Comunicação pela IEC 61850 entre limitador de corrente de curto-circuito e sensores de corrente sem fio em rede de distribuição rural

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ARTIGO ORIGINAL

OLIVEIRA, Mariana Moraes [1]

OLIVEIRA, Mariana Moraes. Comunicação pela IEC 61850 entre limitador de corrente de curto-circuito e sensores de corrente sem fio em rede de distribuição rural. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 06, Ed. 07, Vol. 03, pp. 77-102. Julho de 2021. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/sensores-de-corrente

RESUMO

Com o aumento da incidência de curtos-circuitos em redes de distribuição, soluções, como limitadores de corrente, vêm sendo implantadas a fim de evitar a queima de equipamentos da subestação. Nesse processo de instalação de novos equipamentos, a comunicação entre os elementos de proteção da rede torna-se fundamental e, através da automatização do sistema de distribuição têm-se formas mais efetivas e controláveis de limitar as altas correntes provenientes de falhas. A norma IEC 61850 viabiliza a modelagem de diversos equipamentos em sistemas de automação de subestações (SASs), a partir de uma estrutura de dispositivo lógico, atributos e valores. Equipamentos limitadores de corrente de curto-circuito (LCC) necessitam de constante monitoramento devido às suas complexidades construtivas e assim, uma solução para o monitoramento da integridade do equipamento, antes, durante e depois da atuação, é a estruturação de uma efetiva comunicação. Neste trabalho é abordada a modelagem pela IEC61850 de um LCC instalado em uma rede de distribuição rural visando efetividade na comunicação e maior controle do operador. A partir das características construtivas e do conhecimento prévio da modelagem de equipamentos pela IEC 61850, traçou-se um perfil lógico para o LCC e, dessa forma, foram identificadas funções de chaveamento, supervisão e proteção. Protocolos de comunicação também são utilizados em um esquema de proteção que utiliza sensores sem fio e controle pelo supervisório, resultando em uma proposta de novo modelo de coordenação e comunicação entre equipamentos em rede de distribuição rural.

Palavras-chave: Subestação, Automação, IEC 61850, Proteção, Limitadores de Curto-Circuito.

1. INTRODUÇÃO

Os sistemas de energia englobam cada vez mais novas tecnologias. As redes de distribuição, nesse processo, passam por uma automatização dos seus medidores, relés, atuadores e com isso, a medição inteligente conquista, cada vez mais, espaço em um cenário composto por novos modelos de geração e consumo e, por consequência, por um novo perfil de rede que desafia os engenheiros de proteção diante da necessidade de detecções de defeitos cada vez mais rápidas e eficientes, uma vez que, o problema de superação da capacidade de equipamentos torna-se agravante para confiabilidade do sistema. Estudos da Empresa de Pesquisa Energética (EPE)e do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) têm sinalizado para o aumento dos níveis de curto-circuito em áreas do Estado do Rio de Janeiro e assim, proposto medidas para mitigar os efeitos adversos desse problema ao atendimento da demanda energética nessa região (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2017).

De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (2017), à elevação abrupta da corrente diante de um caminho de baixa impedância dá-se o nome de curto-circuito, ocasionando a perda de equipamentos das instalações na ausência de dispositivos de proteção com capacidade para interromper essa corrente e isolar o defeito. Nesse sentido, variáveis como o tempo de atuação, agilidade dos relés, disjuntores e religadores, além da inteligência computacional utilizada nesses e outros equipamentos de suporte da rede, são fundamentais (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2017).

Dentre as tecnologias empregadas no sentido de mitigar os efeitos nocivos do curto-circuito, há o Limitador de Corrente de Curto-circuito (LCC) que é capaz de detectar rapidamente uma falta na rede e condicionar a corrente a uma amplitude compatível com os limites de capacidade dos dispositivos que compõem o sistema de proteção local. Conforme CIGRE (2012), dos diversos tipos de LCCs descritos na literatura tem-se os passivos, em que a transição do estado de operação normal para o estado de limitação é natural das características dos componentes do LCC, e ainda, os supercondutores ou transformadores de núcleo saturado, e os de comutação ativa, que necessitam de um elemento detector para acionar o limitador (SAFAEI et al., 2020).

Outros fatores, como a localização da subestação (SE), são preponderantes e decisivos na análise de defeitos, seus agravantes e soluções. Em áreas rurais, destacadas por Locks (2010) como sendo caracterizadas por reduzida potência de curto-circuito, os fios e cabos que, tradicionalmente, permitem a interligação e comunicação aos relés, nem sempre são alternativas viáveis devido à dificuldade de acesso para instalação e reparos, altos custos e por serem possíveis agentes facilitadores de perdas não técnicas (MCCOLLUM et al., 2019).

A inserção de sensores de corrente sem fio que auxiliarão na comunicação entre religador, limitador de corrente de curto-circuito e fusíveis do ramal RJ de 60Hz, 13,8 kV e 2MVA, em área rural, pertencente a uma concessionária atuante no Estado do Rio de Janeiro é avaliada. Definidos os protocolos e estruturas de comunicação, pela norma IEC 61850, um novo perfil, de sistema de proteção e detecção de falhas, surge com características bem definidas de nós lógicos, objeto de dados e atributos para o LCC, estendendo esse modelo lógico a toda classe operativa, seja ela chaveada por eletrônica de potência, híbrida ou supercondutora.

O restante deste artigo está estruturado da seguinte forma: A Seção II apresenta os trabalhos relacionados ao estudo proposto. A elaboração de overviews de SEs, esquemas de proteção e da IEC 61850, encontram-se nas Seções III e IV, respectivamente. A proposta deste artigo é apresentada na Seção V que detalha a coordenação e comunicação entre os dispositivos da SE para dois tipos de localização mais comuns para a incidência de defeitos na rede, além da apresentação da extensão da IEC 61850: Limitadores de corrente de curto-circuito. A Seção VI conclui este trabalho.

2. TRABALHOS RELACIONADOS

Este tema vem sendo amplamente tratado na literatura dos estudos de proteção de redes elétricas. Mccollumet al. (2019), aborda umesquema de baixo custo sem fio, verificado em rede real,de sensores de corrente que auxiliam na atuação da proteção utilizando protocolo de comunicação bem definido pela IEC 61850. Fowler et al. (2019), identifica as características das redes de distribuição a partir das filosofias de proteção e operações sob os aspectos da coordenação religador-fusível, e assim também detalha o circuito lógico de atuação wireless para as unidades de proteção instantânea (50) e temporizada (51). Quanto aos protocolos de comunicação, Haque et al. (2020) enfatiza a utilização da Internet das Coisas (IoT) como novo modelo de comunicação e, simulações para diferentes áreas, distanciasse topologias de sensores são caracterizados por Miao et al. (2010). A modelagem, implementação e simulação em tempo real de uma rede de sensores sem fio (RSSF) foram apresentados no trabalho de Araújo et al. (2015). A abordagem direta e aplicada junto a sensores e limitadores de corrente ainda é pouco explorada sob a ótica da seletividade e comunicação com os demais dispositivos de proteção da rede. Não obstante, este trabalho tem como objetivo trazer diretrizes, sob aspectos funcionais da norma IEC61850, para um perfil de proteção mais ágil e eficiente, traçado diante de um complexo cenário de altos níveis de curto-circuito e superação de equipamentos no Estado do Rio de Janeiro.

3. OVERVIEW DE SUBESTAÇÕES E ESQUEMAS DE PROTEÇÃO

A NBR 5460 (1992, p. 49) define uma subestação como:

Parte de um sistema de potência, concentrada em um dado local, compreendendo primordialmente as extremidades de linhas de transmissão e/ou distribuição, com os respectivos dispositivos de manobra, controle e proteção, incluindo obras civis e estruturas de montagem, podendo incluir também transformadores, conversores e/ou outros equipamentos.

Logo, dentro de centros urbanos ou rurais tem como função transformar e regular a energia elétrica, sob tensão de transmissão ou subtransmissão (138-69 kV), para tensões admissíveis a nível de distribuição primária (DP), 34,5-13,8 kV, ou níveis secundários (DS) em 220-127 V e 380-220 V (MEDEIROS, 2017).

3.1 SUBESTAÇÃO SIMPLIFICADA

Arranjo simples com proteção por fusíveis no primário, transformação em poste ou em pedestal que pode ser na média tensão (MT) ou na baixa tensão (BT), dependendo das condições da área de atendimento. As instalações podem contar com bancos de transformadores ou apenas um transformador, ambos trifásicos com potência nominal limitada entre 75 kVA e 300 kVA. A tensão nominal (TN) praticada para esse tipo de subestação está limitada em 13,8 kV (LIGHT, 2016).

3.2 SUBESTAÇÃO BLINDADA

Arranjo eletromecânico cujos elementos de manobra, medição e proteção são montados em compartimentos metálicos blindados. Usual para padrões de instalação definitivos. Modelos de subestações blindadas convencionais ou compactas, valem-se, basicamente, de um sistema de isolamento a ar, normalmente utilizando chaves seccionadoras tripolares de operação sob cargas isoladas e disjuntores a gás (SF6) ou a vácuo, com relés de proteção secundários (LIGHT, 2016).

3.3 DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO

A elaboração de uma estratégia de proteção pode ser complexa a depender do tamanho da rede, do perfil de carga, entre outros fatores. Etapas que envolvem desde a seleção dos equipamentos de proteção até a caracterização das suas filosofias de atuação, coordenação e seletividade, com os devidos ajustes de seus componentes (MAMEDE, 2017). Os equipamentos que, majoritariamente, compõem o cenário de análise deste trabalho são as chaves-fusíveis (FS) e os religadores automáticos (RA).

Conforme destaca Light (2016), o fusível, em subestações simplificadas, é colocado ao longo da linha e em sua parte final. Podem ser configurados para atuações retardadas, rápidas, ultrarrápidas, sendo compostos por um elemento condutor que se funde e interrompe o circuito diante da detecção de correntes de valores suficientemente altas para sensibilização da proteção (MARDEGAN, 2010).

O religador possui particularidades funcionais importantes para o entendimento das filosofias de proteção em sistemas de distribuição. Diante de altas correntes, esse dispositivo tem seu funcionamento baseado em desligamentos e religamentos automáticos, sendo ajustado para quatro operações e assim,devem permitir o ajuste de sequências para somente aberturas instantâneas ou rápidas, somente temporizadas, ou uma combinação das mesmas, para defeitos fase-fase e fase-terra (ELETROBRÁS, 1982).

Na Tabela I, os modos de operação possíveis são ordenados de A até H e, a forma de atuação enumerada conforme possibilidades para programação do religador que permite até quatro combinações entre ações instantâneas e temporizadas.

Tabela I- OPERAÇÕES DO RELIGADOR

Modo de Operação Instantâneo Temporizado
A (1) (0)
B (1) (1)
C (0) (2)
D (1) (2)
E (0) (3)
F (1) (3)
G (2) (2)
H (0) (4)

Fonte: Elaborado pelo autor

3.4 COORDENAÇÃO RELIGADOR-FUSÍVEL

Dentre todos os elementos e coordenações possíveis para a proteção do sistema de distribuição, nesse trabalho, o foco está em compreender a coordenação religador-fusível que, combinada a um elemento limitador de corrente de curto-circuito e a sensores sem fio, terão toda comunicação sistêmica aperfeiçoada.

Para um sistema radial, o relé do disjuntor de alimentação, os controles do religador e os fusíveis são totalmente coordenados. Por existirem múltiplos elementos de proteção em série, ao longo da linha, torna-se uma árdua tarefa estabelecer uma comunicação seletiva entre os mesmos, uma vez que, a corrente de falha é imprevisível e variante ao longo dos ramais do alimentador (FOWLER et al., 2019).

Como pode ser visto na fig.1, o circuito simplificado do alimentador da subestação, ramal RJ, é protegido por um religador automático (RA), um dispositivo limitador de corrente de curto-circuito (LMT) e fusíveis (F) nas laterais. É comum, a fim de facilitar a coordenação dos dispositivos de proteção, dividir o circuito em várias zonas para que nenhuma seção da linha fique desprotegida (FOWLER et al., 2019).

Fig.1: Esquema de Proteção da Subestação

Fonte: Elaborado pelo autor

Fowler et al. (2019) destaca que, zonas de proteção demarcam os limites de atuação de cada dispositivo diante de defeitos na rede. Quando ocorre uma falha de atuação de um equipamento em sua zona, espera-se que outro elemento backup elimine o defeito em seu lugar. Logo, os equipamentos posicionados antes (a montante) do defeito deverão ter suas curvas de atuação (Tempo x Corrente) posicionadas acima das curvas dos dispositivos localizados após o defeito (a jusante) e, para tal alcance um atraso adicional é inserido (FOWLER et al., 2019).

Conforme apresentado na fig.2, no qual ocorrem três defeitos em diferentes pontos próximos ao fusível 3 (F3) e, observa-se que o mesmo é seletivo em relação ao fusível 2 (F2) pois, somente F3 atua para uma falha próxima dos seus terminais.

Fig. 2: Curvas de coordenação entre fusíveis

Fonte: Elaborado pelo autor

Quanto à coordenação religador-fusível, há um atraso proposital, para garantia da seletividade, na atuação do religador com relação ao tempo de coordenação dos fusíveis, pelo fato do mesmo não conseguir diferenciar as seções com ou sem a proteção dos fusíveis (FOWLER et al., 2019).

Essa análise torna-se ainda mais complexa sob o ponto de vista da operação conjunta ao limitador de corrente de curto-circuito. A tecnologia de sensoriamento sem fio entra nesse sistema como um facilitador da comunicação religador-limitador-fusível, no qual, consegue atualizar um receptor instalado no barramento principal sobre o atual estado da rede, permitindo uma sequência lógica e assertiva de atuação de cada elemento da proteção (FOWLER et al., 2019).

3.4.1 MÉTODOS FUSE BLOWING E FUSE SAVING

As filosofias de proteção fuse blowing e o fuse saving foram desenvolvidas para redes áereas de distribuição com distintas operações e finalidades (TEIXEIRA, 2019). Esquemas fuse saving permitem que o religador elimine qualquer falha temporária localizada na linha sem ocasionar queima de um fusível. Se após a tentativa de restabelecimento da rede, por parte do religador, verifica-se que essa avaria persiste, tornando-se permanente, o fusível a montante da falha atua e o religador torna-se, portanto, uma proteção de backup ou retaguarda (FOWLER et al., 2019). Nesse esquema de coordenação, representado na fig 3, o religador possui uma curva de atuação rápida e uma curva de maior tempo, estando entre essas a operação do fusível (TEIXEIRA, 2019).

Fig. 3: Curvas de operação religador-fusível do ramal RJ

Fonte: Elaborada pelo autor

Flower et al. (2019) cita que, no esquema fuse blowing, o religador é configurado apenas com uma curva de maior tempo, selecionada para coordenar com todos, e após, os fusíveis a jusante. Isto é, persistindo a avaria no sistema e não havendo eliminação por parte dos fusíveis, o religador abre o circuito. Logo, faltas permanentes são solucionadas pela abertura do religador que interrompe a energia de todo ramal a jusante. Essa forma de operação possui algumas desvantagens uma vez que, falhas que ocorrem em seções de ramal não protegidas por fusíveis persistem por tempos maiores devido à programação de coordenação que, na filosofia fuse blowing, exige a atuação do religador somente após as respostas de todos os demais fusíveis, ocasionando, por exemplo, afundamento de tensão, um risco que impacta diretamente nos índices de qualidade de energia da distribuidora (FLOWER et al., 2019).

4. OVERVIEW IEC 61850

A IEC (International Eletrotechnical Commision) criou a norma IEC 61850, a qual foi identificada como uma solução para comunicação no sistema de automação de subestações (SAS), à medida que surge como uma tentativa de padronização de características físicas dos dispositivos, modelagem de dados e protocolos de comunicação (LOPES, 2012).

Assim, garantindo a interoperabilidade, isto é, dispositivos diversos, de diferentes fabricantes, podem se comunicar de forma rápida e precisa, sem a necessidade de intervenção de um gateway. A norma define, também, três níveis hierárquicos, lógicos, nos quais são alocadas as funções de proteção, controle e supervisão do SAS e, dessa forma, seus equipamentos são categorizados em: Estação, Vão e Processo. Conforme definido por ABB (2021):

  • Equipamentos no nível de estação permitem a interface Homem-Máquina (IHM) e o SAS, centro de controle e engenharia remotos, com comunicação vertical (ABB, 2021);
  • O nível de relés de proteção, controladores de vão, dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs) de medição e registro, alarmes, além de sinais de disparo e dados de monitoramento até o nível de estação (ABB, 2021);
  • O nível de processo compreende transformadores de instrumento não convencionais (NCIT), unidades de fusão independentes para transformadores de corrente (TCs) e IEDs de disjuntor, com interface para o equipamento primário (ABB, 2021).

São definidos pela IEC 61850 dispositivos físicos e lógicos. Nessa estrutura, os dispositivos físicos são modelados como dispositivos lógicos (DLs) cujos conceitos-chave são: Classe, Objeto, Atributos, Métodos e Herança. Quanto à composição lógica destes dispositivos, são estabelecidas as definições de mnemônicos chamados de nós lógicos ou logical nodes (LNs) que identificam os DLs dentro de cada grupo funcional ou classe (proteção, medição, controle etc.) da SE, tais como CSWI- Controlador de chaveamento (SWItch), PTOC- Proteção de Sobrecorrente (Time OverCurrent), entre outros (IEC 61850, 2020).

4.1 GOOSE- GENERIC OBJECT-ORIENTATED SUBSTATION EVENTS

A norma IEC 61850 define o protocolo GOOSE para a transmissão de dados binários de alta velocidade, sendo está definida como comunicação horizontal e tem como objetivo trafegar de forma rápida entre os dispositivos possibilitando o envio assíncrono de informações e, sendo utilizada junto às aplicações de proteção do sistema elétrico. Trocam informações entre si utilizando MAC multicast e utilizam o mecanismo de rede conhecido como publicador-assinante (IEC 61850, 2020).

Para assegurar o recebimento no destino e aumentar a confiabilidade, a mesma mensagem GOOSE é enviada diversas vezes. A norma, IEC 61850, define um mecanismo baseado em temporização, no qual, aumenta-se progressivamente o intervalo entre as retransmissões, até que um novo evento ocorra, reiniciando o processo, ou se alcance um limite máximo de retransmissões e todos os assinantes sejam atualizados, em um único ciclo de envio de mensagens na rede (IEC 61850, 2020).

4.2 MMS-MANUFACTURING MESSAGESPECIFICATION

Segundo definição dada pela IEC 61850, o MMS é um protocolo de camada de aplicação para suportar a comunicação entre dispositivos programáveis. Tem por objetivo efetuar funções de controle e supervisão dos equipamentos do sistema permitindo, inclusive, comandos (locais e remotos) feitos pelo supervisório, sendo intitulada pela norma como uma comunicação vertical. Esse protocolo segue o modelo cliente-servidor em que os dispositivos envolvidos podem desempenhar ambas as funções, simultaneamente. As operações MMS realizadas pelas entidades envolvidas são definidas como serviços, organizados em grupos (IEC 61850, 2020).

Duas aplicações MMS, por exemplo, estabelecem uma conexão usando o serviço de inicialização. Outros serviços utilizados são: Initiate, Identify, Read, Write, Get, Information Report e Conclude (IEC 61850, 2020).

Com a IEC 61850, é possível desenvolver softwares e hardwares ditos a prova de futuro, na medida em que ela possibilita a evolução da tecnologia por meio de atualizações facilmente programáveis. Na questão comunicativa, o principal aspecto está relacionado com o fato de que a Norma não se atém às rápidas mudanças da tecnologia das comunicações, mas sim ao modelo de dados de objetos, ou seja, em partes de funções que são comuns em subestações tais como, disjuntores, controladores, seccionadoras, funções de proteção, que podem cambiar dados entre si e assim, permitir a configuração física e lógica de novos equipamentos no sistema elétrico de potência (SEP) (KREUTZ, 2014).

5. PROPOSTA DE PESQUISA

Com o objetivo de traçar um novo perfil de coordenação para os dispositivos de proteção do ramal RJ, 13,8kV, 2MVA, vale-se da utilização de (1) LCC para diminuição do impacto das altas correntes de falha e (2) sensores de corrente auxiliadores da percepção do religador e fusíveis, na dinâmica da rede, perante falhas.

O limitador será modelado pela IEC 61850 a partir de funções existentes na Norma para outros equipamentos de proteção, identificando, portanto, semelhanças que permitem caracterizá-lo em uma ou mais classes, com dados, atributos e valores bem definidos. Para efeito de controle e supervisão do LCC, com o mapeamento de suas intervenções para o operador, utiliza-se o protocolo de comunicação MMS. O protocolo GOOSE é utilizado para envios de mensagens entre os dispositivos de proteção da rede diante das ocorrências de curtos-circuitos (MCCOLLUM et al., 2019).

Quanto aos possíveis estilos de coordenação religador-fusível e sobre a disposição desses elementos no circuito de proteção, algumas particularidades operativas são destacadas nesta seção, além dos cenários para dois pontos de falhas: no barramento principal e nos ramais dos alimentadores.

5.1 ARQUITETURA DA SUBESTAÇÃO

O ramal RJ é composto por um religador automático (RA), limitador de curto-circuito chaveado e trifásico (LCC), oito fusíveis e uma seccionadora (SEC). As chaves-fusíveis existentes ao longo do circuito de 13,8 kV no ramal RJ são do tipo 4K e 10K (elo fusível de expulsão), cujas correntes mínimas de fusão são de 10A e 20A, respectivamente.

A fig.4 mostra o posicionamento da SEC na rede, que se encontra instalada no tronco principal do ramal RJ (destacado em vermelho), conectada a jusante do RA, e está ajustada em 40A para iniciar sua operação. O objetivo da SEC é desconectar o trecho a jusante sob condições de falha, sem que o religador realize o terceiro religamento (R3) e possivelmente faça a abertura e o bloqueio permanente de todo o ramal. Por exemplo, se uma falha cuja magnitude da corrente alcança 45A acontece a jusante da SEC, ela contabiliza dois tempos de espera e dois religamentos, no tempo três ocorre a abertura de seus contatos nas três fases, de forma permanente. Assim, o religador segue em operação normal e o fornecimento de energia para os clientes conectados a montante da SEC segue normalizado (MAMEDE, 2017).

Fig4: Trecho da seccionadora no Ramal RJ

Fonte: Elaborado pelo autor

Os sensores de corrente sem fio, vistos mais adiante, desempenham importante papel para a comunicação e assumem a função de trazer autonomia operacional ao religador que, na ausência de unidade de disparo rápido (50T), método fuse blowing, sob condições de problemas com a atuação da proteção nos alimentadores, manteria o barramento principal conectado (MCCOLLUM et al., 2019).

5.1.1 DEFEITOS NO BARRAMENTO PRINCIPAL

Para uma falha (FT 1) que ocorre no barramento, conforme mostrado na Fig.5, o LCC consegue diminuir a intensidade dessa corrente, sendo a sua sensibilidade em torno de 300A. Uma vez que, a corrente de defeito tem seu valor reduzido (não mais sendo uma falha), o religador consegue em duas tentativas (2T) recompor o sistema (MAMEDE, 2017).

5.1.2 DEFEITOS NOS ALIMENTADORES

Se o evento de falha, uma alta corrente, ocorre em um dos alimentadores, próximo ao fusível 2 (F2), por exemplo, há atuação de F2 e, na terceira tentativa de religamento (R3) de RA, tendo sido eliminado o defeito, o sistema volta a operar normalmente. Se a ocorrência persistir, ou seja, se F2 não atuar, RA (backup do alimentador) fica em condições de disparo coordenado junto aos demais fusíveis, ajustados para atuarem primeiro, ratificando que, todas as falhas a jusante do religador-limitador colocam a segurança e confiabilidade de todos os consumidores na dependência da correta atuação dos fusíveis de cada alimentador (MCCOLLUM et al., 2019).

Observa-se na fig. 5 essas duas possibilidades de ocorrência de defeitos.

Fig. 5: Falhas no barramento e no alimentador

Fonte: Elaborado pelo autor

5.2 MODELAGEM DA REDE DE SENSORES SEM FIO

A fig. 6 ilustra a disposição, na rede, dos sensores de proteção sem fio de alta velocidade, sendo esses de corrente, e conforme destaca Mccollum (2019), autoalimentados pelo próprio sistema onde se encontram instalados. No ramal RJ, é proposta a instalação em cada alimentador com comunicação direta para os dispositivos receptores. O sinal de bloqueio é reportado através das mensagens virtuais ponto a ponto de alta velocidade, GOOSE, e todas as atuações do LCC são envidas pelo protocolo MMS ao supervisório, ambos por meio de uma rede Ethernet (MCCOLLUM et al., 2019).

Fig. 6: Esquema com sensores sem fio no ramal RJ

Fonte: Elaborado pelo autor

5.2.1 ESQUEMA DE ATUAÇÃO PARA FALHAS NO BARRAMENTO

Para as instalações antes do RA, na saída do transformador, deve-se considerar questões relacionadas à corrente de inrush, devido a sensibilidade dos sensores a essas correntes, que podem chegar a 25 vezes o valor da corrente nominal (MARDEGAN, 2010).

Pode-se observar, a partir da fig. 7, a estrutura básica de comunicação entre o religador e o limitador. De acordo com Mccollum et al. (2019), o uso de sensores agiliza a informação de falhas na rede. E assim, o sinal de detecção de curto-circuito é rapidamente recebido junto ao limitador que procede com a devida redução da corrente.

Fig. 7: Comunicação básica entre religador e limitador

Fonte: Elaborado pelo autor

5.2.2 ESQUEMA DE ATUAÇÃO ENTRE DOIS FUSÍVEIS

Foi identificado, em um estudo preliminar no ramal RJ, que os fusíveis F7 (4k) e F8 (10 k) apresentam problemas de coordenação, isto é, atuam de forma conjunta para correntes acima de 350 A. E, nessa falha de operação, os sensores de corrente, situados nos alimentadores correspondentes a estes fusíveis, são ágeis soluções no envio de sinal de bloqueio para evitar o disparo indevido de F7 ou F8. A lógica de funcionamento está apresentada na fig. 8.

Fig8: Comunicação básica entre fusíveis e seccionadora

Fonte: Elaborado pelo autor

5.3 NOVA CLASSE DE DADOS- IEC 61850

Os nós lógicos (LNs) e todas as classes que caracterizam o objeto de dados podem ser encontrados detalhados na IEC61850-5 e IEC61850-7-4, sendo conteúdos de grande valia na descrição de informações produzidas e utilizadas em cada IED, além de viabilizar a troca de informações entre estes dispositivos (IEC, 2003). A fig.9 mostra os dados mais relevantes na composição das informações referentes aos LNs.

Fig. 9: Categorias de informação de nós lógicos

Fonte: Adaptado de IEC 61850 (2003)

Vale ressaltar que, a IEC 61850, define GGIOs que representam dispositivos genéricos ou auxiliares não diretamente especificados pela Norma. Não obstante, devido a relevância das funções e particularidades de limitadores utilizados em redes de distribuição, nesse caso, rural, em média tensão, optou-se por definir uma nova classe de dados respaldados pela IEC 61850 permitindo, assim, a modelagem lógica de limitadores de corrente de curto-circuito (IEC, 2003).

O detalhamento técnico e operativo de funcionamento do LCC foge do escopo deste trabalho, sendo objeto deste estudo a sua modelagem direta e prática. O limitador de corrente de curto-circuito de 13,8kV, auxiliado por chaves semicondutoras de potência, mesmo não sendo diretamente caracterizado como objeto lógico pela Norma IEC 61850, pode ser comparado com outros elementos de proteção normatizados pela IEC61850 e assim, foram identificadas como relevantes e descritivas do comportamento operacional do LCC as seguintes funções: Relacionadas a Proteção (R), Supervisão (S) e Chaveamento (X) (IEC, 2010).

De acordo com a IEC 61850, em um único IED é permitida a categorização de várias funções. A identificação das classes que descrevem o LCC, ou ainda o SCL- Short-Circuit Limiter, leva aos seus nós lógicos:

  • RSCL: Limitação de corrente de curto-circuito relacionada à funções de proteção. Operação similar aos elementos de proteção de sobrecorrente. Verifica o estado da rede e a intervenção dos dispositivos de proteção convencionais (relés, religadores e fusíveis), de forma que, mesmo para reduções da corrente de defeito, eles continuem atuando (IEC, 2010).
  • SSCL: Supervisão para a limitação de corrente de curto-circuito. Obtém amostras de tensão e/ou corrente da rede, processa algoritmos de detecção de curto-circuito, envia pulso de acionamento/desligamento das chaves semicondutoras (IEC, 2010).
  • XSCL-Chaveamento no processo de limitação de corrente decurto-circuito. Abertura e fechamento de chaves semicondutoras de potência que operam paralelas ao limitador. Conforme define a IEC 61850, os nós lógicos deste grupo fornecem atributos e valores que são necessários para representar os equipamentos de comutação no sistema descritivo lógico do LCC (IEC, 2010).

As Tabelas II, III e IV, a seguir, mostram algumas classes de dados, disponíveis na IEC 61850-7-1, e adequadas para a modelagem do LCC. Essas classes são agrupadas em três categorias (informações básicas do nó lógico, dados de controle e de informação) e são referenciadas pelo seu nome ou Data Object Name, como por exemplo, ”Pos”- Posição. É definido também, pela Norma, a classe de dados comuns (CDC-Common Data Class) que agrupa os detalhes, ou seja, os atributos (nome, tipo, restrição funcional, opção de disparo, valor/intervalo de valores etc.) de uma classe e, logo em seguida, se esta classe de dados é obrigatória/mandatória (M), opcional (O) ou condicional (C). Quando um objeto de dados é marcado como obrigatório (M), deve ser contido na instância do nó lógico. Caso esteja marcado como opcional (O), pode estar contido ou não na instância do nó lógico. A especificação condicional (C) é uma indicação de possibilidades para estes dados. Essa classificação é importante para posterior obtenção de informações pós-falha e para o controle geral do supervisório (IEC, 2003). Alguns dos CDCs citados estão relacionados à: Medição (MV-Valor mensurado), Informações de Estado (BCR- Contagem binária), Ajustes (SPG- Único ponto), Estados Controláveis (SPC-Controle de único ponto ou DPC-Duplo ponto) e Configurações Analógicas (ASG) (LOPES, 2021).

Fonte: Elaborado pelo autor
Fonte: Elaborado pelo autor
Fonte: Elaborado pelo autor

Toda estrutura de criação para o nó lógico representante do LCC se baseou em objetos já estabelecidos pela IEC 61850, tais como os referentes ao disjuntor (XCBR/SCBR) e ao religador automático (RREC); outras nomenclaturas do objeto de dados, marcadas com asterístico nas tabelas, foram criadas diante da necessidade de outras identificações para o LCC, ainda não identificadas na Norma. Na fig.10 pode ser vista a estrutura final característica do nó lógico XSCL, a partir de seus dados, atributos e referências imprescindíveis na modelagem de um IED (IEC 61850, 2020).

Fig. 10: Modelagem de um IED

5.4 MODELAGEM DA COMUNICAÇÃO DA PROTEÇÃO PELA IEC 61850

Conforme cita a IEC 61850 (2020), a comunicação horizontal entre IEDs é feita por mensagens GOOSE, no modelo publicador-assinante, e essa troca de informações entre dispositivos permite, através de outro modelo, o de cliente-servidor, o controle por um sistema supervisório, sendo utilizado o protocolo de comunicação MMS, sendo essa comunicação representada na fig. 11. Logo, se o limitador modelado pela IEC 61850 possui, por exemplo, atributos que definem a abertura e fechamento das suas chaves semicondutoras de potência e se, ao limitar a corrente de falha é verificado que o dado posição (”Pos”) não foi restabelecido, podendo representar a queima da chave, haverá o envio de mensagens virtuais ponto a ponto de alta velocidade, GOOSE, publicadas para toda rede, porém apenas o fusível mais próximo da respectiva falha, configurado para o recebimento de tais mensagens (assinante), receberá o sinal indicativo de corrente não limitada, podendo proceder com a necessária atuação (MCCOLLUM et al., 2019).

Fig. 11: Níveis de uma subestação e interfaces de comunicação entre estes níveis de acordo com a arquitetura proposta na IEC 61850

Fonte: Adaptado de IEC 61850 (2020)

Conforme destaca Mccollum et al. (2019), os fusíveis, por si só, não possuem capacidade de reporte de sinais de bloqueio e/ou atuação. Todavia, a partir do modelo da rede representado por nós lógicos e auxiliado por sensores de corrente sem fio, toda essa comunicação torna-se viável.

Por sua vez, todas as ocorrências e consequentes limitações nos eventos de falha do sistema de distribuição são reportadas ao supervisório que tem o controle, via protocolo de comunicação MMS, da SE. Através de funções, como o Get, o operador tem um mapa dos objetos que existem dentro do dispositivo, processo denominado de self-description e, além disso, a função Write permite a execução de um comando e alteração, se necessário, de um atributo de classe comum como ferramenta de intervenção de emergência (IEC 61850, 2020).

Para o funcionamento do sensor sem fio, o receptor qualifica os sinais de entrada e codifica o resultado em um bit lógico que é transportado por um link de comunicação serial dealta velocidade, ou seja, via GOOSE para um processador lógico de proteção (MCCOLLUM et al., 2019).

São necessários ajustes (calculados com base nos elementos de proteção existentes na SE) antes da instalação destes sensores a fim de manter a sensibilidade e, mediante a comparação de valores pré-validados, permitir a identificação de uma avaria sistêmica comunicando tal ocorrência ao receptor instalado, de preferência, próximo ao sensor (MCCOLLUM et al., 2019).

6. CONCLUSÃO

A tecnologia de sensores sem fio permite facilidade na instalação e grande aplicabilidade em diversos cenários, principalmente em SEs que contabilizam perdas em equipamentos de alto custo devido às elevadas correntes de curtos-circuitos. Diante dessa realidade, LCCs mostram-se como eficientes soluções que minimizam os efeitos nocivos dessas avarias. Entretanto, tecnologias que agem por si só e não são agregadas (ou desenvolvidas para tal integração) a uma rede de comunicação inteligente e rápida, podem, por mais sofisticadas que sejam em sua engenharia, não conseguir destaque como respostas em melhorias e atendimento às demandas de uma sociedade cada vez mais energeticamente conectada. Na busca por essa “utilidade operativa sistêmica” a norma IEC 61850 consegue unir os equipamentos existentes, de diversos fabricantes, com um modelo de dados que padroniza a operação desses dispositivos físicos a partir de uma lógica que mantém as particularidades intrínsecas de cada um deles e os identifica objetivando uma comunicação mais eficaz, automatizada e independente. Essa flexibilidade, respaldada pela Norma, permite a inclusão de modernizações e novas soluções, como o limitador de curto-circuito, comprovando a possibilidade, independentemente do modelo físico utilizado na construção do equipamento, de incorporar a evolução do sistema de distribuição em padrões de operação funcionais e internacionalmente utilizados deixando, portanto, uma herança operativa para as novas gerações de equipamentos que irão compor os sistemas de distribuição rurais ou de grandes centros urbanos.

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[1] Bacharel em Engenharia Elétrica em Sistemas de Potência pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). Possui experiência nos setores de transmissão e distribuição de energia elétrica. Atualmente, é aluna de mestrado em Engenharia Elétrica no campo de Modelagem e Análise de Sistemas de Energia, na Universidade Federal Fluminense (UFF).

Enviado: Junho, 2021.

Aprovado: Julho, 2021.

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