Contextualização do Tema

Atualmente, devido às normas vigentes do setor elétrico (BRASIL, 2004), é crescente a necessidade do desenvolvimento de procedimentos técnicos que assegurem robustez e confiabilidade aos sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica. A expansão e o aumento da complexidade do setor elétrico tornam o sistema elétrico mais propício a falhas e levam a uma maior degradação dos índices de Qualidade da Energia Elétrica (QEE). Portanto, o desenvolvimento de procedimentos de controle e proteção aplicados na geração, transmissão e distribuição que garantam a QEE ofertada aos clientes do sistema é de fundamental relevância.

Para que um Sistema Elétrico de Potência Sistema Elétrico de Potência (SEP) opere adequadamente, as seguintes características devem ser observadas: continuidade, confor- midade, flexibilidade e manutenabilidade (CAMARGO, 2009). Assim, com o objetivo de acompanhar o processo de expansão e manter presente a qualidade desejada para ope- ração de um sistema elétrico, estudos vêm sendo realizados continuamente na área de proteção em busca do desenvolvimento de equipamentos digitais que permitam assegurar que as faltas sejam extintas rápida e adequadamente. Estas pesquisas têm como propósito preservar a integridade do SEP e impedir que faltas em um determinado trecho da rede venha a afetar outros setores do SEP.

As linhas de transmissão são os componentes do sistema elétrico que transportam a energia produzida pelas fontes de geração até os centros consumidores de energia elé- trica, sendo os elementos da rede mais suscetíveis a falhas, devido à sua grande extensão e exposição à variadas condições climáticas e ambientais. Na Tabela 1.1 mostra-se a

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percentagem de ocorrência de faltas para os diversos componentes do SEP. Aproximada- mente 50% das faltas ocorrem em linhas aéreas, sendo 85% monofásicas, 8% bifásicas, 5% bifásicas à terra e 2% trifásicas (PAITHANKAR; BHIDE, 2010). No sistema elétrico brasileiro, as linhas de transmissão correspondem com 68% das ocorrências de falta da rede (FILHO; MAMEDE, 2011).

Tabela 1.1: Distribuição típica do número de faltas por equipamento (PAITHANKAR; BHIDE, 2010).

Tipo de Equipamento Porcentagem Total (%)

Linhas aéreas 50

Cabos subterrâneos 9 Transformadores e reatores 10

Geradores 7

Disjuntores 12

Equipamentos de controle e transformadores para instrumentos 12

Dentre os equipamentos mais utilizados para a proteção de linhas de transmissão, destaca-se o relé de distância (PHADKE; THORP, 2009), cujas tarefas básicas atualmente são: detecção e classificação da falta, cálculo da impedância aparente e distância da falta, verificação da zona de proteção e caso uma falta seja detectada, o envio de sinal para abertura dos disjuntores para isolação elétrica da falta envolvida (COURY, 1987).

A primeira tarefa do relé de distância corresponde à detecção da falta por meio da mudança dos parâmetros de entrada do relé de proteção, que correspondem aos sinais de corrente e/ou tensão do elemento do sistema elétrico a ser protegido. Em seguida, o mó- dulo de classificação permite uma rápida identificação das fases em situação de falta, o que resulta em uma diminuição do tempo de cálculo dos parâmetros utilizados na locali- zação da falta.

Uma vez que a falta tenha sido detectada e classificada, os parâmetros de tensão e cor- rente apropriados são selecionados para o cálculo da impedância aparente. A impedância aparente calculada é utilizada em conjunto com as características de atuação do relé, cuja análise pode resultar no envio do sinal de comando para abertura de disjuntores se a falta estiver localizada dentro da zona de proteção.

Em condições de falta, os sinais de corrente e tensão monitorados pelo relé estão sus- cetíveis às seguintes interferências: componente DC de decaimento exponencial, compo- nentes harmônicos, fenômenos transitórios de alta e baixa frequência e não linearidades

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO 27

causadas por transformadores de instrumentos, entre outras. A componente DC de decai- mento exponencial é um elemento presente nos sinas de corrente de curto-circuito com característica contínua, que decai exponencialmente ao decorrer do tempo e seu valor de- pende das características do SEP e do local da falta. Portanto, para que um algoritmo de estimação fasorial esteja apto a operar satisfatoriamente, ele deve ser o menos susceptível possível às interferências nos sinais analisados.

O cálculo da impedância de falta pode ser realizado por dois tipos de algoritmos: baseados nos cálculos dos fasores na frequência fundamental ou na resolução de equa- ções diferenciais que relacionam as grandezas da linha de transmissão (SILVA, 2009). O primeiro algoritmo é o mais aplicado em relés comerciais (ZIEGLER, 2006), sendo os algoritmos de estimação fasorial baseados na Transformada Discreta de Fourier (TDF) mais amplamente utilizados em relés digitais (PHADKE; THORP, 2009).

Os algoritmos de estimação fasorial baseados na TDF são robustos a interferências harmônicas e ruído branco. Além disso, esses algoritmos são intrinsecamente adaptati- vos, pois são aplicados a uma janela móvel do sinal. Contudo, a correta aplicação da TDF depende de determinadas premissas básicas (GIRGIS et al., 1991): o sinal analisado deve ser estacionário e a frequência de amostragem do sinal deve ser múltipla inteira da frequência fundamental. No entanto, na prática, os sinais analisados são não estacioná- rios e essas premissas não são completamente atendidas, o que pode ocasionar cálculos imprecisos da TDF.

Para desempenhar adequadamente suas funções, um relé de distância requer um algoritmo que estime rápida e precisamente os fasores de corrente e tensão da linha a ser protegida. Desta forma, a busca por novos métodos de estimação de fasores que venham a tornar o sistema de proteção mais robusto e eficaz é de grande relevância ao sistema elétrico. Dentre as várias alternativas, este trabalho propõe um novo método de estimação baseado em mínimos quadrados na forma recursiva. Assim, em sua forma padrão, esta técnica não fornece a adaptabilidade necessária para sua aplicação em proteção de distância. Entretanto, este trabalho busca investigar algumas técnicas para contornar esta limitação, de forma a tornar o algoritmo de mínimos quadrados adaptativo e utilizável na proteção de sistemas elétricos de potência. Com o objetivo de tornar a técnica mais robusta em relação ao decaimento exponencial, investiga-se a utilização de um filtro não linear baseado na teoria da Morfologia Matemática (MM).

28 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO

1.2

Motivação

No sistema elétrico de transmissão, destacam-se entre os índices de QEE a frequência e o tempo de indisponibilidade do fornecimento de energia elétrica. O descumprimento das metas de qualidade estabelecidas pelos órgãos regulamentadores provoca diminuição de receita das concessionárias. Portanto, é de fundamental importância a presença de um sistema de proteção eficiente e robusto que minimize os riscos provenientes de ocorrências de falta na rede. Dentro deste sistema de proteção, destaca-se a necessidade da proteção de distância, cuja boa atuação diminui o tempo de reparo, garantindo desta forma um restabelecimento mais rápido às condições normais de operação do SEP.

O uso da estimação fasorial é amplamente utilizado em sistemas de localização de faltas em linhas de transmissão. Desta forma, este tema tem gerado grande interesse por parte de pesquisadores e concessionárias de energia elétrica, cujo objetivo consiste em desenvolver algoritmos de estimação fasorial mais precisos e confiáveis.

1.3

Objetivos

O objetivo deste trabalho é apresentar uma técnica de estimação fasorial que possa ser implementada em um relé numérico microprocessado de proteção de linha de transmis- são. O método proposto tem como base as teorias de mínimos quadrados e morfologia matemática, sendo esta responsável pela redução da interferência da componente DC de decaimento exponencial na estimação fundamental.

Neste trabalho, a técnica proposta será comparada ao algoritmo de Fourier e a outros métodos também baseados em mínimos quadrados. Seu desempenho será avaliado por meio de sinais sintéticos e sinais provenientes da modelagem de um sistema elétrico no Alternative Transient Program (ATP). Além disso, será analisada a sensibilidade do al- goritmo proposto à variações dos parâmetros de falta: resistência, distância e ângulo de incidência de falta. O método proposto e o algoritmo de Fourier de um ciclo terão seus desempenhos analisados quanto à precisão e rapidez na estimação da distância de falta.