SOMQEE-MT: Sistema Óptico de Monitoração de
Qualidade de Energia Elétrica para Média Tensão
Policarpo Uliana, Moacir Wendhausen, Antonio C. Zimmermann,
Rafael Z. Homma, Arildo J. Carvalho e Igor K. Khairalla
Resumo O presente artigo descreve o resultado de um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento, denominado Sistema Óptico de Medição de Parâmetros de Qualidade de Energia para Média Tensão (SOMQEE-MT). Este sistema consiste basicamente de Transdutores Ópticos de Corrente e Tensão (TOCT), instalados no potencial de média tensão e acoplados através de fibras ópticas a um Módulo de Processamento e Controle (MPC). Através da aquisição dos três valores de corrente e tensão provenientes dos TOCTs, a unidade MPC efetua registros de eventos de Qualidade de Energia Elétrica (QEE), registros oscilográficos e registros históricos. O MPC também comunica-se com uma central de análise remota, a central de análise dispõe de cinco softwares que realizam as funções de configuração, calibração, monitoração, leitura de dados e análise dos eventos de QEE registrados.
Palavras-chaves Medição óptica de corrente e tensão, monitoração de qualidade de energia elétrica;
I.INTRODUÇÃO
A monitoração da Qualidade de Energia Elétrica (QEE), tem como meta inicial a medição e registro de fenômenos associados à tensão elétrica entregue aos consumidores. Para isto são adotadas metodologias que permitem reduzir massa de dados, adquiridos em tempo real, a um conjunto de dados compactos que contenham informações relevantes à análise de um determinado fenômeno. Por exemplo, as Variações Momentâneas de Tensão (VMT), podem ser resumidas a um par de números: tempo e valor de variação, enquanto que as distorções harmônicas podem ser caracterizadas por um único fator, a Distorção Harmônica Total (THD). No âmbito do Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) [1], especificamente no Módulo 8, a ANEEL define como os parâmetros de QEE devem ser monitorados e metas para alguns destes parâmetros. A monitoração de QEE em consumidores residenciais e industrias pode ser realizada através de medidores de QEE conectados diretamente na baixa tensão. No entanto, para a monitoração de QEE em média tensão, tais como ramais de distribuição e pontos de entrega à grandes consumidores, o processo torna-se crítico, pois os transdutores devem conectar-se diretamente ao potencial de Média Tensão 13,8 kV a 69,0 kV, uma vez que normalmente não existem Transformador de Potencial (TP) e Transformador de Corrente (TC) disponíveis no ponto a ser monitorado. Seguindo a recomendação do PRODIST, a concessionária Centrais Elétricas de Santa Catarina - CELESC realiza monitoração da QEE em média tensão utilizando transdutores que operam através de divisores resistivos, [2], representando um alto risco de perda de
isolação, acarretando danos ao sistema e reduzindo a segurança de operação.
Visando obter um medidor de parâmetros de QEE, para aplicação em potenciais de MT, com baixo risco de falha de isolação, as empresas PowerOpticks Tecnologia Ltda e a empresa Reason S.A. juntamente com a concessionária CELESC desenvolveram um Sistema Óptico de Medição de Parâmetros de Qualidade de Energia Elétrica para Média Tensão - SOMQEE-MT. Este projeto teve duração de 24 meses e foi desenvolvido no âmbito do programa de Pesquisa e Desenvolvimento, vinculado a Agência Nacional de Energia Elétrica, CELESC/ANEEL 5697-3312/2012. O projeto foi iniciado em fevereiro de 2013 e concluído em fevereiro de 2015.
O Sistema de Medição, desenvolvido no projeto SOMQEE-MT é composto por:
Transdutor Óptico de Corrente e Tensão (TOCT);
Modulo de Processamento e Controle (MPC);
Softwares para configuração, calibração,
monitoração, comunicação e análise de qualidade de energia elétrica.
O MPC é instalado diretamente no poste e acopla-se as 3 unidades TOCT através de Fibras Ópticas, cada TOCT por sua vez conecta-se ao potencial média tensão, tendo com função efetuar a transdução da corrente e da tensão na linha. Todos os eventos de QEE são armazenados no MPC, que transmite as informações para uma central de análise onde são executados os softwares desenvolvidos no projeto.
II.DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA
No início do projeto foi realizado um estudo bibliográfico com objetivo de avaliar o estado da arte, bem como as principais referências técnicas e patentes vigentes. Foram identificados, em âmbito internacional, que apenas duas empresas desenvolveram e patentearam as tecnologias correlatas, [3]. Tendo como base este estudo inicial, desenvolveu-se o SOMQEE-MT adotando-se tecnologias ópticas disponíveis no mercado mundial, tendo como base as literaturas técnicas de referência internacional. Tal estudo não apenas contribuiu para o bom desempenho do projeto, mas também ao aperfeiçoamento técnico da equipe executora, tanto no âmbito da óptica quanto na engenharia de materiais, software e hardware, agregando um significativo conhecimento aos pesquisadores.
A. Caracterização do SOMQEE-MT
O SOMQEE-MT monitora sinais de corrente e tensão em ramais de MT de até 34,5 kV, com faixa de medição de corrente até 3.000 A. São efetuadas as medições de 3 sinais corrente e 3 sinais de tensão a uma taxa de amostragem de até 15.360 amostras por segundo, equivalendo à 256 pontos por ciclo de 60 Hz, sendo que todas as amostras dos sinais de corrente e tensão estão sincronizadas no tempo. Os sistemas dispõem de sincronismo de tempo através de receptor GPS interno, possibilitando a comparação de amostras entre unidades distintas de SOMQEE-MT localizados remotamente.
A Fig. 2 apresenta os principais elementos do SOMQEE-MT: O Transdutor Óptico de Corrente e Tensão é composto por um sensor óptico baseado em efeito Faraday, [4], [5], [6], [7], para medição da corrente, e um transdutor capacitivo para a medição da tensão da linha. O acoplamento entre o TOCT e o MPC é através de Fibras Ópticas; O Módulo de Processamento e Controle, tem a função efetuar o controle do processo de aquisição dos sinais de corrente e tensão, efetuar o processamento, gerar registros de parâmetros de QEE em conformidade com as demandas do PRODIST.
Fig. 2 - Elementos básicos ao SOMQEE-MT.
A Fig. 3 apresenta um diagrama completo do SOMQEE-MT, com três unidades TOCT. A unidade MPC é conectada remotamente à uma central de análise através de um modem, O MPC também pode ser conectado a um notebook através de uma rede ethernet, possibilitando efetuar a configuração, análise e download dos registros. A Fig. 4 mostra a instalação do sistema em um poste, com as 3 unidades TOCTs conectadas diretamente ao ramal. Muito embora o TOCT seja conectado ao MPC através de FO, a base do mesmo deve ser aterrada, este procedimento aumenta o desempenho metrológico da medição, evitando que as estruturas metálicas nas proximidades afetem o resultado da medição.
B. Medição dos Fenômenos associados à QEE
O SOMQEE-MT monitora basicamente 7 fenômenos de QEE, todos eles relacionados com a tensão, exceto o fator de
potência, que depende da monitoração de corrente:
Tensão em regime permanente;
Fator de potência;
Harmônicos;
Desequilíbrio de tensão;
Flutuação de tensão, muitas vezes denominado como cintilação ou Flicker;
Variações de tensão de curta duração, ou variações momentâneas de tensão - VMT;
Variação de frequência.
Fig. 3- Diagrama em blocos do sistema SOMQEE-MT completo.
Fig. 4- Sistema SOMQEE-MT instalado no poste.
Alguns destes fenômenos são mais importantes para o consumidor, como por exemplo, a tensão em regime permanente e as variações de tensão de curta duração. Considerando apenas esses dois fenômenos, são estabelecidos uma série de índices, para análise de desempenho, que devem ser adotados pela concessionária. Entretanto, apenas a medição da tensão não é suficiente para detectar-se a origem dos fenômenos de harmônicas e flicker, para detectar-se a origem desses fenômenos, a medição da corrente é fundamental, possibilitando saber se a origem está no consumidor ou é proveniente do sistema.
pois a frequência da rede normalmente tem grande estabilidade, sendo estabelecido um limite estreito de operação, entre 59.9 Hz e 60.1 Hz. Normalmente, para resolver este problema a concessionária estabelece critérios para corte de cargas menos “críticas”. Neste caso, o SOMQEE-MT torna-se um importante instrumento, podendo gerar disparos de registros, conforme limites pré-estabelecidos para a variação da frequência.
Para cada fenômeno de QEE monitorado, o SOMQEE-MT permite a geração de registros oscilográficos de curta duração com duração de até 100 ciclos de 60 Hz. Também é possível gerar registros de longa duração, valor eficaz em 60 Hz com duração de até 10 minutos. O SOMQEE também gera continuamente registros históricos diários, com baixo volume de dados, contendo valores médios, máximos e mínimos, calculados em janelas de 1 a 60 minutos.
C. Hardware do Módulo de Processamento e Controle - MPC
O processamento do SOMQEE-MT é efetuado através de uma CPU industrial, de baixo consumo de energia, baseada em arquitetura x86 com plataforma operacional GNU-LINUX, [8]. A Fig. 5 apresenta o hardware interno do MPC, onde pode-se observar diversos elementos, com destaque para as seguintes placas desenvolvidas para o projeto:
Placa PAQ-TGG: placa de aquisição do sinal óptico proveniente do sensor Faraday localizado no TOTC. É composta por foto detectores e diodos LASER, sistema de amplificação e filtragem;
Placa PCM-OPD: placa que comunica-se com o transdutor de tensão localizado no TOCT. É composta por transceivers ópticos que constituem três canais seriais ópticos de alta velocidade;
Placa PPC-DGT: placa que controla o processo de aquisição dos transdutores e comunicação com a Unidade de Processamento e Controle (CPU). O principal componente desta placa é um dispositivo Field-Programmable Gate Array (FPGA), [9], responsável pelo controle de aquisição e comunicação. Também é constituída de Conversores Analógico Digital (CAD) com resolução de 16 bits. Esta placa envia os dados lidos, com tag de tempo, para a CPU via interface Universal Serial Bus (USB), de alta velocidade.
D. Constituição do Transdutor Óptico de Corrente e Tensão – TOCT.
Cada unidade TOCT, mostrada na Fig. 6, efetua a medição de 1 sinal de corrente e 1 sinal de tensão e acopla-se ao MPC através de FO. A medição de corrente e baseada no efeito Faraday, e a medição de tensão é baseada em sensor capacitivo. Muito embora o projeto prevê-se a medição de tensão baseada no efeito Pockels, [10], [11], [12], o tempo de duração do projeto não foi suficiente para miniaturizar a
tecnologia óptica envolvida, impossibilitando acoplá-la ao TOCT, assim, o princípio de medição de tensão foi substituído por um sistema capacitivo, mantendo o acoplamento óptico entre o sensor e o MPC.
Fig. 5 – Caixa compondo o MPC desenvolvida no projeto.
Fig. 6 – TOCT desenvolvido para o projeto: (a) Projeto mecânico no software SolidWorks; (b) Foto do TOCT;
O transdutor de tensão implementado é constituído de: divisor capacitivo; placa de controle de aquisição; transceivers ópticos; sistema de alimentação baseado em Power Over Fiber (POF). O transdutor de tensão é totalmente isolado do MPC, comunicando-se com este através de um canal serial óptico, FO, de alta velocidade.
E. Medição de corrente pelo Efeito Faraday
O efeito Faraday, [13], magneto-óptico, é um efeito óptico que manifesta-se em alguns matérias ópticos quando
submetidos a um campo magnético externo, que age sobre uma luz linearmente polarizada, [14], causando uma rotação no plano de polarização desta luz que propaga-se através deste material. Conforme ilustrado na Fig. 7, esta rotação angular (φ) é função de uma constante denominada constante de Verdet (ϑ), da distância percorrida pelo feixe óptico (L) e pela intensidade do campo magnético (B).
Fig. 7 - O Efeito Faraday.
A Fig. 8 apresenta uma aplicação prática do efeito Faraday utilizada em TC óptico, onde o elemento sensor é caracterizado basicamente por uma bobina composta por fibras ópticas especiais, [15], e que envolvem o condutor cuja corrente deve ser monitorada. A variação angular é decomposta através de um divisor de feixe luminoso denominado Beam Splitter, que decompõem o feixe luminoso em duas componentes ortogonais.
Fig. 8 - Sensor Faraday implementado em fibra óptica com caminho óptico unidirecional.
O modelo de sensor apresentado na Fig.8 não pôde ser adotado no SOMQEE-MT, pois necessita que o circuito de corrente seja interrompido para a introdução da bobina óptica que constitui o sensor Faraday. Neste caso a solução adotada foi usar um cristal magneto-óptico, [16], semelhante ao mostrado na Fig. 9, cujo princípio de funcionamento foi apresentado na Fig. 7. Neste caso o material deve ter constante de Verdet muito elevada, pois o valor do comprimento L é pequeno.
Fig. 9 - Sensor Faraday de dimensões reduzidas.
F. Medição de Tensão pelo Efeito Capacitivo
Inicialmente o transdutor do TOCT teria um processo de medição de tensão baseado no efeito Pockels, este efeito é de origem eletro-óptica e manifesta-se em certos cristais, cuja birrefringência varia em função do campo elétrico ao qual ele está sujeito. A Fig. 10 apresenta o sensor Pockels que foi implementado, ele apresentou um funcionamento adequado, entretanto, as dimensões físicas não puderam ser compactadas no tempo vigente do projeto.
Fig. 10 – Sensor Pockels desenvolvido.
Isto foi decorrente das curvaturas mínimas das FO, que inviabilizaram sua aplicação na base do TOCT, conforme mostrado na Fig. 11.
Fig. 11 – Posicionamento do Sensor Pockels na base do TOCT. Apesar da miniaturização do sensor Pockels ser factível, o trabalho de pesquisa associado demandaria a realização de um novo projeto de P&D.
Desta forma, buscou-se uma nova solução para a medição de tensão que pudesse atender as dimensões do TOCT, mas que provesse um acoplamento com o MPC através de FO, assim, optou-se pela implementação de um sensor capacitivo.
Fig. 13 – Placa de aquisição PAQ-VDC instalada de tensão na base do TOCT.
Com a mudança do princípio de sensoriamento de tensão, houve a necessidade de uma placa de aquisição que ficasse instalada dentro do TOCT, esta placa chama-se PAQ-VDC, e é apresentada na Fig.13. Ela efetua o processo de aquisição de tensão proveniente do sensor capacitivo, também mede a temperatura do sensor. Ela é constituída de 2 CAD de 16 bits, um aplicado a aquisição de tensão e outro à temperatura. Ela comunica-se com o MPC através de um canal serial óptico por meio de FO. Pelo fato de possuir elementos ativos, esta placa é alimentada por meio de um sistema Power Over Fiber - POF.
G. Softwares associados ao SOMQEE-MT
No projeto SOMQEE-MT foram desenvolvidos 6 softwares:
SOMQEE_EXEC – Software embarcado (Linux) que realiza o controle aquisição em tempo real dos sinais de corrente e tensão e gravação de registros de QEE e registros oscilográficos;
SIMQEE – Software Windows que simula medição de sinais senoidais trifásicos, cujos parâmetros são definidos e gerados sob demanda pelo usuário. Foi utilizado no processo de desenvolvimento para testas o software Somqee_exec;
SOMQEE-CONFIG – Software Windows que realiza a configuração do SOMQEE-MT;
SOMQEE-MONIT – Software Windows que realiza a monitoração de valores medidos;
SOMQEE-CONECT – Software Windows que realiza a leitura de dados de QEE;
SOMQEE-CALIB – Software Windows que realiza a calibração do sistema de medição
O desenvolvimento do software embarcado foi realizado em linguagem C, com os softwares Windows utilizando o ambiente de desenvolvimento C++ Builder e Delphi Pascal.
Além dos softwares, os processos de aquisição, controle e comunicação com a CPU, foram implementados em Linguagem de Descrição de Hardware – HDL, [17], utilizando-se um dispositivo do tipo Field Programmable Gate Array - FPGA.
H. Instalação e ensaios com o SOMQEE
O TOCT desenvolvido passou por testes laboratoriais e testes metrológicos, sendo integrado ao MPC a fim de gerar um sistema de monitoração de apenas uma fase. O sensor também foi submetido a um teste de instalação em uma linha de 13,8 kV, conforme mostrado na Fig. 14.
Fig. 14 - Teste de instalação de um TOCT em um ramal de 13,8 kV e - Teste de isolação em até 70kV
A figura 14 também mostra uma foto do TOCT sendo submetido a testes de isolação com aplicação de tensões de até 70kV, suportando sem problemas este nível de tensão. Cabe salientar que durante o teste o sistema foi capaz de monitorar corretamente a tensão aplicada pois para este ensaio o limite máximo de monitoração de tensão do TOCT foi ajustado em 80kV.
O sistema SOMQEE-MT completo, com monitoração trifásica (03 TOCTs), está sendo submetido a uma série de testes funcionais em laboratório, contemplando principalmente o registro de fenômenos de QEE citados no item B.
A tabela I apresenta os resultados de teste TOCT para a medição de tensão com erros da ordem de 0,2%.
Tabela I. Ensaio do TOCT para e medição de tensão.
A figura 17 apresenta os resultados de teste TOCT para a medição de corrente, com variação da temperatura de operação, sendo obtidos erros na faixa de 0,5%, para a faixa de medição de até 1200A, com aplicação de algoritmo de
compensação de temperatura.
É importante citar que sem a compensação de temperatura os erros de medição de corrente neste tipo de transdutor podem assumir valores bastante elevados, sendo que por exemplo o transdutor de um outro fabricante que não usa nenhuma compensação de temperatura apresentou erro de ordem de 6 a 10% na medição de correntes na faixa de até 1200A.
Fig. 17. Curvas de erro no Sensor de Corrente Faraday. I. Benefícios do sistema desenvolvido
Atualmente foi identificado no mercado internacional apenas um medidor de corrente e tensão para sistemas de distribuição, aplicável em média tensão, que opera com tecnologia óptica de medição de corrente, mas cuja tensão é monitorada por divisor resistivo. Desta forma, o SOMQEE-MT é o único equipamento identificado que possui isolação óptica completa tanto na medição de corrente como na de tensão.
Esta característica reduz significativamente o risco de falha de isolação e suas graves consequências, tais como danos aos sistema e risco de acidentes graves ao operador, contribuindo significativamente para o aumento da segurança de operação.
O software do SOMQEE-MT foi implementado para atender as demandas estabelecidas pela ANEEL, no PRODIST, especificamente no módulo 8, que trata da monitoração da qualidade de energia elétrica.
No final do projeto o protótipo industrial do SOMQEE-MT (composto de 03 TOCTs, 01MPC e softwares associados) foi disponibilizado para a CELESC para ser testado em uma condição real de uso, sendo instalado em um ramal de 13,8 kV.
III.CONCLUSÕES
O projeto SOMQEE-MT alcançou todos os objetivos propostos, apresentando um Transdutor Óptico de Corrente e Tensão (TOCT), aplicável a ramais de distribuição de Média Tensão de classe até 34,5 kV. Também foi desenvolvido um Módulo de Processamento e Controle (MPC), que foi projetado para operar em conformidade com o módulo 8 do PRODIST.
Desta forma o SOMQEE resolve um sério problema de segurança de operação, enfrentado pela concessionária CELESC, que é o risco de falha de isolação devido a utilização os sistemas convencionais aplicados a medição de QEE em
MT, uma vez que estes apresentam acoplamento metálico baseados em divisor resistivo. O SOMQEE também agregou conhecimento a equipe executora, gerou conhecimento nas áreas de óptica, processamento de sinais, engenharia de matérias e software.
Em decorrência dos resultados apresentados pelo SOMQEE-MT, a proposta atual é que o protótipo desenvolvido se torne um produto de mercado.
Neste contexto a empresa PowerOpticks Tecnologia Ltda., em parceria com a CELESC está dando continuidade ao projeto, e atualmente está efetuando alguns ensaios metrológicos e aprimoramentos do produto, com o objetivo de em breve disponibilizar ao mercado um sistema de medição de parâmetros de QEE.
Tal sistema será aplicável ramais de distribuição de média tensão, com alta segurança de operação, caracterizando uma inovação no mercado nacional.
IV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Agência Nacional De Energia Elétrica (ANEEL). Resolução ANEEL N0 395 de 15 de novembro de 2009; “Aprova a revisão dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST e dá outras Providências”. Brasilia, Distrito Federal, (2009). Disponível em: http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=82. Acesso em: jun. 2015. [2] POWERSENSE. Medium Voltage Monitoring. Disponível em:
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http://www.gnu.org/home.en.html, acesso em: jun. 2015. [8] ALTERA. Disponível em:
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[10] F. Pan, X. Xiao, Y. Xu, S. Ren, “An Optical AC Voltage Sensor Based on the Transverse Pockels Effect.”, Volume: 11, Issue: 7, Pages: 6593-6602, ISSN: 14248220, Sensors Peterboroug, 2011.
[11] T Takahashi, T. Okamoto, ”Development of New Small Optical-waveguide Pockels Sensor for Measuring Electric Fields.”, Proceedings of 10th International Symposium on High Voltage Engineering, Montreal, Vol. 6, pp. 89-92, 1997.
[12] Aerssens, M.; Gusarov, A.; Brichard, B.; Massaut, V.; Mégret, P.; Wuilpart, M.; Faraday Effect Based Optical Fiber Current Sensor for
Tokamaks. IEEE, p 1, jun. 2011.
[13] E. Collett, “ Polarized Light In Fiber Opticks”, the PolaWave Group, USA, 2003.
[14] B. Culshaw, “ Optical Fibre Sensing And Signal Processing”, Peter Peregrinus Ltd, London, UK, 1986.
[15] V. N. Filippov, A. N. Starodumov, Y. O. Barmenkov, V. V. Makarov, “Fiber-optic voltage sensor based on a Bi12TiO20 crystal”, Applied Opticks, vol. 39, vo. 9, 2000.
[16] V. A. Pedroni, “Circuit Design with VHDL”, Massachusetts Institute of Technology, USA, 2004.
