SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GTL-23 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais
GRUPO XVI
GRUPO DE ESTUDO DE TELECOMUNICAÇÕES EM SISTEMAS DE POTÊNCIA - GTL
AVALIAÇÃO DA SEGURANÇA E CONFIABILIDADE DAS SOLUÇÕES DE TELEPROTEÇÃO SOBRE SISTEMAS DE TRANSMISSÃO DIGITAIS
Hélio Burle de Menezes* Antônio carlos Batista de Lima CHESF CHESF
RESUMO
O artigo aborda a questão da implementação de serviços de teleproteção sobre sistemas de transmissão de tecnologia digital. Diversas soluções, todas testadas e, hoje, em funcionamento na CHESF - Companhia Hidro elétrica do São Francisco são apresentadas e suas características, discutidas. Os aspectos de confiabilidade e segurança de funcionamento e a motivação para a adoção de cada solução são, também, abordados. O trabalho traz, ainda, uma rápida discussão sobre os reflexos destas soluções nos indicadores de desempenho que monitoram a indisponibilidade dos serviços de teleproteção.
PALAVRAS-CHAVE
Teleproteção, Sistemas de transmissão digital, Confiabilidade, Segurança de operação, Indicadores de indisponibilidade
1.0 - INTRODUÇÃO
A função de teleproteção é uma das mais críticas dentre as diversas providas pelos órgãos de Telecomunicações das empresas de energia elétrica. No novo contexto do setor elétrico brasileiro a criticidade tem se tornado ainda maior, face ao modelo de remuneração das empresas transmissoras. A receita de uma empresa transmissora é estabelecida pelo órgão regulador, a ANEEL, com base em uma disponibilidade de 100% dos equipamentos que compõem o sistema elétrico. Embora até o momento não tenha sido aplicada, esta regra estabelece que
toda indisponibilidade de equipamento é penalizada com a redução da remuneração. A penalidade deveria ser aplicada mesmo nos casos de indisponibilidade programada para serviços de manutenção, e ainda que não haja impacto no fornecimento de energia. Os tempos das indispensáveis manutenções nos equipamentos do sistema são antecipadamente projetados e rigorosamente controlados. Isto vem levando as equipes executivas a rever, constantemente, os seus procedimentos, em busca de redução de tempo e aumento da periodicidade de intervenção, visando obter diferenciais competitivos. Os equipamentos de Telecomunicações não são, a rigor, encarados como componentes do sistema elétrico. Desta forma, a concepção comum é a de que não é necessário considerá-los nos tempos de interrupção (indisponibilidade) do sistema elétrico. Na maioria dos casos esta visão é adequada, mas traz uma dificuldade para os sistemas de teleproteção nos pontos onde não é, por segurança operacional, permitido desligá-los para a manutenção. Uma saída intempestiva de um equipamento acarreta num custo de penalização da ordem de 10 a 15 vezes o custo de uma indisponibilidade programada, e esse evento é de risco alto quando os procedimentos tradicionais de manutenção programada da teleproteção são utilizados, principalmente quando não se pode colocá-los em teste, sem desenergizar os equipamentos teleprotegidos.
Com o advento dos sistemas digitais de transmissão de voz e dados, agora cada vez mais presentes nas empresas de energia elétrica, uma nova realidade veio auxiliar a superar estes problemas.
* Rua Delmiro Gouveia, 333 – Anexo 2 – Sal A 107 - CEP 50761-901 - Recife - PE - BRASIL Tel.: (081) 3229-4085 - Fax: (081) 3229-4217 - E-MAIL: helio@chesf.gov.br
Uma vez que os sistemas digitais, por construção e operação, tem suas funções muito mais confiáveis e muito mais imunes às derivas de ajustes que os antigos sistemas analógicos, pode-se, com a sua utilização na composição das funções de teleproteção, obter maior periodicidade entre as manutenções programadas. Além disto, os sistemas de gerência que controlam e supervisionam os sistemas digitais vem fazendo a manutenção adotar uma abordagem essencialmente preditiva e centralizada, na qual uma intervenção só é feita a partir de uma evidência registrada na gerência de falhas.
Temos utilizado, na CHESF, os sistemas digitais de transmissão como suporte para a teleproteção em situções específicas e distintas, tanto em motivação como em concepção. Pretendemos, neste informe, descrever essas diversas soluções que, adotadas a partir de 1999, vêm sendo fundamentais para a constante melhoria dos indicadores de desempenho da teleproteção.
2
2..00 -- O SISTEMA DE TELEPROTEÇÃO DA CHESF
A Ass TTaabbeellaass 11 e e 22,, apaprreesseennttaaddaass a a sseegguuiirr,, coconnttêêmm o o p paannoorraammaa reressuummiiddoo dodoss sisisstteemmaass ddee tetelleepprrootteeççããoo ddaa C CHHEESSFF,, nnuummaa vviissããoo rreeffeerreenncciiaaddaa aa jjuullhhoo ddee 22000022.. A A TTaabbeellaa 11 momossttrraa a a ququaannttiiddaaddee dede eennllaacceess ddee t
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Verifica-se que na classe de tensão 500 kV apenas a filosofia transfer-trip é utilizada. Uma outra característica desta classe de tensão é que todos os enlaces de teleproteção são duais, o que traz um grande benefício para a disponiblidade do serviço, como veremos adiante.
TABELA 1 – Sistema de Teleproteção CHESF Visão referenciada a julho de 2002
A tabela 2 mostra o quadro resumo dos enlaces de teleproteção que utilizam transmissão via sistema digital, também na visão de referência de julho de 2002. Os modelos listados na Tabela 2 referem-se ao tipo de solução adotada para utilizar o meio de transporte digital. Eles serão apresentados em detalhes no próximo tópico
Vamos utilizar o restante deste tópico para registrar as motivações que nos levaram à migração para utilizar o transporte digital.
O primeiro e grande motivo é o próprio desenvolvimento tecnológico que vem fazendo convergir para o mundo digital, cada vez vez mais, a camada de transporte.
TABELA 2 – Teleproteções CHESF sobre sistemas de transmissão digital
Visão referenciada a julho de 2002
Em operação Projetados Modelo 1 5 18 Modelo 2 8 5 Modelo 3 5 8 Modelo 4 2 ---Total 20 31 TELEPROTEÇÕES DIGITAIS .
Outra grande motivação foi o mau desempenho dos antigos sistemas de teleproteção em onda portadora – OPLAT (Onda Portadora em Linha de Alta Tensão), puramente analógicos, que, por final de vida útil, obsolescência tecnológica ou falta de peças de reposição, estavam comprometendo os indicadores utilizados para a monitoração da qualidade do serviço. O resultados visíveis destes problemas foram ocorrências com atuações indevidas ou alarmes, causados por ruídos espúrios. Verificou-se, conforme era de se esperar, que o problema piorava com a idade da sub-estação, uma vez que alguns fenômenos interferentes são cada vez de maior intensidade nas instalações mais velhas.
Uma outra razão, de menor abrangência, foi a necessidade de ampliar o carregamento das linhas de transmissão que em alguns casos tinham as bobinas de bloqueio dos sistemas baseados em onda portadora como o principal fator limitante. Nestes casos, premidos pelo tempo associado ao fornecimento de novas bobinas de bloqueio, e para evitar a necessidade investimento, adotou-se a solução alternativa representada pelo modelo de solução 3. Podemos registrar, finalmente, como motivações :
• Limitação da banda de freqüência das bobinas de bloqueio.
• Vandalismo em proteções por fio piloto 500 kV
Transfer Trip Acel. Zona Transfer Trip
95 43 32
230 kV
ENLACES DE TELEPROTEÇÃO
Vamos, agora, passar a descrever estas soluções.
3.0 - SOLUÇÕES ADOTADAS PARA O SERVIÇO DE TELEPROTEÇÃO
3.1 Modelo 1
A primeira solução que apresentamos é a ortodoxa, tal como proposta pelos grandes fornecedores de sistemas de transmissão SDH (Hieraquia Digital Síncrona), normalmente trafegando sobre fibra óptica. Nesta solução a teleproteção trafega em feixes isolados de 2Mbps. A Figura 1 apresenta um diagrama em blocos da solução.
FIGURA 1
As características desta solução são as seguintes: • Modem Digital 2 Mbps em interface elétrica G.703 • Até 04 comandos, dependendo do esquema de
proteção
• Redundância de equipamentos em LT 500 KV • SDH com proteção MSP 1+1 e de placas
tributárias de 2Mbps tipo 1:N 3.2 Modelo 2
Em algums casos específicos, nos quais existiam problemas com os sistemas carriers tradicionais, nos quais, a partir de modens de teleproteção provendo tons na freqüência de áudio, se faz o acesso de transmissão em multiplexadores PDH, a taxas máximas de 64kbps. A Figura 2, a seguir, apresenta o diagrama de blocos correspondente a esta solução.
MTD – Modem de Teleproteção Digital SDH – Synchronous Digital Hierarchy
FIGURA 2
As características desta solução são as seguintes: • Modem Digital 64 kbps em interface elétrica G.703 • Até 04 comandos - depende do esquema de
proteção.
• Modem é, em geral, uma placa do equipamento PDH.
• Redundância de equipamentos e fibra dependendo da aplicação.
• Solução mais freqüente com novos acessantes. 3.3 Modelo 3
Ainda em casos com problemas específicos de problemas com os carriers tradicionais, e a filosofia de teleproteção é de aceleração de zona, faz-se uma adequação no equipamento, retirando o sinal de controle antes da modulação final e, novamente, fazendo o acesso de transmissão em multiplexadores
PDH, a taxas máximas de 64kbps. . A Figura 3 apresenta um diagrama em blocos desta solução.
MTD – Modem de Teleproteção Digital SDH – Synchronous Digital Hierarchy
FIGURA 3
As características desta solução são as seguintes: • Modem Analógico em tom de áudio.
• Utilizados originalmente com transceptor OPLAT. • Normal 02 comandos (depende do esquema de
proteção).
• Interfaceado com o equipamento PDH via placa de acesso 8 fios.
• Utilizado em LT 230 kV em esquemas de Aceleração de Zona.
A implantação piloto da solução com o modelo 3 foi a primeira que fizemos na CHESF. Em operação desde 1998, esta configuração eliminou por completo um problema de interferências por ruídos espúrios que, praticamente inviabilizou a operação normal do enlace OPLAT anteriormente instalado. Não houve nenhum registro adicional de ocorrência, após a implantação da solução. O funcionamento do enlace é garantido por simulação funcional de envio de comando, durante a execução da manutenção Programada, com periodicidade semestral.
Apesar dos bons resultados até agora observados, deve-se destacar um problema inerente à solução com a configuração do modelo 3: O sistema PDH usado não tem redundância de placa de agregado.
3.4 Modelo 4
A Figura 4, a seguir, mostra o diagrama da última configuração hoje utilizada na CHESF.
MTA – Modem Teleproteção em Tom de Áudio PDH – Plesyochronous Digital Hierarchy
FIGURA 4
MTA – Modem Teleproteção em Tom de Áudio PDH – Plesyochronous Digital Hierarchy
SDH – Synchronous Digital Hierarchy 155 ou 622 Mbps - OP 2Mbps - EL MTD SDH Áudio 2Mbps - EL Outros serviços a 2 Mbps 64Kbps - EL PDH 2Mbps - OP MTD
Outros serviços digitais e/ou analógicos SDH PDH MTA 155 ou 622 Mbps - OP Outros serviços digitais
e/ou analógicos Outros serviços a 2Mbps Áudio 2Mbps - EL Rádio Digital PDH PDH MTA 4 x 2Mbps Outros serviços digitais
e/ou analógicos
A solução do modelo 4 foi implantada em uma área sujeita a casos constantes de vandalismo, na qual a solução via rádio eliminou todos os problemas desta natureza, apresentando, também, excelente desempenho.
4.0 - AVALIAÇÃO DA CONFIABILIDADE E DESEMPENHO
Apesar do bom desempenho registrado até agora, as soluções de teleproteção dos modelos apresentados enfrentam algumas resistências para sua adoção generalizada. Algumas das resistências vêm de fatores psicológicos e são decorrentes de décadas de utilização razoavelmente bem sucedida das soluções tradicionais, utilizando Sistema OPLAT. Assim, em alguns casos percebe-se o desconforto de alguns colegas, difícil de contornar, com alguns aspectos das soluções mostradas no trabalho. O principal fator de desconfiança reside no fato dos enlaces físicos seguirem o encaminhamento do cabo OPGW, que, normalmente, não é o mesmo da linha de transmissão teleprotegida. Os enlaces físicos nem sempre correspondem aos enlaces lógicos do serviço.
Um outro fator, este de real relevância técnica, diz respeito ao problema da teleproteção de diversas linhas utilizando o mesmo meio e caminho. Neste caso, uma falha que cause interrupção no enlace de telecomunicação causa, também, a perda de todas as teleproteções trafegando no enlace. Este é, realmente, um problema a ser tratado e que não existe, em geral, no sistema OPLAT, pois cada linha de transmissão carrega apenas o seu serviço de teleproteção.
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Essttee pprroobblleemmaa popoddee sseerr coconnttoorrnnaaddoo,, ccoomm vvaannttaaggeennss,, s
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teelleepprrootteeççããoo ppooddeemm tteerr ininccrreemmeennttooss exexpprreessssiivvooss,, uummaa v
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è ssuubbssttiittuuiiççõõeess ddoo ssiisstteemmaa ddee tteelleepprrootteeççããoo,, ccoommoo p pooddeerr sseerr ccoonnssttaattaaddoo nnaa TTaabbeellaa 44.. T TAABBEELLAA44––CCaauussaassddeeiinnddiissppoonniibbiilliiddaaddeeddaa t teelleepprrootteeççããoo223300kkVV
causa 1 causa 2 causa 3 causa 4 Inclui equipamentos em
fim de vida útil 48,30% 22,10% 9,60% 20,00%
Só equipamentos em
plena vida útil 14,20% 36,70% 15,90% 33,20%
causa 1 causa 2 causa 3 causa 4 Manutenção Programada Fatores externos Expansões / substituições AVALIAÇÃO DA INDISPONIBILIDADE 123 ENLACES EM 230 kV Falhas
A A nonossssaa exexppeeccttaattiivvaa éé ququee,, aappóóss ooss trtraabbaallhhooss ddee s suubbssttiittuuiiççããoo ddooss enenllaacceess emem ffiimm dede vividdaa útútiill e e i immppllaannttaaççããoo ddee nnoovvooss eennllaacceess,, jjáá nnaa tteeccnnoollooggiiaa ddiiggiittaall,, s seejjaa aattiinnggiiddoo umum nnoovvoo ppaattaammaarr,, aiainnddaa mmaaiiss bbaaiixxoo,, ppaarraa o o iinnddiiccaaddoorr ddee iinnddiissppoonniibbiilliiddaaddee.. I Issttoo éé jjuussttiiffiiccáávveell uummaa vveezz qquuee uummaa ppaarrcceellaa ssiiggnniiffiiccaattiivvaa d daa ininddiissppoonniibbiilliiddaaddee é é dedeccoorrrreennttee dadass paparraalliizzaaççõõeess p
peerriióóddiiccaass sesemmeessttrraiaiss ppaarraa exexeeccuuççããoo ddaa Manutenção Programada dos sistemas analógicos OPLAT. Nos novos sistemas digitais de teleproteção, via SDH, podemos fazer um monitoramento da teleproteção 24 horas por dia, através dos sistemas de gerência. A manutenção programada tradicional é, deste modo, eliminada.
6.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] SIEMENS – CBT – Computer Based Training – SDH for Everyone.
[2] SIEMENS – CBT – Computer Based Training – Telefonia Digital.
[3] Billinton, Roy & Allan, Ronald N.- Reliability Evaluation of Engineering Systems – Plenum Press, New York, 1983
