Aplicação de Medidores Inteligentes no Monitoramento da Qualidade de Energia em Clientes Grupo A

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Aplicação de Medidores Inteligentes no

Monitoramento da Qualidade de Energia em

Clientes Grupo A

Walter Barbosa Jr

CPFL – Companhia Piratininga de Força e Luz – Campinas/SP

Resumo Com o avanço da implementação de sistemas de

Smart Grids pelas concessionárias a gama de funcionalidades que os medidores de faturamento de energia elétrica apresentam tem aumentado, dentre estas destacam-se o monitoramento contínuo da qualidade do produto “energia elétrica”. Este trabalho apresenta testes comparativos dos eventos relacionados à qualidade da energia elétrica registrados pelos chamados medidores inteligentes instalados na área de concessão da CPFL Energia. Ressalta-se que a CPFL está instalando medidores inteligentes em todos os seus clientes do Grupo A, onde mais de 80% destes clientes terão instalados em suas unidades consumidoras o medidor de faturamento testado neste trabalho. Os testes consistem em gerar tensões com distorções harmônicas e eventos de variação conhecidos em magnitudes e duração avaliando na sequência o registro dos mesmos no medidor de faturamento e por consequência a gravação destes no Gerenciador de Dados de Medição da concessionária a partir de mídias de comunicação RF Mesh e GPRS. Salienta-se que para verificar a real geração dos fenômenos elétricos foi utilizado medidor específico de qualidade onde foi possível coletar as respectivas oscilografias. Os resultados das simulações mostram relativa aderência do medidor de faturamento frente aos distúrbios gerados, ou seja, em caso de reclamações de

consumidores será possível avaliar preliminarmente

determinadas perturbações na qual o consumidor foi sensibilizado, sem a necessidade de instalação de qualímetro após o manifesto da unidade consumidora.

Palavras-chaves Medidores de Faturamento, Qualidade da

Energia e Smart Grid.

I.INTRODUÇÃO

A cada dia as indústrias, fábricas, hospitais e outras empresas que fazem uso da energia elétrica como principal insumo em seus processos produtivos estão mais sensíveis as perturbações dos sistemas elétricos de distribuição. Estas perturbações são causadas pelos mais variados motivos onde é possível destacar: manobras de rede, chaveamento de equipamentos como banco de capacitores, operações de proteção em circuitos adjacentes, operações de proteção em pontos a jusante do ponto de conexão do cliente, mudança de taps de reguladores de tensão, energização de transformadores, entre outros.

W. B. Junior, walterbarbosa@cpfl.com.br, Tel. +55-19-3756-8076, Celular +55-17-99722-5199

Muitas destas perturbações normalmente são identificadas como Variações de Tensão de Curta Duração – VTCD e são caracterizadas como desvios significativos no valor eficaz da tensão em curtos intervalos de tempo. Outro fenômeno presente no sistema elétrico são as chamadas distorções harmônicas de tensão.

Os eventos de qualidade da energia no Brasil são definidos nos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST em seu Módulo 8 – Qualidade de Energia Elétrica, (ANEEL, 2015). Na Tabela I é apresentada a classificação das VTCDs conforme o referido procedimento. No cenário mundial (conforme normas técnicas internacionais) os afundamentos de tensão são conhecidos como SAG e as elevações como SWELL.

Tabela. I: Classificação das Variações de Tensão de Curta Duração (Prodist - Módulo)

Conforme PRODIST – Módulo 8, (ANEEL, 2015) as distorções harmônicas são fenômenos associados a deformações nas formas de ondas das tensões e correntes em relação à onda senoidal da frequência fundamental. O referido documento estabelece conforme Tabela II alguns valores de referência para as Distorções Harmônicas Totais de Tensão - DTT.

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Ressalta-se que a maioria das reclamações junto às áreas responsáveis pela qualidade do produto na CPFL Energia estão relacionadas à estes dois fenômenos VTCD e DTT, os quais são os principais causadores de interrupções e perturbações nos processos produtivos das unidades consumidoras com atividades fabris ou outras que demandam boa qualidade de energia elétrica.

Com o objetivo de melhorar o mapeamento das ocorrências de VTCD e DTT, e principalmente o atendimento relativo as reclamações de oscilações de tensão, os medidores de faturamento instalados nas unidades consumidoras do Grupo A (grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento em tensão igual ou superior a 2,3kV, ou atendidas a partir de sistema subterrâneo de distribuição em tensão secundária, caracterizado pela tarifa binômia) da CPFL Energia poderão ser parametrizados para contemplar o registro dos referidos fenômenos de qualidade do produto, tornando-os aptos para o registro deste tipo de evento conforme resolução vigente.

Portanto, neste trabalho serão apresentados os resultados provenientes de testes realizados em laboratório próprio da CPFL, em que o medidor de faturamento foi parametrizado para registrar as VTCDs e as DTTs. Os eventos foram simulados através de uma fonte de geração de sinal.

Adjunto, para o fenômeno de distorções harmônicas observou-se que referido medidor é limitado ao registro de distorções harmônicas individuais até a 11ª ordem, diferentemente do abordado e recomendado pelo PRODIST – Módulo 8, (ANEEL, 2015), em que é necessário, para fins do cálculo da DTT, um espectro harmônico até a 25ª ordem.

II. DESENVOLVIMENTO

Com a necessidade de monitorar os fenômenos relativos à qualidade da energia elétrica e diante da dificuldade de identificar pontos na rede de distribuição com elevada incidência destes eventos, foi necessário montar estrutura em laboratório próprio da CPFL com equipamentos que pudessem gerar os eventos em análise. As fontes de geração foram acopladas ao medidor de qualidade de energia elétrica (qualímetro) e ao medidor de faturamento em teste.

Na Figura 1 é apresentada a fonte utilizada nos testes de VTCD, trata-se do equipamento F6150 Power System Simulator do fabricante Doble Engineering Company. O software utilizado para implementação dos ensaios na fonte de teste em questão foi o Pro Test T.

Figura 1. Fonte de Teste Doble®

Para a injeção de sinais de tensão com deformações (injeção de tensão com distorções harmônicas), utilizou-se a fonte PTS 3.3C da MTE – Meter Test Equipment conforme apresentada na Figura 2.

Figura 2. Fonte de MTE® PTS 3.3C

Diante da necessidade de aferir os registros dos eventos do medidor de faturamento, foi instalado um qualímetro para o monitoramento dos eventos gerados. Neste caso foi utilizado o equipamento ION® 7650 do fabricante Schneider Electric (Figura 3). Salienta-se que foi adotado o software ION Setup para parametrização do medidor.

Figura 3. Medidor de Qualidade de Energia Elétrica - ION®7650

O projeto de telemedição do Grupo A da CPFL prevê a substituição de mais de 27.000 unidades de medidores para equipamentos com funcionalidades inteligentes, dentre estas se destaca o monitoramento da qualidade da energia elétrica. O modelo de medidor testado é o ACE SL7000 – do fabricante Itron apresentado na Figura 4.

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Para determinação da capacidade dos medidores de faturamento em teste em registrar os eventos atinentes a tensão de fornecimento, foram utilizadas as fontes supracitadas para gerar diversos afundamentos e elevações de tensão, com magnitudes e durações conhecidas, e gerar sinais de tensão com harmônicas individuais determinadas.

Na Figura 5 é apresentada a montagem feita em laboratório para execução dos respectivos ensaios e testes.

Figura 5. Montagem dos Equipamentos em Laboratório

III.SIMULANDO AFUNDAMENTOS DE TENSÃO

Para caracterizar os eventos de VTCDs adotou-se como base nos circuitos a serem analisados a tensão nominal de 100Vrms, e para representação de tempos visto que as VTCDs

ocorrem em períodos extremamente curtos foram adotados ciclos de uma senóide. Esta configuração foi necessária pois a análise em segundos proporcionam períodos muito longos para apresentar o alusivo fenômeno. Utilizando a caixa de simulação de eventos foram criados centenas de fenômenos de afundamentos (SAGs), variando desde afundamentos com duração de 1 ciclo até eventos com duração de até 150 ciclos. A título de demonstração a Tabela III representa alguns dos eventos simulados:

Tabela. III: Eventos de Afundamentos – Fonte de Simulação

Os eventos criados são caracterizados como Afundamentos Momentâneos de Tensão conforme Tabela I.

Na sequência avaliou-se os registros dos eventos no qualímetro (Tabela IV), com o objetivo de atestar que a caixa realmente gerou os eventos de forma adequada.

Tabela. IV: Eventos de Afundamentos - Qualímetro

A título de análise na Figura 6 são apresentadas as oscilografias registradas pelo qualímetro relativas ao evento

do 4º estágio. No entanto, ressalta-se que o equipamento registrou as oscilografias de todos os eventos gerados pela fonte.

Fig. 6. Oscilografia Evento 4º Estágio

Nota-se que nas oscilografias são apresentados os valores máximos de tensão de pico, enquanto que os estudos foram feitos adotando a tensão nominal com o valor eficaz de 100V. Posteriormente a identificação dos fenômenos gerados pela fonte, avaliou-se os registros armazenados pelo medidor de faturamento relativos aos afundamentos de tensão em questão.

Com o uso do software ACE Pilot, foram coletados os registros de qualidade de energia armazenados pelo medidor ACE SL7000. Na Tabela V são apresentados os registros dos alarmes relativos aos afundamentos de tensão.

Tabela. V: Eventos de Afundamentos – Medidor de Faturamento

Ressalta-se que é possível identificar através do histórico de dados de qualidade de energia disponibilizado pelo software do medidor de faturamento, as durações e as amplitudes dos eventos em análise. A Tabela VI detalha esta possibilidade:

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Em análise aos resultados apresentados, nota-se relativa aderência entre os registros dos medidores (faturamento e qualímetro) em relação aos eventos provocados pela fonte. Reitera-se que foram gerados centenas de eventos de VTCD com duração a partir de 1 ciclo até 150 ciclos. Entretanto, observou-se que o medidor de faturamento não identificou eventos com duração inferiores a 9 ciclos e apresentou certa instabilidade nos registros de eventos com duração entre 9 e 15 ciclos de duração, ou seja, em determinados momentos o equipamento registrou o evento de forma adequada em magnitude e duração e em outros momentos não identificou os mesmos.

Destaca-se que os afundamentos gerados com duração superiores a 15 ciclos o medidor registrou-os de forma adequada, ou seja, 100% dos eventos criados foram identificados pelo medidor de faturamento.

Apesar do medidor de faturamento não apresentar oscilografias dos eventos, as planilhas geradas por este, apresentam insumos para subsidiar análises das áreas responsáveis pela qualidade da energia elétrica, possibilitando comparar os eventos apresentados pelo medidor com outros equipamentos instalados nas redes de distribuição como: relés de disjuntores, religadores, bancos de capacitores automáticos, reguladores de tensão entre outros.

IV.SIMULANDO ELEVAÇÕES DE TENSÃO

Na sequência foram realizados testes no sentido de aferir a capacidade do medidor de faturamento em efetuar registros de elevação de tensão comumente conhecidos na literatura técnica como SWELL.

Utilizando a caixa de simulação foram criados centenas de fenômenos de elevações de tensão com duração a partir de 1 ciclo. Semelhante aos resultados obtidos nas simulações de afundamentos, observou-se que o medidor de faturamento não identificou eventos com duração inferiores a 9 ciclos e apresentou instabilidade nos registros de eventos com duração entre 9 e 15 ciclos. Ressalta-se que as elevações geradas com duração superiores a 15 ciclos o medidor registrou as mesmas de forma adequada, ou seja, 100% dos eventos criados foram identificados pelo medidor de faturamento. A Tabela VII apresenta alguns destes eventos criados.

Tabela. VII: Eventos de Elevações – Fonte de Simulação

Os eventos simulados são caracterizados como Elevação Momentânea de Tensão conforme Tabela I.

A semelhança das análises dos eventos de afundamentos, para as elevações avaliou-se os registros dos eventos no qualímetro (Tabela VIII).

Tabela. VIII: Eventos de Elevações – Qualímetro

Na Figura 7 é apresentada a oscilografia registrada pelo qualímetro relativa ao evento do 2º estágio da Tabela VII, a oscilografia apresenta o comportamento da tensão 7 (sete) ciclos antes do início do evento, desta forma é possível verificar a elevação da tensão pelo período definido na fonte de teste.

Figura 7. Oscilografia Evento 2º Estágio

Da mesma forma que os ensaios de afundamentos de tensão, nas elevações são apresentados os valores máximos de tensão de pico, contudo os estudos foram feitos adotando a tensão nominal com o valor eficaz de 100V.

Na Tabela IX são apresentados os registros de dados de qualidade do medidor de faturamento ACE SL7000, onde estes são denominados como oscilações de tensão pelo software AcePilot do medidor.

Tabela. IX: Eventos de Elevações Amplitudes e Duração – Medidor de Faturamento

Salienta-se que o medidor não denominou o evento como SWELL e sim como oscilação de tensão, contudo, o equipamento apresenta a magnitude da oscilação/elevação de tensão e sua respectiva duração, sendo esta última com determinada imprecisão visto que o evento durou 1,67s e o medidor apontou duração de 2,01s.

V.SIMULANDO DISTORÇÕES HARMÔNICAS DE TENSÃO

Conforme manual do medidor ACE SL7000 – do fabricante Itron a DTT é calculada considerando a faixa de frequência de 2ª ordem (H2) a 13ª ordem (H13) harmônica para redes de 50Hz e de H2 a 11ª ordem (H11) para redes de 60Hz, sendo esta última a frequência máxima utilizada nos ensaios em laboratório.

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detalhes dos sinais gerados com a inserção de distorções harmônicas individuais de 2ª ordem até 11ª ordem com amplitude de 30% da tensão nominal e o respectivo registro destas perturbações pelo qualímetro e medidor de faturamento.

Ressalta-se que o medidor de faturamento apresentou percentuais de distorção harmônica de tensão aderentes as distorções criadas. Destaca-se que não foram observados desvios quando utilizadas amplitudes inferiores a 30% da nominal das harmônicas individuais de tensão utilizadas.

Tabela. X: Simulações de Distorções Harmônicas

A título de ilustração na Figura 8 é apresentado a tela do software (AcePilot) de captura de dados do medidor ACE SL 7000 para a distorção de 5ª ordem gerada pela fonte MTE PTS 3.3C.

Figura 8. Valores Relativos de DTT

Adicionalmente as informações de valores relativos de DTT (THD referenciado pelo software) o aplicativo apresenta outras informações por fase como: Amplitude da Fundamental, Amplitude da Distorção Harmônica e Valores RMS, onde estes podem auxiliar amplamente as análises de eventos de perturbações do sistema elétrico de distribuição das distribuidoras do Grupo CPFL Energia.

VI.CONCLUSÕES

Os resultados obtidos nas simulações de VTCD apontam determinada aderência entre os eventos gerados e os registrados pelo medidor de faturamento para os eventos com duração superiores a 15 ciclos. Salienta-se que deverão ser feitas consultas junto ao fabricante do medidor de faturamento no sentido de detalhar a metodologia de captura de eventos de afundamento ou elevação de tensão inferiores a este período. Adicionalmente será consultado a forma de caracterização de eventos de SWELL, pois teoricamente, de

acordo com a legislação em vigor o medidor deveria registrar os eventos de elevação como uma VTCD à semelhança dos eventos de afundamento.

Os registros de distorção harmônicas de tensão apresentado pelo medidor de faturamento como “THD Relativo do Agregado” deverá ser objeto de continuidade de pesquisa, visto a necessidade de compreender totalmente a metodologia empregada pelo fabricante do medidor para fins de registro do fenômeno em questão.

Atualmente através da infraestrutura de Smart Metering implantada pela CPFL, dotada de medidores inteligentes, mídias de comunicação RF Mesh e GPRS, coletores de dados de medição e gerenciadores de dados de medição, torna-se possível capturar as informações relativas aos alarmes dos medidores de faturamento, objetos deste trabalho.

Como proposta de continuidade de pesquisa serão feitos novos testes em laboratório de eventos relacionados a qualidade da energia nos medidores instalados no Grupo A e na sequência o acompanhamento da coleta e registro destes eventos através dos sistemas de coleta de dados de medição e sistema de gerenciamento de dados de medição.

Salienta-se que a correta programação dos parâmetros de qualidade dos medidores de faturamento irão auxiliar fortemente as áreas técnicas da concessionária responsáveis pelo atendimento à reclamações de grandes consumidores relativas à qualidade da energia. Ressalta-se também, o ganho operacional visto que grande parte das ocorrências serão elucidadas sem a necessidade de instalação de qualímetros na unidade consumidora pela equipe técnica de campo.

Cabe destacar que a maioria das medições de faturamento de clientes do Grupo A da CPFL Energia são realizadas através de ligações de transformadores de instrumentos (transformadores de corrente e potencial) a dois elementos, ou seja, dois transdutores de tensão ligados entre fases. Desta forma é possível que as medições das VTCDs aferidas pelos medidores de faturamento apresentem distorções se comparadas com os insumos apresentados por qualímetros instalados no mesmo circuito com uso de transdutores instalados na configuração “estrela” fase e neutro.

Para identificar estas variações é proposta continuidade deste trabalho, no sentido de simular um único evento com medições em configurações diferentes, ou seja, transdutores ligados entre fases e entre fase e neutro.

REFERÊNCIAS

[1] ANEEL, (2010). Resolução nº 414

[2] ANEEL, (2015). Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica – Revisão 6.

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Referências