Sistema de localização de faltas em redes de distribuição

Sistema de localização de faltas em redes de
distribuição de energia elétrica
Célio F. Barbosa*, Rogério Botteon Romano, Flávio E. Nallin, Eduardo F. Costa, Danilo de
Milano, Gustavo H. S. Ribas, Valdir Cardinalli Jr., Raphael N. Souza, Rômulo José Filho,
Marcelo P. C. Alves e Leonardo F. Moura
Este artigo apresenta um sistema para localização de faltas em redes de distribuição de energia elétrica,
cujo funcionamento baseia-se na instalação de sensores em pontos estratégicos da rede. Esses
sensores têm a capacidade de detectar faltas caracterizadas por curto-circuitos ou por ausência de
tensão na rede primária e, posteriormente, enviar essas informações para o Centro de Operações
Integradas (COI) da concessionária, onde um software especializado trata as mensagens recebidas e
informa ao operador o trecho de rede onde ocorreu a falta. O artigo também descreve uma instalaçãopiloto composta por alimentadores urbanos da Região Metropolitana de Recife e por alimentadores rurais
de Vitória de Santo Antão e apresenta os resultados preliminares obtidos.
Palavras-chave: Rede de distribuição. Falta. Qualidade de energia. Smart grid.
Introdução
As redes de distribuição de energia elétrica
operam, normalmente, em média tensão (classe
de 15 kV) e são responsáveis por levar a energia
desde as subestações de transformação até os
transformadores de média ou baixa tensão
instalados próximos dos consumidores. Essas
redes se ramificam pelas ruas das cidades,
resultando em uma topologia de razoável
complexidade. No Brasil, as redes de distribuição
são construídas majoritariamente em estruturas
aéreas (postes), em razão de seu menor custo
em comparação com redes subterrâneas. No
entanto, a instalação aérea deixa a rede mais
susceptível à ação de diversos agentes,
causando falhas em sua operação. Essas falhas
são usualmente designadas pelo termo "faltas",
derivado do termo inglês fault (i.e., defeito). As
causas mais comuns de faltas na rede de
distribuição são abalroamento de postes por
veículos, descargas atmosféricas e quedas de
galhos de árvores e objetos na rede.
A ocorrência de uma falta pode causar
interrupção do fornecimento de energia elétrica,
o que requer uma intervenção emergencial por
parte da concessionária. O período de tempo
decorrido desde a ocorrência da falta até o
restabelecimento do fornecimento de energia é
um fator crítico para a concessionária, que afeta
a imagem da empresa, o faturamento do serviço
e os indicadores monitorados pela Aneel
(Agência Nacional de Energia Elétrica). Esse
período, que recebe a designação TMAE (tempo
médio de atendimento a emergências), é
composto por três parcelas: tempo de
preparação (entre o conhecimento da existência
de uma ocorrência e o instante de autorização
para o deslocamento da equipe), tempo de
deslocamento (entre o instante de autorização
para o deslocamento da equipe até o instante da
chegada ao local) e tempo de execução (entre o
instante de chegada ao local da ocorrência até o
restabelecimento do fornecimento de energia).
Este artigo apresenta um sistema desenvolvido
para reduzir o tempo necessário para localizar o
defeito em redes de distribuição. O projeto foi
executado pela Fundação CPqD e financiado
pelo Programa de Pesquisa e Desenvolvimento
Tecnológico regulado pela Aneel, com o apoio da
Celpe (Companhia Energética de Pernambuco).
Trata-se de um projeto da fase Cabeça de Série
do processo de inovação tecnológica, cujos
resultados da fase anterior foram divulgados por
Ferreira e autores (2011).
1
Breve revisão do estado da técnica
Para minimizar o TMAE, diversas técnicas são
empregadas para localizar uma falta na rede de
distribuição. Essas técnicas podem ser
separadas em dois grupos, aqui designados
como estimador e sinalizador. O primeiro grupo
consiste na estimativa do local de ocorrência da
falta através do processamento de sinais obtidos
durante ou imediatamente após a falta, enquanto
o segundo grupo se baseia na sinalização do
trecho da rede onde ocorreu a falta.
Entre as diversas técnicas utilizadas na
estimativa do local de ocorrência da falta,
destacam-se as técnicas baseadas (i) na
medição da impedância da rede (GIRGIS; HART;
PETERSON, 1992; SACHDEV; AGARWAL,
1988; SRINIVASAN; ST-JACQUES, 1989), (ii) na
análise
de
ondas
viajantes
(ANCELL;
PAHALAWATHA, 1994; MAGNAGO; ABUR,
1998; THOMAS et al., 1998) e (iii) na utilização
de sistemas especialistas que utilizam redes
neurais (CHEN; MAUN, 2000; EBRON;
LUBKEMAN; WHITE, 1990; KANDIL et al.,
*Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].
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Sistema de localização de faltas em redes de distribuição de energia elétrica
2002). As vantagens e desvantagens das
diversas técnicas utilizadas na estimativa do local
da falta estão relacionadas à infraestrutura de
instrumentação e comunicação disponível e à
topologia das redes de distribuição. Borghetti e
autores (2007) apresentam uma interessante
comparação entre resultados obtidos pela
técnica baseada na determinação do instante de
chegada das ondas geradas pela falta com
aqueles obtidos pelo processamento da tensão
transiente gerada pela falta. Esse processamento
utiliza a transformada wavelet para extrair, do
sinal transitório, as frequências que caracterizam
os
diversos
trechos
da
rede.
Já as técnicas utilizadas na sinalização do trecho
onde ocorreu a falta compreendem aquelas que
(i) realizam apenas uma sinalização local
(SCHWEITZER, 2008) e (ii) aquelas que
transmitem a informação para o Centro de
Operações Integradas (COI) da concessionária
(SCHNEIDER ELECTRIC, 2013).
As técnicas sinalizadoras se baseiam na
instalação de sensores de corrente de curtocircuito ao longo da linha, de forma que esses
sensores forneçam uma indicação visual quando
submetidos a uma corrente elevada. Os
sensores são suspensos no condutor ou
instalados na estrutura e, no caso de sinalização
local, sinalizam o local da falta por meio de uma
bandeirola ou luz. Dessa forma, a equipe de
manutenção segue o percurso indicado pelos
sensores ativos. Após o restabelecimento do
serviço, a equipe de manutenção tem de voltar
aos sensores para desativar seu estado de
alarme (reset).
Uma evolução dessa técnica é representada por
sensores que, além de fazer a sinalização local,
são dotados também de um sistema de
comunicação que possibilita que sua condição
seja comunicada ao COI da concessionária.
Assim, a equipe de manutenção dirige-se para o
local provável da falta, e não tem mais de
percorrer a linha desde a subestação. Além
disso, os sensores podem ter seus estados de
alarme desativados remotamente.
A
configuração
usual
desses
sistemas
sinalizadores conta com sensores instalados nos
condutores (e.g., três sensores, para uma linha
trifásica) e um concentrador instalado em um
poste nas imediações. A comunicação entre os
sensores e o concentrador geralmente é feita por
um enlace rádio de curto alcance, enquanto a
comunicação entre o concentrador e o COI é
feita por um sistema de comunicação de longo
alcance (e.g., General Packet Radio Service –
GPRS).
O sistema de localização de faltas em redes de
distribuição (SLFRD) apresentado neste artigo se
enquadra nesse último grupo e apresenta
características inovadoras que, em seu conjunto,
proporcionam um diferencial significativo em
20
relação a outros sistemas. Essas características
são descritas ao longo deste artigo.
2
Descrição geral do SLFRD
A Figura 1 apresenta uma vista geral do SLFRD,
na qual os sensores instalados na estrutura
monitoram a corrente e a tensão das fases. Por
exemplo, caso ocorra um curto-circuito na rede,
os sensores localizados a montante do curtocircuito detectam a corrente elevada e enviam
essa informação para o concentrador, através de
enlace rádio de curto alcance. O concentrador
processa a informação recebida, elabora uma
mensagem e a envia para o COI da
concessionária através da rede de telefonia
celular (GPRS). Em locais sem cobertura de
telefonia celular, o concentrador é equipado com
um rádio de longo alcance que se comunica com
outro concentrador instalado em área com
cobertura de telefonia celular.
No COI, a mensagem recebida é tratada por um
software proprietário e exibe um alarme na tela
do servidor. Analisando os sensores que
detectaram o curto-circuito e aqueles que não
detectaram, é possível identificar o trecho de
rede onde ocorreu o curto-circuito. Naturalmente,
como ocorre com todos os indicadores de faltas,
a resolução da indicação depende do número de
sensores instalados na rede, i.e., quanto maior o
número de sensores, menor o trecho indicado.
Com base nas informações recebidas pelos
sensores, o operador do COI despacha a equipe
de manutenção diretamente para o trecho de
rede onde ocorreu a falta.
Figura 1 Diagrama funcional do SLFRD
3
Sensor
3.1 Funcionamento
O sensor do SLFRD é equipado com dois
transdutores, um de campo elétrico e outro de
campo magnético, que monitoram a tensão e a
corrente da rede, respectivamente. Os sinais
captados dependem da posição dos transdutores
em relação ao condutor e da presença de
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condutores vizinhos, o que faz com que a leitura
obtida represente apenas uma estimativa das
tensões e correntes envolvidas. Embora seja
possível modelar com rigor uma instalação real
para a obtenção de leituras precisas, essa
precisão não é um requisito para a aplicação
pretendida. De fato, para a detecção de faltas,
basta identificar se a corrente ultrapassou um
limite ajustado bem acima da corrente de carga e
se, após a passagem dessa sobrecorrente, a
rede está sem tensão.
É muito importante que o sensor apresente um
consumo muito baixo e possa ser alimentado por
bateria durante muitos anos. No caso do SLFRD,
foram selecionados componentes de baixo
consumo e um modo de funcionamento que
minimiza a duração dos estados ativos dos
componentes.
O dispositivo tem três estados de funcionamento:
dormindo, acordado e ativo. No estado
"dormindo", o microcontrolador fica inativo ou
“dorme”, reduzindo o consumo do sensor para
40 A. Nessa condição, o único elemento ativo é
um circuito cão-de-guarda (watch-dog timer), que
inicia ou “acorda” o microcontrolador a cada
474 ms.
No estado "acordado", o microcontrolador verifica
os sinais em suas entradas analógicas e as
compara com os níveis preestabelecidos. Se
nenhum
sinal
tiver
excedido
o
nível
preestabelecido, o microcontrolador volta a
“dormir”, até ser “acordado” novamente pelo
circuito cão-de-guarda. O estado "acordado" dura
26 ms e o consumo do sensor é de 580 A.
Se durante a verificação da linha for identificado
que algum sinal ultrapassou o limite, o
microcontrolador volta a ficar plenamente ativo e
aciona o rádio para comunicação. Nesse estado,
o sensor envia suas mensagens para o
concentrador e fica ativo por algum tempo,
esperando a resposta do concentrador. O estado
"ativo" dura 26 segundos e o consumo médio do
sensor é de 15 mA.
Com essas características, o sensor apresenta
um consumo médio de 68 A. Como ele está
equipado com bateria de 2 Ah, a carga inicial da
bateria permite uma autonomia de 3 anos e 4
meses. No entanto, o transdutor de campo
magnético também é utilizado para captar
energia do ambiente e recarregar a bateria
(energy harvesting). Dessa forma, desde que a
corrente da fase seja igual ou maior a 60 A, a
autonomia da bateria é ilimitada.
Conforme descrito, o sensor é ativado quando
uma de suas entradas analógicas acusa um
evento de interesse, como corrente elevada ou
falta de tensão na rede. Além disso, o sensor
também entra em estado ativo por vontade
própria, para informar para o COI que ele está
em serviço. Para a instalação-piloto, o intervalo
de tempo entre essas transmissões voluntárias
foi fixado em 6 horas. A Figura 2 ilustra os
estágios de funcionamento do sensor.
Dormindo:
Consumo: 40 A
Duração: 474 ms
Frequência: 2 Hz
Observando a linha:
Consumo: 580 A
Duração: 26 ms
Frequência: 2 Hz
Ativo:
Consumo: 15 mA
Duração: 26 s
Frequência: a cada
6 horas
Figura 2 Estados de funcionamento do sensor
Consumo médio: 68 A
3.2 Implementação
O
sensor
foi
implementado
com
o
microcontrolador PIC 16F1829 da Microchip e o
rádio transceptor RXQ2 da Telecontrolli, que
operava em 433 MHz. O transdutor de campo
elétrico capta as correntes de deslocamento
através de uma placa instalada no topo do
sensor. Já o transdutor de campo magnético é
formado por duas bobinas com núcleo de aço
silício,
as
quais
são
dispostas
perpendicularmente ao condutor. Essas bobinas
são instaladas dentro do gabinete, cujas paredes
são atravessadas pelo campo magnético de
60 Hz, praticamente, sem nenhuma atenuação.
Por outro lado, campos magnéticos de alta
frequência, como os produzidos por descargas
atmosféricas, são fortemente atenuados. Essas e
outras características de proteção do sensor
contra os efeitos do ambiente eletromagnético
são descritas por Barbosa e Nallin (2013).
Os sinais captados pelos transdutores de campo
são condicionados, retificados e fornecidos para
as portas do conversor analógico-digital (AD) do
microcontrolador. As constantes de tempo dos
circuitos de condicionamento dos sinais
analógicos foram compatibilizadas com as
características das redes de distribuição. Em
situações, por exemplo, em que o sensor só
monitore a linha a cada 0,5 s, mesmo eventuais
correntes de falta mais curtas que esse período
podem ser detectadas, uma vez que o circuito
analógico do sensor apresenta constantes de
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tempo de carga e descarga de 0,1 s e 3 s,
respectivamente.
Como os sensores trabalham na mesma
frequência (433 MHz), foi implementado um
algoritmo baseado na geração de um número
aleatório para determinar seu momento de
transmissão. Com isso, a probabilidade de
colisão nas transmissões torna-se extremamente
reduzida. Quando um dado sensor transmite uma
mensagem e não recebe uma confirmação do
concentrador, ele repete a transmissão até três
vezes.
Todo o conjunto foi acondicionado em uma caixa
de alumínio de 57 x 125 x 80 mm, conforme
Figura 3. Observa-se na figura que a antena do
rádio foi instalada na parte inferior do gabinete e
o transdutor de campo elétrico, na parte superior.
A chapa vista na lateral direita serve para fixar o
sensor na estrutura de distribuição e é presa pelo
parafuso do isolador de pino.
instalado em seu gabinete.
A Figura 4 mostra o concentrador com o gabinete
aberto, no qual se pode observar seus principais
componentes. Além do rádio transceptor RXQ2
da Telecontrolli, ele dispõe também de um
transceptor GPRS (GSControl) e um receptor
GPS com antena integrada (RXM-GPS-SR). Em
locais sem cobertura de sinal GPRS, o
concentrador admite a instalação de um rádio
transceptor (Digi Xtend XT09), que possibilita
levar o sinal até um local com cobertura GPRS.
Conforme Figura 4, o concentrador tem uma
bateria de 5 Ah que proporciona uma autonomia
de 30 horas em situações de falta de energia
elétrica. Ele oferece também um indicador
luminoso (LED de alta intensidade) que acende
quando um dos sensores supervisionados pelo
concentrador detecta uma falta.
Figura 3 Vista lateral do sensor
4
Concentrador
Figura 4 Concentrador do SLFRD
O concentrador é instalado no mesmo poste em
que foram fixados os sensores ou em outro poste
situado em uma distância de até 100 m, desde
que exista visada direta entre o concentrador e
os sensores. Em uma configuração típica, um
concentrador monitora três sensores, embora
tenha capacidade para monitorar até 12
sensores. Esse recurso é útil quando se quer
monitorar um ou mais ramais que derivam do
alimentador da rede em pontos próximos.
O concentrador é alimentado pela rede elétrica
de baixa tensão, de forma que seu consumo de
energia não é um fator crítico. Ele é mantido
sempre
ativo
para
detectar
eventuais
transmissões dos sensores. Uma vez captada a
transmissão de um sensor, ele gera uma
mensagem de recibo para o respectivo sensor e
mantém o canal de comunicação ativo por 26 s.
Durante esse período de tempo, é possível
ajustar alguns parâmetros do sensor, como, por
exemplo, o nível de corrente utilizado para
detectar uma falta.
A informação recebida pelo sensor é processada
para compor uma mensagem a ser enviada ao
COI. Essa mensagem inclui o "carimbo de
tempo" (time stamp), com o horário em que ela
foi gerada. Para isso, o concentrador conta com
um receptor GPS (Global Positioning System)
22
5
Software de controle
As informações enviadas pelos concentradores
são tratadas e disponibilizadas por um software
que opera em um servidor instalado no COI.
Esse software oferece uma tela principal para o
operador, em que as condições dos sensores
são apresentadas de forma mnemônica.
Os dados principais dos sensores são exibidos
em forma de tabela (página principal), em que a
situação de cada sensor é representada por um
ícone, conforme Tabela 1. O alarme de falta
significa que o respectivo sensor detectou uma
falta e manterá essa indicação até que a tensão
de serviço seja restabelecida. O alarme sem
tensão indica que a rede está sem tensão,
embora não tenha sido detectada uma falta.
Pode ser o caso, por exemplo, da ruptura de um
condutor que não gerou uma corrente elevada.
Esse tipo de evento é conhecido como "falta de
alta impedância" e é muito difícil de ser detectado
pelos relés de proteção.
A indicação de sensor morto significa que não foi
recebida nenhuma comunicação voluntária do
sensor durante o período de tempo esperado.
Por exemplo, no teste-piloto foi estabelecido que
cada sensor deve reportar seu estado a cada 6
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horas e, se em um período de 24 horas não
houver comunicação de um dado sensor, ele
será classificado como "morto". A indicação de
sensor normal significa que o sensor está
funcionando normalmente e não detectou
nenhuma anormalidade na rede.
A ordem em que os sensores aparecem na
Tabela 1 corresponde à ordem em que eles
aparecem na tela principal do software do
SLFRD, i.e., o operador visualiza no topo da tela
os alarmes de falta, seguidos dos alarmes sem
tensão e dos sensores mortos. Dessa forma, os
sensores com alarme ativado são sempre
disponibilizados para o operador do COI.
Em uma tela auxiliar, o operador tem acesso às
leituras dos sensores, suas respectivas datas de
aquisição e o nível de carga das baterias. Essa
tela permite também selecionar os dados por
período de tempo, para uma análise detalhada
do comportamento da rede.
Tabela 2 Alimentadores da instalação-piloto
Subestação
Alimentador N. de Pontos
Bongi
01M2/BGI
1
Ilha do Retiro
01L4/ILR
1
Imbiribeira
01I9/IBR
1
Boa Vista
01C7/BVA
1
Olinda
01N2/OLI
2
Santo Amaro
01M6/STA
2
Tamarineira
01F5/TAM
2
01C1/VSA
3
01C2/VSA
6
01C5/VSA
1
Vitória de Santo
Antão
Tabela 1 Ícones dos sensores
Ícone
Significado
Alarme de Falta
Vermelho
Alarme Sem Tensão
Amarelo
Sensor Morto
Cinza
Sensor Normal
Verde
6
Instalação-piloto
Na implantação da instalação-piloto do SLFRD,
foram produzidos 20 conjuntos, cada um
composto de um concentrador e três sensores,
totalizando 20 concentradores e 60 sensores.
Esses conjuntos foram produzidos pela Já!
(empresa do Universo CPqD), sob a orientação
do CPqD.
A instalação-piloto foi planejada para duas
localidades: Região Metropolitana de Recife e
Vitória de Santo Antão. No Recife, foram
selecionados sete alimentadores de distribuição
localizados em região urbana, enquanto em
Vitória de Santo Antão foram selecionados três
alimentadores localizados em área rural. A
Tabela 2 mostra as subestações, os
alimentadores e o número de pontos de
supervisão por alimentador.
A Figura 5 mostra o trajeto do alimentador
01C7/BVA e o local de instalação do
concentrador C4 e dos sensores 16, 17 e 18. A
instalação desses sensores na estrutura é
ilustrada na Figura 6.
Figura 5 Alimentador 01C7/BVA e ponto do SLFRD
O cronograma da instalação-piloto prevê que a
ativação dos 60 sensores será concluída em
janeiro de 2014. Os sensores já instalados estão
reportando seus dados regularmente, conforme
previsto. Os níveis de tensão das baterias dos
sensores estão estáveis e, em alguns pontos, o
ligeiro aumento da tensão da bateria indica que
deve estar ocorrendo sua recarga.
Figura 6 Sensores do SLFRD instalados na
estrutura de distribuição em Boa Vista
Foram também observadas algumas indicações
errôneas de falta de tensão por parte dos
sensores instalados na Ilha do Retiro. Essa falha,
provavelmente, deve-se ao fato de a instalação
ter sido feita em estrutura com circuito duplo, o
que afeta a leitura de tensão do sensor. A
correção do problema consiste na redução do
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Sistema de localização de faltas em redes de distribuição de energia elétrica
limiar utilizado para o alarme de tensão. Esse e
outros eventos observados durante a operação
da instalação-piloto serão muito importantes para
o aprimoramento do SLFRD.
Conclusão
O sistema de localização de faltas na rede de
distribuição apresenta grande aplicabilidade nas
redes de distribuição de energia elétrica, em um
momento em que as concessionárias buscam
dotar suas redes com dispositivos inteligentes
para prover informações em tempo real para o
COI.
Entre as diversas características inovadoras do
SLFRD, destaca-se a estimativa de correntes e
tensões através da detecção remota dos campos
eletromagnéticos gerados pela linha, assim como
da sinalização de eventos localmente e no COI.
Em particular, cabe ressaltar que a detecção de
falta de tensão permite que o SLFRD sinalize a
ocorrência de faltas de alta impedância, as quais
normalmente não são detectadas pelos relés de
proteção e podem representar sérios riscos de
choque elétrico à população.
Essas e outras características inovadoras do
SLFRD estão protegidas por pedido de patente
depositado no INPI (BARBOSA; NALLIN, 2011).
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Abstract
This paper presents a fault location system for power distribution lines, which is based on the installation of
sensors in strategic points along the power network. These sensors can detect faults such as short circuit or
lack of voltage in the primary circuit, in addition to sending later the information to the utility's network operating
center. A specialyzed software installed at the operating center handles the messages received from the
sensors and informs the faulty line section to the operator. The paper describes also a pilot Iistallation involving
urban feeders of Recife's Metropolitan Region and rural feeders of Vitória de Santo Antão, as well as the
preliminary results obtained.
Key words: Distribution line. Fault. Power Quality. Smart Grid.
24
Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 9, n. 2, p. 19-24, jul./dez. 2013