;

Flexibilidade para o projeto, visto que alteraes de lgicas envolvendo

dispositivos diferentes podem ser implementadas sem alterao na

instalao;

Padronizao, garantindo maior rapidez na configurao da interface entre

dispositivos e entre esses e o sistema supervisrio.

A idia dos autores abordar alguns casos particulares, no previstos na norma,

com o intuito de buscar pontos de melhoria e, de certa forma, restringir sua aplicao para

alguns cenrios especficos. Como exemplo, pondera-se no artigo a implementao de

redes de comunicao de dados Ethernet com uso do padro IEC 61850 em PCHs

(Pequenas Centrais Hidreltricas), que podem apresentar somente duas unidades

geradoras. Segundo os autores, os custos decorrentes da implementao da rede podem

superar seus benefcios.

29

Tomando como referncia as topologias de rede, alerta-se no trabalho que as

centrais de gerao apresentam configuraes e equipamentos em nveis mais complexos

que os observados em SEs e, que por este motivo, elas demandam quantidade muito

superior de IEDs. Assim, os autores recomendam o desenvolvimento de estudos de

desempenho de rede antes da implementao de projetos via IEC 61850 em centrais de

gerao.

Faz-se aluso tambm ao fato de que no Brasil as centrais hidreltricas, devido

a sua controlabilidade, so utilizadas como ferramentas para estabilidade do SIN (Sistema

Interligado Nacional). Em contrapartida, em sistemas europeus, onde se concebeu a norma

sob estudo, as SEs no apresentam requisitos to sofisticados de controle (como controle

de tenso e velocidade) como ocorre nas usinas hidreltricas brasileiras. Desta forma,

registra-se mais um ponto de ateno quanto aplicao do padro IEC 61850.

No referenciado artigo, versa-se ainda acerca da enorme dependncia da rede

de comunicao de dados em centrais projetadas com o padro IEC 61850. Destaca-se que

h a necessidade de considerar equipamentos aptos a realizar manuteno de redes, como

monitores de trfego de dados, que passam a ser ferramentas de uso tambm do pessoal

de automao e, no apenas do pessoal de telecomunicaes/informtica.

Mediante o contedo exposto pelos autores, no se deve encarar as

incompatibilidades levantadas como desmotivadoras, mas sim como referncias para

aplicaes cautelosas da norma. Desta forma, aumenta-se a possibilidade de xito em suas

aplicaes, o que, de certa forma, contribui com o processo de solidificao do padro IEC

61850.

2.5) Uma nova abordagem da proteo da distribuio

Os autores em [7] destacam que os sistemas de distribuio so afetados por

perturbaes com maior frequncia que os sistemas de transmisso. Tal caracterstica

advm da maior proximidade do sistema de distribuio das atividades humanas, das

rvores e da prpria concentrao de carga.

exposto no artigo que durante anos os sistemas de superviso, controle e

proteo da distribuio permaneceram relativamente inalterados. O que no foi observado

no sistema de transmisso, que recebeu maiores investimentos por sua relevncia, j que

perturbaes em seu sistema podem afetar nmero muito significativo de consumidores.

Contudo, relata-se que na atualidade as concessionrias passaram a aprimorar a

capacidade de superviso e controle de seus sistemas de distribuio, salientando-se,

assim, o uso dos rels microprocessados.

30

Em seguida, se faz referncia ao atual dinamismo observado nos sistemas de

distribuio, que apresentam mudanas de caractersticas horrias e sazonais, tais como:

Manobras programadas para projetos de construo ou aes de

manuteno;

Manobras de emergncia para reparos;

Disjuntores de interligao de barramentos substituindo disjuntores de

alimentador de distribuio;

Transferncias de carga sazonais.

Assim, as reconfiguraes resultantes do sistema duram de algumas horas at

meses e, os seguintes problemas podem ser observados:

Importantes mudanas na carga ou desequilbrio;

Grandes variaes no regime de falta, devido a alteraes na fonte e

alimentador;

Problemas de coordenao com diferentes equipamentos de proteo;

Aumento do regime de falta no condutor, cabo ou equipamento.

Neste contexto, salienta-se que os tradicionais equipamentos de proteo no

se adaptam facilmente s reconfiguraes dos sistemas de distribuio. Caso novos ajustes

sejam necessrios, os mesmos provavelmente sero realizados manualmente. Alm disso,

o tempo de implantao e teste das novas configuraes retardam as respostas a

emergncias e introduzem riscos de erro humano. Em alguns casos, chega-se a no se

alterar os ajustes de rels, pois este processo pode ser demorado ou complexo,

comprometendo todo o sistema de proteo.

Com base no exposto, versa-se sobre as alternativas para superao das

limitaes da proteo dos sistemas de distribuio. Como alternativa, aborda-se a lgica

programvel, que proporciona o manejo dos esquemas de proteo futuros e, cuja fora

encontra-se no uso de operadores lgicos e lgebra Booleana. Assim, os elementos do rel

so combinados para formar a lgica condicional para funes internas e contados de sada.

Outra alternativa exposta refere-se utilizao de mltiplos grupos de ajuste,

que podem ser programados para cobrir inmeras contingncias no sistema. O esquema e

configurao de proteo ideais so habilitados para proporcionar maior confiabilidade de

servio, reduzindo-se os custos operacionais, j que as novas configuraes foram testadas

com conveniente antecipao.

31

3) O padro IEC 61850

O processo de digitalizao de SEs de energia eltrica motivado, entre outros

aspectos, pela necessidade de desempenho, qualidade tcnica, satisfao dos clientes e

lucro. Como este processo exige a aquisio e processamento de vasta quantidade de

informaes pelo sistema de automao das SEs, torna-se necessria a utilizao de uma

rede de comunicao de dados para a manuteno da agilidade e confiabilidade do mesmo

[8].

Normalmente, em uma SE, encontra-se quantidade relevante de equipamentos,

tecnologias, softwares e protocolos de comunicao, o que exige expressivo investimento

para integrao destes elementos, caracterizando um problema no mbito da automao de

SEs [2]. A Figura 1 destaca os diferentes protocolos, proprietrios ou no, utilizados

mundialmente em processos de automao.

DNP3.0

Modbus

Hart

ControlNet

60870-5-103

Profibus

Fieldbus

UCA2

LON

DeviceNet

60870-5-101/4

Profinet

Figura 1 Diferentes protocolos utilizados no mbito da automao [2].

Pode-se perceber, assim, que esta quantidade de protocolos torna-se um

obstculo em engenharia por dificultar a comunicao entre equipamentos distintos. Tem-

se, ento, o sentimento de que necessria uma soluo que proporcione a integrao

adequada entre dispositivos que compem uma SE, reduzindo os custos e gerando ganhos

significativos de desempenho e confiabilidade.

3.1) A histria do padro IEC 61850

No ano de 1988 o Electric Power Research Institute (EPRI) deu origem aos

trabalhos de desenvolvimento do Utility Communications Architecture (UCA), que se trata de

32

uma arquitetura para comunicao de dados nas concessionrias de energia eltrica. Ao ser

publicada, no ano de 1999, esta arquitetura abrangeu duas frentes distintas: a comunicao

entre centros de controle e a comunicao entre dispositivos de campo [8].

De forma paralela, o International Electrotechnical Commission (IEC) esforava-

se para padronizar as interfaces de dispositivos de telecontrole por meio do conjunto de

normas denominadas IEC-60870-5, compostas pelos seguintes documentos:

IEC-60870-5-101: padronizao entre unidades terminais remotas (UTRs) e

centros de controle para o sistema de potncia;

IEC-870-5-103: padronizao da comunicao serial de dispositivos de

proteo digital;

IEC-6087-5-104: a comunicao em redes Local Area Network (LAN) e Wide

Area Network (WAN), baseado no uso de Ethernet com Transmission Control

Protocol / Internet Protocol (TCP/IP).

J no ano de 1994, criaram-se grupos de trabalho compostos por especialistas

nas normas IEC-6087-5 e UCA 2.0 de vrias partes do mundo. Estabeleceu-se, ento, uma

padronizao mais abrangente para redes de comunicao de dados e sistemas em SEs de

energia eltrica. Por fim, ocorreu um acordo entre IEC e EPRI para a definio de um

padro comum, padro este denominado IEC-61850 [2,8].

3.2) Definies do padro IEC 61850

Por mais que os protocolos de comunicao sejam abertos, para um mesmo

protocolo, diversos fabricantes podem apresentar diferentes perfis. Por este motivo a

expanso de um determinado sistema de proteo e controle poder privilegiar o fabricante

que forneceu o referido sistema [9]. Contudo, a criao da norma IEC 61850 veio superar

esta limitao, pois padroniza a forma como as informaes trafegam, definindo a estrutura

de dados e o padro das linguagens de configurao dos IEDs.

Para se obter um perfeito entendimento da norma pertinente realizar uma

comparao entre o princpio de comunicao dos protocolos convencionais e via IEC

61850. O padro mestre escravo, que serve como referncia, encontra-se presente na

maioria dos protocolos convencionais, tais como: IEC-870-5-101, IEC-870-5-103, IEC-870-5-

104, DNP3.0, Modbus, Modbus TCP-IP, entre outros.

Sucintamente, na configurao mestre escravo a troca de informaes ocorre

pela solicitao de mensagens dos dispositivos mestres aos dispositivos escravos. Deste

modo, os dispositivos escravos enviam mensagens para os dispositivos mestres somente

mediante solicitaes destes. Pequena exceo pode ser identificada no protocolo de

comunicao DNP3.0, cuja configurao permite ajustar o envio de mensagens

33

espontneas dos dispositivos escravos para os dispositivos mestres, sem que ocorra a

solicitao. A Figura 2 ilustra um sistema em que os IEDs se comunicam com um sistema

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) atravs do protocolo Modbus no padro

de comunicao mestre escravo [9].

SCADA

IED 2

(escravo)

IED 1

(escravo)

UCC

(mestre)

Figura 2 Sistema de comunicao atravs do protocolo Modbus [9].

vlido ressaltar que a configurao mestre escravo no permite a troca direta

de informaes entre IEDs, via protocolo de comunicao. Uma maneira de trocar

informaes entre os IEDs estabelecer um enlace fsico (fiao), em que a sada digital de

um IED ativa uma entrada digital do outro IED e vice versa. Outra opo de comunicao

(conforme Figura 2) consiste na utilizao da unidade central de controle (UCC) para coletar

informaes de um IED e transmitir para o outro IED, atravs das chamadas escrituras. Os

protocolos mestre escravo apresentam inmeras solues, porm pouca padronizao [9]

Contudo, fazendo-se uso da norma IEC 61850 exploram-se as possibilidades de

trocas horizontais e verticais de informao. Pela observao da Figura 3, contata-se que o

uso da UCC suprimido e que os IEDs podem trocar informaes diretas (horizontais) entre

si atravs de mensagens GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event). Pela anlise

da mesma ilustrao, percebe-se que os IEDs tambm podem realizar a troca de

informaes verticais com o prprio sistema SCADA, atravs das mensagens MMS

(Manufacturing Message Specification) [9].

As mensagens GOOSE contemplam informaes digitais e analgicas dos

componentes das SEs que so originadas nos IEDs (denominados editores) que, por sua

vez, disponibilizam as respectivas mensagens para os demais IEDs (denominados

34

assinantes), que podem ou no process-las. As mensagens GOOSE so utilizadas tanto

em sistemas de controle como em esquemas de proteo.

Um IED editor pode enviar mensagens GOOSE para apenas um grupo de IEDs

assinantes da rede, mensagens estas conhecidas como multicast. Quando as mensagens

so enviadas a todos os assinantes da rede, recebem a denominao de broadcast.

Levando-se em considerao as mensagens multicast, somente o IED cuja mensagem

pertinente deve respond-la [2]. Em relao s mensagens GOOSE, destaca-se ainda que

as mesmas apresentam prioridade em relao s demais mensagens que circulam em uma

rede de comunicao de dados.

As mensagens MMS possibilitam a troca de informaes entre dispositivos

pertencentes a nveis funcionais diferentes, no caso, entre o nvel de vo (IED) e o nvel de

subestao (SCADA). As mensagens verticais se caracterizam pela existncia de caracteres

configurveis e, no caso do IEC 61850, no se define um limite para estes caracteres,

porm, os mesmo devem ser padronizados [9].

SCADA

IED 2IED 1

Switch

GOOSE

MMSMMS

Figura 3 Sistema de comunicao atravs da norma IEC 61850 [9].

A norma IEC 61850 modela os dados de forma a atender os requisitos de

comunicao e as funcionalidades encontradas em automao de SEs. Para isto utilizada

uma abordagem orientada a objetos que define, dentre outros, os seguintes objetos [10]:

Ns lgicos: agrupamento funcional de dados. Menor parte de uma funo

com capacidade de trocar dados com outros objetos (funes de proteo,

35

disjuntor, medies). Cada tipo de n lgico possui uma estrutura de dados

definida pela norma. Estes dados so compartilhados entre outros ns lgicos

atravs de um conjunto de regras denominada servios;

Dispositivos lgicos: so constitudos de um conjunto de ns lgicos;

Dispositivos fsicos: constituem os IEDs propriamente ditos e so formados

por um conjunto de dispositivos lgicos.

Em relao linguagem de configurao, a parte 6 da norma IEC 61850 define a

linguagem SCL (Substation Configuration Language), que utilizada para configurar a

comunicao entre os IEDs de um sistema de automao de SEs. A linguagem SCL baseia-

se na linguagem XLM (eXtender Markaup Language) e tem como objetivo padronizar a

configurao de comunicao dos IEDs com maior segurana e confiabilidade. A

configurao da comunicao baseada na norma IEC 61850 descrita atravs de vrios

tipos de arquivos SCL, utilizados na troca de informaes entre softwares de configurao

de IEDs de vrios fabricantes. Os tipos de arquivo so [10]:

SSD (System Specification Description): arquivo utilizado pela ferramenta de

configurao do sistema que descreve o diagrama unifilar da subestao e

todos os ns lgicos requeridos;

SCD (Substation Configuration Description): arquivo gerado pela ferramenta

de configurao do sistema e importado pelo configurador dos IEDs com as

informaes configuradas para a comunicao;

ICD (IED Capability Description): arquivo gerado pelo configurador do IED

para informar a ferramenta de configurao do sistema de suas

caractersticas como tipos de ns lgicos existentes, por exemplo;

CID (Configured IED Description): arquivo final gerado pelo seu configurador

para ser carregado em determinado IED.

Os arquivos de configurao da SCL so escritos em formato de texto, o que

permite sua criao ou edio em qualquer editor de texto, embora existam aplicativos de

engenharia grficos e amigveis com essa finalidade [2]. A Figura 4 representa a estrutura

da linguagem de configurao da SE.

36

SSD

Ferramenta de

configurao do sistema

SCD

Ferramenta de

configurao do IED

CID

IEDICD

Figura 4 Estrutura da linguagem de configurao da SE [10].

3.3) Vantagens decorrentes do uso do padro IEC 61850

Embora o padro IEC 61850 tenha sido originalmente desenvolvido para uso em

SEs, felizmente foi conceituado como orientao a objetos, o que permite que seus

conceitos possam ser utilizados em outros sistemas de energia eltrica [6]. A partir de sua

concepo, o padro passou a proporcionar uma srie de vantagens aos sistemas em que

se encontrava inserido. A Figura 5 [11] por si s j faz aluso a algumas caractersticas e

vantagens decorrentes do uso deste padro.

Contudo, possvel complementar brevemente as descries j realizadas no

Captulo 2 e atravs da Figura 5, acerca dos benefcios decorrentes da utilizao da norma.

Tomando o quesito financeiro como referncia inicial, pode-se dizer que existe um esforo

mundial pela reduo de custos de equipamentos de proteo e controle nas SEs de

energia eltrica, o que justifica a necessidade de um nico padro mundial de comunicao.

O padro IEC 61850 proporciona, desta forma, um sistema de comunicao aberto que

permite que equipamentos de fabricantes distintos operem de forma conjunta, eliminando a

necessidade de conversores de protocolos, de complexa implementao e, proporcionando

reduo significativa nos custos de implementao de sistemas de automao [12].

J, sob o ponto de vista tcnico, percebe-se significativa melhoria de

desempenho e confiabilidade dos sistemas atendidos por este padro. A simplicidade e

padronizao decorrentes de seu uso vm revolucionando os processos de automao de

SEs, reduzindo os esforos e processos de engenharia. Sendo assim, o padro IEC 61850

vem se mostrando capaz de superar as antigas limitaes referentes aos processos de

comunicao, sendo estendido tambm para aplicaes alm das comumente encontras em

SEs de energia eltrica.

37

Por fim, salienta-se uma ltima possibilidade crescente com a utilizao do

respectivo padro, a decomposio funcional. Mediante os ganhos referentes s trocas de

informaes via IEC 61850, a decomposio funcional ganha destaque por permitir melhor

aproveitamento dos dispositivos pertencentes a uma SE ou sistema de proteo. Esta

decomposio, como o prprio nome sugere, possibilita a segmentao de esquemas e

lgicas permitindo que as mesmas sejam processadas em diferentes equipamentos. Assim,

caso algum elemento do sistema se encontre prximo do seu limite operacional, novos

investimentos podem ser evitados segmentando e delegando algumas de suas

funcionalidades a outros dispositivos.

IEC 61850

Reduo em

configuraes e

setups

Baixo custo de

instalao

Maior

interoperabili-

dade

Reduo de

erros e

esforos

manuais

Maior

capacidade e

flexibilidade

Moderna

tecnologia de

rede

Convenes

para nomeao

de objetos Linguagem de

configurao

padronizada

Dispositivos

auto descritivos

Modelos de

equipamentos e

objetos

padronizados

Caractersticas do Padro IEC 61850

Benefcios em Bays e SEs decorrentes do uso do Padro IEC 61850

Figura 5 Caractersticas e vantagens do padro IEC 61850 [11].

Sendo assim, as idias apresentadas neste captulo possibilitam o entendimento

do padro IEC 61850, de suas definies e das principais vantagens decorrentes de sua

aplicao.

39

4) Estudo de caso

Este trabalho tem como foco a coordenao e seletividade de dispositivos de

proteo contra sobrecorrente, em especial os rels de sobrecorrente com atuao

temporizada (funo ANSI 51) e instantnea (funo ANSI 50).

Os critrios para ajustes das protees de sobrecorrente de forma coordenada

so facilmente encontrados em literatura tcnica especializada [3] e, em linhas gerais,

devem considerar os seguintes fatores:

Capacidades nominais dos equipamentos e cabos;

Valores mximos e mnimos das correntes de curto-circuito;

Limites trmicos e dinmicos de equipamentos e cabos;

Restries operativas do sistema eltrico;

Diferentes tipos de dispositivos de proteo instalados (rels eletromecnicos

e microprocessados, fusveis, disjuntores);

Correntes de partida de motores e correntes de magnetizao de

transformadores.

A anlise da coordenao dos dispositivos de sobrecorrente realizada

graficamente em um plano XY, em que o eixo das ordenadas graduado em escala de

tempo e o das abscissas em escala de corrente. Este grfico contm as caractersticas de

atuao dos dispositivos de proteo e as caractersticas do sistema eltrico sob anlise [3].

4.1) Descrio do sistema eltrico sob estudo

O sistema eltrico objeto de estudo deste trabalho trata-se de uma instalao

industrial que contm uma central de cogerao composta de trs turbogeradores (TGs), o

que totaliza aproximadamente 40 MVA de capacidade instalada [3]. O diagrama unifilar

contendo os pontos pertinentes ao estudo encontram-se na Figura 6.

40

B-TG3B-TG2B-TG1

G~

M~

M~

G~

G~

RDF-Entrada

RF-TR-3 RDF-Pri-TR-4

RDF-Sec-TR-4

RF-AL2-COGER

RF-AL1-COGER

RF-TG1 RF-TG2 RF-TG3

Barramento 138kV

Barramento COGER - 11.5kV

Sec TR-1/TR-2 Sec TR-3

TR-1

7.5 MVA

138 kV

11.5 kV

TR-2

7.5 MVA

138 kV

11.5 kV

TR-3

40 MVA

138 kV

11.5 kV

TR-4

40 MVA

138 kV

11.5 kV

TR-AUX2

2.5 MVA

11.5 kV

0.46 kV

TR-AUX1

2.5 MVA

11.5 kV

0.46 kV

TG-1

12.5 MVA

11.5 kV

TG-2

12.5 MVA

11.5 kV

TG-3

16.88 MVA

11.5 kV

SE Entrada

Concessionria

M1 M2

Figura 6 Diagrama unifilar do sistema eltrico industrial e central de cogerao.

Os turbogeradores da central de cogerao possuem as seguintes

caractersticas: TG1: 12,50 MVA 11,5 kV, TG2: 12,50 MVA 11,5 kV e TG3: 16,88 MVA

11,5 kV.

A central de cogerao conecta-se ao barramento de 138 kV da indstria por

meio de um alimentador e um transformador (TR-4) de 40 MVA 138kV/11,5kV. Este trecho

que conecta a central de cogerao ao barramento de 138 kV referido no decorrer do

trabalho como ramo de interligao ou simplesmente interligao. Os transformadores TR-

41

AUX1 e TR-AUX2 alimentam os equipamentos auxiliares da central de cogerao. A carga

total instalada da indstria 55 MVA, distribuda entre os transformadores TR-1, TR-2 e TR-

3 [3].

A condio normal de operao da indstria e da central de cogerao ocorre

quando os trs turbogeradores esto em funcionamento. Entretanto, devem ser previstas

situaes adversas de operao, como desligamentos dos geradores, sejam eles causados

por defeito ou manuteno [3].

Conforme a Figura 6 os rels de interesse esto representados pelos nomes que

aparecem no incio ou final dos alimentadores e transformadores, em que RF significa rel

de fase e RDF, rel direcional de fase. Segue a descrio dos rels presentes neste sistema

eltrico:

RF-TG1, RF-TG2 e RF-TG3: rels de fase dos turbogeradores TG1, TG2 e

TG3, respectivamente;

RF-AL1-COGER e RF-AL2-COGER: rels que protegem o alimentador que

interliga a barra de entrada da cogerao ao TR-4;

RDF-Pri-TR-4 e RDF-Sec-TR-4: representam as unidades de proteo do

primrio e secundrio do rel que protege o TR-4;

RF-TR-3: rel eletromecnico que protege o maior transformador da indstria,

o TR-3.

Com exceo do rel RF-TR-3 todos os demais so microprocessados. O

trabalho se restringir aos ajustes das funes de sobrecorrente de fase e ter foco nos

rels RF-TR-3 e RDF-Pri-TR-4. Todos os conceitos, problemas e solues abordados no

decorrer do trabalho aplicam-se tambm aos ajustes para proteo contra curtos-circuitos

fase-terra (51N, 50N, 50G) [3].

Todos os clculos e diagramas de verificao grfica de coordenao da

proteo e seletividade foram realizados com o auxlio do programa DIgSILENT

PowerFactory [13], desenvolvido pela empresa alem DIgSILENT GmbH [3].

4.2) Estudo de coordenao da proteo: problemas encontrados

Nesta seo so apresentados os problemas verificados quando se tenta

estabelecer a coordenao entre os rels de sobrecorrente citados na seo anterior, mais

especificamente RF-TR-3 e o elemento primrio de RDF-TR-4. Um estudo de coordenao

completo envolve a anlise de outros dispositivos de proteo e de outros equipamentos do

sistema eltrico. Entretanto isso no ser feito no trabalho visto que o objetivo mostrar

42

apenas as situaes em que ocorre a atuao descoordenada dos rels e as solues

encontradas para resolver tais problemas de coordenao [3].

Em todos os casos tratados, analisa-se a ocorrncia de um curto-circuito trifsico

franco no ramo que alimenta o transformador TR-3 (observar Figura 7), de forma que o

transformador de corrente (TC) que alimenta o RF-TR-3 mea a corrente de defeito.

B-TG3B-TG2B-TG1

G~

M~

M~

G~

G~

RDF-Entrada

RF-TR-3 RDF-Pri-TR-4

RDF-Sec-TR-4

RF-AL2-COGER

RF-AL1-COGER

RF-TG1 RF-TG2 RF-TG3

Barramento 138kV

Barramento COGER - 11.5kV

Sec TR-1/TR-2 Sec TR-3

TR-1

7.5 MVA

138 kV

11.5 kV

TR-2

7.5 MVA

138 kV

11.5 kV

TR-3

40 MVA

138 kV

11.5 kV

TR-4

40 MVA

138 kV

11.5 kV

TR-AUX2

2.5 MVA

11.5 kV

0.46 kV

TR-AUX1

2.5 MVA

11.5 kV

0.46 kV

TG-1

12.5 MVA

11.5 kV

TG-2

12.5 MVA

11.5 kV

TG-3

16.88 MVA

11.5 kV

SE Entrada

Concessionria

M1 M2

Figura 7 Diagrama unifilar com a localizao do ponto de falta.

43

Normalmente, trabalha-se com a hiptese de as protees primrias do

transformador (rel diferencial e rel Buchholz) falharem, cabendo assim ao rel de

sobrecorrente (RF-TR-3) isolar o defeito caso ele seja interno ao transformador. Nesse caso,

o RF-TR-3 atua como proteo de retaguarda. Alm disso, caso este dispositivo de proteo

falhe, existe o rel direcional RDF-Pri-TR4 que servir como proteo de retaguarda do RF-

TR-3. Ressalta-se que o RDF-Pri-TR4 um rel de sobrecorrente direcional e atuar

apenas para curtos-circuitos que ocorrerem no barramento de 138 kV e nas cargas ligadas

ao mesmo.

Na Figura 8 so mostradas as curvas de atuao dos rels de interesse (RF-TR-

3 e RDF-TR-4) e as correntes mximas de curto-circuito para o defeito referido

anteriormente. As correntes de curto-circuito so representadas por linhas verticais, cujos

valores esto referidos tenso de 138 kV. A legenda e as caixas de texto identificam as

curvas de atuao dos rels.

A Figura 8 pode ser interpretada da seguinte forma: um curto-circuito trifsico no

ramo de alimentao do TR-3 produz uma corrente de curto-circuito total (corrente

subtransitria e simtrica linha vertical contnua) de 10100 A, capaz de sensibilizar o

elemento instantneo do rel RF-TR-3 em aproximadamente 30 ms (milissegundos). Para o

defeito em questo, a contribuio de corrente dos TGs que circula no ramo de interligao

da central de cogerao com o barramento de 138 kV aproximadamente 530 A (corrente

transitria simtrica linha vertical tracejada). Para esse valor de corrente, o elemento

primrio do rel RDF-TR-4, ou seja, RDF-Pri-TR-4 sensibilizado em aproximadamente 300

ms (entretanto, no se pode garantir este tempo de atuao em decorrncia da forma de

onda do curto-circuito, que decai com o tempo para o valor de regime). vlido ressaltar

que RDF-Sec-TR-4 foi colocado no mesmo ajuste de RDF-Pri-TR-4 para que a proteo

seja rpida e, como eles protegem o mesmo circuito, foi desprezada a coordenao entre

eles. J, os rels RF-AL1-COGER e RF-AL2-COGER apresentam um ajuste que caracteriza

um atuao mais lenta do que a do rel direcional (mantendo-se, evidentemente, a

coordenao) e so sensibilizados por faltas no barramento de 138kV ou na central de

cogerao.

44

Figura 8 Verificao grfica da coordenao (3 TGs em operao).

10

100

1000

10000

10000

0[p

ri.A]

0,0

1

0,1 1

10

100[s]

1000

10000

10000

010000

00

138,0

0 k

V

11,5

0 k

V

RF

-TR

-3IA

C In

vers

e G

ES

7001B

X =

530,0

00 p

ri.AX

=10100,0

00 p

ri.A

RD

F-P

ri-TR

-4IE

C 2

55-3

invers

e

DIA

GR

AM

A D

E C

OO

RD

EN

A

O

3 T

Gs O

N

Curto

-Circ

uito

Trif

sic

o n

o R

am

o q

ue A

limenta

TR

-3

Todos o

s T

Gs e

m o

pera

o

Date

: 18/1

0/2

010

Annex:

DIgSILENT

45

Considera-se agora a situao em que o maior dos turbogeradores (TG3) esteja

desligado por algum motivo. Nessa condio, os valores das correntes de curto-circuito

diminuem provocando uma reduo na sensibilidade dos rels do ramo de interligao. Tal

situao encontra-se apresentada na Figura 9. Observa-se a partir da anlise desta figura

que a corrente total de curto-circuito reduziu para 9850 A. Essa reduo no foi to

significativa porque a principal fonte de contribuio com o curto-circuito a concessionria.

Entretanto, a corrente que circula pelo ramo de interligao para o defeito em questo,

reduz de 530 A para 360 A, visto que nesse caso o TG3 est fora de operao. Assim,

apesar de a coordenao estar garantida, o tempo de atuao dos rels do ramo de

interligao se eleva para cerca de 500 ms (de forma anloga ao caso anterior, no se pode

garantir este tempo de atuao), tornando mais lento o sistema de proteo. Outro problema

passvel de acontecer a ocorrncia de um curto-circuito com impedncia de falta capaz de

tornar insensveis os rels da interligao.

46

Figura 9 Verificao grfica da coordenao (TG1 e TG2 em operao).

10

100

1000

10000

10000

0[p

ri.A]

0,0

1

0,1 1

10

100[s]

1000

10000

10000

010000

00

138,0

0 k

V

11,5

0 k

V

RF

-TR

-3IA

C In

vers

e G

ES

7001B

X =

360,0

00 p

ri.AX

=9850,0

00

pri.A

RD

F-P

ri-TR

-4IE

C 2

55-3

invers

e

DIA

GR

AM

A D

E C

OO

RD

EN

A

O

T

G1 E

TG

2 O

N

Curto

-Circ

uito

Trif

sic

o n

o R

am

o q

ue A

limenta

TR

-3

Dois

TG

s e

m o

pe

rao

Date

: 18/1

0/2

010

Annex:

DIgSILENT

47

A situao extrema ocorre quando apenas um dos TGs est em operao,

conforme ilustra a Figura 10, considerando o TG1 ligado. Nessa condio, os rels de

interligao no sero sensibilizados para qualquer curto-circuito trifsico ou dupla fase que

ocorra em alguma das sadas do barramento de 138 kV. Assim, referindo-se ao defeito no

alimentador do TR-3, caso haja falha na atuao do RF-TR-3 apenas o rel do turbogerador

ligado atuar, ocasionando o seu desligamento em um tempo muito elevado. Ressalta-se

que este desligamento pode ser evitado caso os rels da interligao sejam sensibilizados

pelo defeito.

Em estudos de coordenao da proteo de sobrecorrente, usualmente os

ajustes dos rels so definidos para os casos em que as correntes de curto-circuito so

mais severas, mas sempre verificando se a sensibilidade dos dispositivos de proteo

garantida para correntes de defeito de menor intensidade. Pelas situaes descritas

anteriormente, observa-se claramente que esse compromisso no pode ser mantido

considerando apenas os ajustes dos rels para a condio normal de operao, ou seja, os

trs geradores ligados. Surge, portanto, a necessidade de adaptar os ajustes de

sobrecorrente dos rels da interligao (RF-AL1-COGER, RF-AL2-COGER, RDF-Sec-TR-4,

RDF-Pri-TR-4) para cada cenrio de gerao possvel, a fim de obter um sistema de

proteo mais confivel.

48

Figura 10 Verificao grfica da coordenao (apenas TG1 em operao).

10

100

1000

10000

10000

0[p

ri.A]

0,0

1

0,1 1

10

100[s]

1000

10000

10000

010000

00

138,0

0 k

V

11,5

0 k

V

RF

-TR

-3IA

C In

vers

e G

ES

7001B

X =

182,0

00 p

ri.AX

=9668,0

00

pri.A

RD

F-P

ri-TR

-4IE

C 2

55-3

invers

e

DIA

GR

AM

A D

E C

OO

RD

EN

A

O

T

G1 O

U T

G2 O

N

Curto

-Circ

uito

Trif

sic

o n

o R

am

o q

ue A

limenta

TR

-3

Apenas u

m T

G e

m o

pera

o

Date

: 18/1

0/2

010

Annex:

DIgSILENT

49

4.3) Estudo de coordenao da proteo: solues propostas

Para sanar os problemas de coordenao verificados na seo anterior, prope-

se um esquema adaptativo de proteo contra sobrecorrente, sujeito s condies

operativas da indstria e da central de cogerao [3]. A idia principal deste esquema

alterar os ajustes dos rels da interligao caso o nmero de geradores em operao seja

alterado. Isso possvel graas s funes dos rels digitais utilizados, os quais contam

com mais de um grupo de ajuste para as funes de proteo, alm de possibilitar a

programao de lgicas de controle para as unidades de proteo. Esses grupos de ajuste

podem ser ativados por sinais digitais externos injetados nos contatos de entrada dos rels

[3].

Para compor o esquema adaptativo de proteo contra sobrecorrente foi

necessrio agrupar as situaes ou cenrios de gerao, que resultem em correntes de

curto-circuito com magnitudes semelhantes para defeitos no barramento de 138 kV ou em

suas sadas. Cada grupo definido foi associado a um grupo de ajuste nos rels da

interligao. O resultado dessa classificao apresentado na Tabela 1, em que o Grupo 1

representa a situao normal de operao [3].

Tabela 1 Definio dos grupos de ajuste [3].

Grupos de Ajuste Cenrio de Gerao

Grupo 1 (G1) Todos os TGs em operao

Grupo 2 (G2) Dois TGs em operao

Grupo 3 (G3) Um TG em operao

Com o intuito de se obter um sistema de proteo seguro e singelo, optou-se por

implementar a lgica de controle em um dos rels da interligao, no caso, no RDF-TR-4.

Desta forma, este rel, alm de desempenhar a funo de proteo, tambm fica

responsvel pelas seguintes itens:

receber as informaes sobre os estados dos disjuntores dos TGs;

processar essas informaes segundo uma lgica de controle;

enviar informaes e/ou comandos aos demais dispositivos que compem o

sistema de proteo.

Com o intuito de alimentar o elemento responsvel pelo processamento (RDF-

TR-4) foi criada a Tabela 2, que relaciona os estados dos disjuntores dos geradores e os

grupos de ajuste que devem ser ativados, sendo que 1 representa disjuntor fechado e 0,

disjuntor aberto [3].

50

Tabela 2 Estado dos disjuntores dos geradores e grupos de ajuste ativos [3].

Grupos TG1 TG2 TG3

Grupo 1 1 1 1

Grupo 2 1 0 1

Grupo 2 1 1 0

Grupo 2 0 1 1

Grupo 3 1 0 0

Grupo 3 0 1 0

Grupo 3 0 0 1

Pode-se representar a operao do rel, no que diz respeito lgica de controle,

atravs do fluxograma da Figura 11, que relaciona e representa as etapas envolvidas

durante o processamento [3].

Inicializao do

sistema

Monitoramento

do sistema

Processamento

lgico

Alterao no grupo

de ajustes?

Reconfigurao

dos rels

Sim

No

Figura 11 Operao do elemento de processamento.

As etapas de operao do elemento de processamento so brevemente

descritas a seguir [3]:

51

Inicializao do sistema: o sistema de proteo adaptativo iniciado sob

vigncia do ajuste padro, ou seja, do Grupo 1;

Monitoramento do sistema: compreende rotinas de acompanhamento dos

estados dos disjuntores dos geradores. Os disjuntores podem ter seus

estados (aberto ou fechado) alterados pela ao dos operadores

(desligamentos manuais programados) ou pela atuao dos rels de proteo

dos TGs;

Processamento lgico: rotina responsvel por analisar a tabela verdade

descrita na Tabela 2, identificar a configurao dos geradores e determinar o

grupo de ajustes que deve ser ativado. Em seguida ocorre um teste em que o

grupo de ajustes recm definido comparado ao grupo de ajustes anterior.

Caso haja necessidade de alterao dos ajustes ativos, passa-se ao item

seguinte. Seno, o sistema retorna sua condio de monitoramento em que

aguarda alguma alterao nos estados dos disjuntores dos TGs;

Reconfigurao dos rels: se necessrio, o grupo de ajuste ativo alterado

pela ao de sinais digitais enviados pelo elemento de processamento aos

rels envolvidos. Aps esta etapa o sistema retorna condio de

monitoramento.

Por fim, as idias e argumentos expressos neste captulo comprovam que um

sistema de proteo convencional no adequado para a proteo do sistema eltrico sob

estudo. Assim, este captulo descreveu de forma detalhada o problema de engenharia

abordado, servindo de base para o prximo captulo, que descreve a resoluo do referido

problema de coordenao.

53

5) Desenvolvimento da aplicao

O embasamento terico foi o ponto de partida para o desenvolvimento deste

trabalho e o mesmo permitiu a compreenso adequada do problema e o desenvolvimento

de sua soluo. A lista completa dos materiais consultados encontra-se no item referncias

bibliogrficas deste trabalho.

Inicialmente, constatou-se, mediante a anlise feita no Captulo 4, que um

sistema de proteo convencional (ajuste fixo dos rels de sobrecorrente) seria incapaz de

proteger satisfatoriamente a planta industrial em suas diferentes configuraes. Assim,

partiu-se para o desenvolvimento de um sistema dinmico, que alterasse de forma

automtica o ajuste dos rels de sobrecorrente.

Como visto no Captulo 4, utilizou-se o rel RDF-TR-4 como elemento de

processamento, estando nele toda lgica de seleo embarcada. A seguir, so descritas as

etapas envolvidas no desenvolvimento do sistema adaptativo.

5.1) Lgica de seleo

A primeira etapa prtica no desenvolvimento da aplicao contemplou a lgica

do sistema adaptativo. Optou-se por uma lgica do tipo Booleana [14] por sua simplicidade,

difuso e pela possibilidade de implementao no prprio rel, evitando, assim, a

necessidade de agregao de novos dispositivos destinados ao processamento lgico.

A partir da anlise da Tabela 2 possvel observar que o estado dos disjuntores

(0 ou 1) dos turbogeradores representa quais desses TGs esto ativos ou no, fato que tem

influncia direta na escolha do grupo de ajuste. Conforme descrito no Captulo 4, a operao

de um, dois ou trs TGs altera significativamente a intensidade do curto-circuito. Como

premissas, os seguintes itens foram obedecidos no desenvolvimento da lgica Booleana:

Entradas da lgica: estados dos disjuntores dos turbogeradores;

Sadas da lgica: grupos de ajuste do rel.

Com base na teoria de Lgica Digital [14], como existe a possibilidade de

ocorrncia de trs sadas distintas (grupos de ajuste), necessitam-se de pelo menos 2 bits

para a representao destas sadas. Assim, pode-se obter a Tabela 3, em complementao

Tabela 2:

54

Tabela 3 Representao das sadas em funo dos bits C e S.

Grupos TG1 TG2 TG3 C S

Grupo 1 1 1 1 1 X

Grupo 2 1 0 1 0 1

Grupo 2 1 1 0 0 1

Grupo 2 0 1 1 0 1

Grupo 3 1 0 0 0 0

Grupo 3 0 1 0 0 0

Grupo 3 0 0 1 0 0

Na Tabela 3 os bits C (carry) e S (sada) so utilizados para representar as trs

sadas possveis do sistema. O bit S o responsvel pela seleo do Grupo 2 (nvel lgico

1) e do Grupo 3 (nvel lgico 0). J o Grupo 1 ativado exclusivamente pela ocorrncia de

nvel lgico 1 no bit C e, independe do bit S (o elemento X da Tabela 3 representa esta

independncia do bit S na seleo do Grupo 1).

A partir das informaes contidas na Tabela 3 foi possvel utilizar-se do conceito

de Mapa de Karnaugh [14] para a obteno da lgica de seleo e, no caso do bit C,

esquematizou-se a relao descrita na Figura 12. Destaca-se tambm que caso todos os

TGs estejam desativados, a central de cogerao estar desligada e no h necessidade de

especificar qualquer grupo de ajuste para o rel da interligao, que direcional e, portanto,

s sensibilizado pelas contribuies de corrente provenientes da central de cogerao em

direo ao barramento de 138kV. Desconsiderou-se, assim, a situao em que no h

processo de gerao tanto para o bit C quanto para o S.

--- 0 0 0

0 0 1 0

0

1

00 01 11 10

TG1 TG2

TG3

Bit C

Figura 12 Mapa de Karnaugh para o bit C.

Deste modo, v-se que o bit C s se encontra em nvel lgico 1 se todos os TGs

tambm estiverem. A equao lgica que descreve esta relao dada por:

55

321 TGTGTGC (1)

A Figura 13 representa a porta lgica associada Equao 1, que, no caso, se

trata de uma porta lgica E (AND).

TG2

TG1

TG3

C

Figura 13 Porta lgica decorrente do Mapa de Karnaugh no bit C.

Estendendo para o bit S esta mesma anlise de Mapa de Karnaugh, chega-se

ao seguinte esquema:

--- 0 1 0

0 1 X 1

0

1

00 01 11 10

TG1 TG2

TG3

Bit S

Figura 14 Mapa de Karnaugh para o bit S.

Em relao ao bit S, como o nvel lgico do elemento X no influencia na

seleo do grupo de ajuste, o mesmo foi adotado como nvel lgico 1 por reduzir, assim, a

quantidade de portas na lgica de seleo. A equao lgica que descreve a relao entre

os TGs e o bit S dada por:

321321321321

_______________

TGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGS (2)

Contudo, a Equao 2 pode ser simplificada, o que tambm simplifica a lgica e

reduz a quantidade de portas. A partir desta equao, obtiveram-se as seguintes

simplificaes.

56

3232321321

_______________

TGTGTGTGTGTGTGTGTGTGS (3)

323321321

_______________

TGTGTGTGTGTGTGTGTGS (4)

32121321

__________

TGTGTGTGTGTGTGTGS (5)

__________

2121321 TGTGTGTGTGTGTGS (6)

Assim, pode-se, a partir da Equao 6, representar a lgica que relaciona os

TGs e o bit S. Destaca-se que a expresso lgica

__________

2121 TGTGTGTG

representada por uma nica porta lgica, a porta X-OR. A Figura 15 representa o esquema

lgico decorrente da Equao 6.

TG2

TG1

TG3

S

Figura 15 Esquema lgico decorrente do Mapa de Karnaugh no bit S.

Desta forma, a lgica de seleo dos grupos de ajuste dos rels de

sobrecorrente obtida unindo-se os esquemas das Figuras 13 e 15. O resultado desta unio

encontra-se na Figura 16.

57

TG2

TG1

TG3

S

C

Figura 16 Lgica de seleo dos grupos de ajuste.

Pela anlise da Figura 16 e da Tabela 3, percebe-se a clara relao existente

entre os bits C e S e os grupos de ajuste, sucintamente descrita na Tabela 4.

Tabela 4 Grupos de ajuste em funo dos bits C e S.

Grupos C S

Grupo 1 1 X

Grupo 2 0 1

Grupo 3 0 0

Todavia, durante a implementao no rel de sobrecorrente da lgica descrita na

Figura 16, constatou-se que o IED s dispunha de um nico bit para a seleo do grupo de

ajuste. Portanto, utilizou-se uma lgica complementar para que a relao entre os bits C e S

resultasse em um nico bit de sada, responsvel pela seleo de um grupo de ajuste

especfico. Pode-se observar a lgica final desenvolvida (lgica de seleo + lgica

complementar) na Figura 17.

58

TG2

TG1

TG3

S

C

GRUPO 3

GRUPO 2

GRUPO 1

Lgica

Complementar

Figura 17 Lgica final (lgica de seleo + lgica complementar).

5.2) Verificao da lgica de seleo

Com o objetivo de testar a lgica de seleo dos grupos de ajuste, utilizou-se a

ferramenta Simulink, presente no software MATLAB [15], para verificar a resposta da lgica

em funo dos estados dos disjuntores dos TGs.

Primeiramente, esquematizou-se tanto a lgica de seleo quanto a

complementar no Simulink, conforme a ilustrao da Figura18.

59

Figura 18 Implementao da lgica final no Simulink.

Na sequncia, simularam-se variaes no estado dos disjuntores conforme a

Tabela 3. As Figuras 19, 20 e 21 subsequentes representam, respectivamente, os

resultados obtidos simulando-se a operao de trs, dois e um turbogerador.

60

Figura 19 Grupo de ajuste decorrente da operao de trs TGs.

Figura 20 Grupo de ajuste decorrente da operao de dois TGs.

61

Figura 21 Grupo de ajuste decorrente da operao de um TG.

Pela observao

Paludo Paulo Roberto Leite

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