Medição Sincronizada de Fasores Visão Geral

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Rio de Janeiro - RJ 29/feveriro/2008

Apresentador:

Héctor Andrés Rodriguez Volskis

Medição Sincronizada de

Fasores – Visão Geral

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Fasores

Um grandeza elétrica da forma:

Pode ser representada por um vetor girando na velocidade ω, denominado fasor definido por:

onde φ depende do início da escala de tempo (t=0)

)

t.

cos(

X

)

t

(

x

=

_M

ω

+

φ

φ j M i r

e

2 X

x

j

x

ˆ

₌

₊

₌

Charles Proteus Steinmetz (1865-1923)

Complex Quantities and their use in Electrical Engineering;

Proceedings of the International Electrical Congress, Chicago, IL; AIEE Proceedings, 1893; pp.33-74.

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Motivação

Em distúrbios de grande porte num sistema de

transmissão podem ocorrer

fenômenos de longa

duração

, tais como:

Oscilações eletromecânicas (locais e entre áreas) Variações de freqüência

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Motivação

A análise destes fenômenos depende basicamente do registro da freqüência e do

módulo e ângulo de fase das grandezas elétricas durante os distúrbios

Phase Angles Diverged Prior To Blackout

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Medição de Fasores

A medição do ângulo de fase de uma

grandeza só tem sentido se relacionada a uma base de tempo comum, de forma que a diferença angular entre grandezas diferentes possa ser obtida

Numa mesma localidade, a sincronização da base

de tempo para a amostragem das grandezas é simples de ser implementada e a representação fasorial da grandeza pode ser obtida, por

exemplo, utilizando a técnica da Transformada de

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Sincronização em Grandes Distâncias

No sistema elétrico as subestações estão distantes uma das outras por centenas de quilômetros e para a medição dos fasores em diferentes localidades, é necessária uma referência de tempo comum

~ 4.000 km

Esta referência de tempo, em qualquer ponto do globo terrestre, é disponibilizada pelos sistemas de navegação por satélites

GPS em operação: NAVSTAR GPS (EUA) GLONASS (Rússia - 2010) GPS planejados: GALILEO (UE - 2012) BEIDOU/COMPASS (China) DORIS (França) INRSS (Índia)

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Sistema Sincronização GPS-Global Positioning

System

São 24 satélites + 3 reservas em 6 planos orbitais diferentes, 4 satélites por plano, com tempo de órbita de 12 horas. Isso permite que a qualquer momento de 5 a 8 satélites estejam visíveis informando posição e velocidade.

Informações: Velocidade Posição Tempo (1PPS) Precisão: Horizontal: 3-15 m (1 a 5m usando DGPS) sem código SA Vertical: 27,7 m

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PMU – Phasor Measurement Unit

PMU – Composta de um receptor de sinal GPS, sistema de aquisição (filtro + módulo de conversão A/D) e um microprocessador.

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Medição Sincronizada de Fasores –

Concentrador de Dados(PDC)

WAN

Concentrador de Dados

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Registro do desempenho dinâmico

Aplicação:

Análise de perturbações e investigação do desempenho dinâmico do sistema e resposta dos sistemas de controle

Benefícios:

Ganhos de tempo e qualidade da análise de distúrbios

Requisitos:

Instalação de PMU nas barras principais

Registro dos fasores de seqüência positiva

Taxa de amostragem de 10 a 60 fasores/segundo

Latência não é crítica

70 76 82 88 93 99 105 12:55:19.00 12:55:33.93 12:55:48.87 12:56:03.80 12:56:18.73 12:56:33.67 12:56:48.60 Pacific Time Vincent 500kV Mohave 500kV Devers 500kV Grand Coulee 500kV

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Monitoramento em tempo real

Aplicação:

Monitoramento de grandezas em tempo real

Benefícios:

Melhor determinação das condições de operação Ganhos para a segurança operacional

Requisitos:

Instalação de PMU nas linhas de interligação e pontos

selecionados

Fasores de seqüência positiva Taxa de amostragem de 1 a 10

fasores/segundo

Latência máxima de 1 a 5

segundos _{Fonte: SCE/ D. Novosel & Y. Hu}

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Determinação dos modos de oscilação

Aplicação:

Identificação dos modos de oscilações locais e entre áreas

Benefícios:

Melhor determinação das condições de operação Ganhos para a segurança operacional

Requisitos:

Instalação de PMU nas linhas de interligação e pontos

selecionados

Fasores de seqüência positiva e freqüência

Taxa de amostragem de 10 a 60 fasores/segundo

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Melhoria da Estimação de Estado

Aplicação:

Uso dos fasores no Estimador de Estado

Benefícios:

Melhoria da qualidade do processo de estimação de estado Aumento da observabilidade do sistema

Requisitos:

Localização das PMU considerando critérios de observabilidade Tensões e correntes de seqüência positiva

Taxa de amostragem de 1 a 10 fasores/segundo Latência máxima de 2 a 10 segundos

Os requisitos variam se utilizadas apenas PMU para a Estimação de Estado (necessário instalar PMU em 30 a 50% das barras)

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• Limites físicos – ex. Capacidade térmica de uma linha

Esses limites nunca devem ser ultrapassados

• Limites de estabilidade – tensão e angulo

Muitas vezes, estes são os que limitam a capacidade de transferência de fato

Determinados pelos estudos off-line e fixados para um determinado período

Na maioria das vezes não são os ótimos - Tipicamente baseado no pior caso, enquanto que as condições operacionais do sistema mudam o tempo todo

Não podem ser alterados rapidamente após ocorrer eventos não planejados (são usados limites mais restritivos até que os novos limites

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• Menor que o limite atual

A capacidade de

transferência não será totalmente utilizada

• Maior que o limite atual

Riscos de distúrbios de larga escala e blackouts

Potência

90° 180°

0°

Importância dos Limites Acurados

Ângulo

P

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J J F M A M J J A S O N D Enforced limit Theoretical limit PMU-based limit 1 2 3 Month P o w e r 1’ J J F M A M J J A S O N D Enforced limit Theoretical limit PMU-based limit J F M A M J J A S O N D Limite adotado Limite teórico Limite PMU -1 2 3 Meses P o w e r

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Principais Iniciativas no Brasil que

fazem uso dessa tecnologia

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Projetos no Brasil – MEDFASEE – Parceria

UFSC/Reason/Finep

Objetivo

• Desenvolver um protótipo de SMSF envolvendo atividades de pesquisa e implementação relacionadas com: PMU, PDC e aplicações nas áreas de monitoração e controle da operação de sistemas elétricos em tempo real.

Desenvolvimentos Realizados

• Simulador de SMSF

• Protótipo de um SMSF (3 PMU + 1 PDC)

• Aplicações de monitoração em tempo real e estudos off-line

• Monitoração e análise da freqüência nas 3 capitais do Sul do Brasil

• Registro e análise de ocorrências no SIN

• Metodologias para aplicações envolvendo: Controle e estabilidade, localização de faltas e Estimação de estados

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Projetos no Brasil – MEDFASEE – Eletrosul

Projeto P&D UFSC/Eletrosul/Reason

Objetivo

• Implementar um protótipo de UM SMSF no Sistema de Transmissão da Eletrosul (2007/2008).

4 subestações

• SE Ivaiporã • SE Areia

• SE Campos Novos • SE Nova Santa Rita

6 circuitos de 500 kV monitorados

• Ivaiporã – Londrina C1 • Ivaiporã – S. Santiago C1 • Ivaiporã – Areia

• Areia – Campos Novos • Campos Novos – Caxias • Nova Sta. Rita - Gravatai

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Sistema de Medição Sincronizada de Fasores para o

SIN – Projeto ONS

Motivação

• Aumentar a confiabilidade do SIN utilizando tecnologia de medição fasorial para registro da dinâmica de perturbações, monitoração em tempo real e melhoria da estimação de estados, atendendo a

recomendação dos relatórios de análise dos blecautes de março/1999 e janeiro/2002

Início

• 2000 (uso off-line) e 2005 (uso no TR)

Objetivos

Registro e análise do desempenho dinâmico do Sistema Interligado Nacional Melhoria da estimação de estado e disponibilização de novo ferramental de

apoio à tomada de decisão em tempo real

Tamanho

• 85 (61+24) localizações (a grande maioria com tensões iguais ou superiores a 345 kV)

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Principais Iniciativas no Mundo

que fazem uso dessa tecnologia

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◊

Projeto WAMS

–

WWide ide AArea rea M

Measurement easurement SSystemystem

Sistema Oeste (WECC)Sistema Oeste (WECC)

InIníício: 1989cio: 1989

Estados Unidos da América

◊

Projeto EIPP

–

EEastern astern IInterconnection nterconnection P

Phasor hasor PProjectroject

Sistema Leste (WECC)Sistema Leste (WECC)

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Estados Unidos da América – Projeto WAMS

Objetivo Original

• Determinar necessidades e melhorar os instrumentos utilizados no controle e operação dos SSC em ambientes desregulamentados.

Constatação

• O aprimoramento das funções de controle e operação dos SSC requer medições amplas para um maior conhecimento do comportamento do sistema.

Implementação de SMSF iniciada em 1995 Aplicações de monitoramento

• Visualização on-line dos fasores; registro de perturbações; análise off-line; aprimoramento e validação de modelos de simulação.

Aplicações de controle

• Desenvolvimento do conceito de WACS - Wide Area Control

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Projeto WAMS (Situação em 2007)

Sistema WECC

• 82 PMU • 9 PDC

Operador Independente da Califórnia (CAISO)

• 53 PMU pertencentes ao WECC enviando dados em TR para o PDC do CAISO.

• Desenvolvimento de ferramentas de monitoração da dinâmica do Sistema (RTDMS – Real Time Dynamics Monitoring System). Monitoramento da abertura angular (stress do sistema)

• Protótipo de monitoramento de estabilidade para pequenos sinais. Análise de oscilações eletromecânicas inter-área (freqüência e amortecimento)

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Estados Unidos da América – Projeto EIPP

Objetivo

• Criar uma rede de SMSF robusta, abrangente e segura para compartilhar dados de medição fasorial sincronizada sobre o sistema leste, bem como ferramentas de monitoração e análise para melhorar a confiabilidade operacional e os processos de planejamento (início em 2003).

Participantes

• CERTS – Consortium for Electric Reliability Technology Solutions, que reúne profissionais de operadores, fabricantes, transmissores e universidades.

Financiamento

• DOE (Department of Energy) e indústria

Situação em 2007

• 35 PMU

• 5 PDC – Ameren, AEP, TVA, NYISO, Entergy • TVA SuperPDC

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China – implantação de um WAMS

Aspectos Gerais da arquitetura

• Início dos trabalhos de pesquisa em 1995

• 10 projetos de WAMS em desenvolvimento (5 Sistemas regionais e 5 provinciais)

• O Sistema elétrico chinês tem capacidade de geração de 380 GW • Investimento superior a 12 milhões de dólares

• Cerca de 400 PMU instalados até o março de 2007

• Previsão de instalação de PMU nos próximos 5 anos em todas as subestações 500 kV ou com capacidade instalada igual ou superior a 300 MW.

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China – Implantação de um WAMS –

Aplicações enumeradas

Aplicações Básicas

• Aquisição e tratamento de dados fasoriais (função PDC) • Análise e monitoração da dinâmica de grandes áreas • Registro sincronizado de dados de perturbações

Aplicações de Monitoramento

• Monitoração do estado de geradores

• Análise on-line de pequenas perturbações • Estimação de estados híbrida

• Monitoração de estabilidade de tensão

Aplicações de Controle e Proteção

• Controle de emergência

• Predição e alarme de estabilidade angular • Identificação on-line de perturbações

• Controle automático de tensão

Aplicações Especiais

• Validação de modelos e simulações • Identificação de modelos

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México – WAMS implantado pela CFE –

Comision Federal de Electricidad

Objetivo

• Registro de eventos de longa duração; análise de estabilidade; medir a eficácia dos sistemas de controle; validação de simulações (início entre 1996 e 1997 com a instalação de 6 PMU no sistema de transmissão de 230 kV e 400 kV).

Aplicações Desenvolvidas no sistema da CFE

• Sistemas especiais de controle e proteção • Visualização do sistema em tempo real • Análise de desligamentos de linhas

• Estimação de estados

Situação em 2007

• 37 PMU

• 73 Relés-PMU • 5 PDC

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Japão – Projeto envolve 11 universidades

Objetivo

• Implementar um SMSF em baixa tensão para monitorar oscilações de freqüência entre áreas no sistema elétrico japonês.

Participantes

• KIT – Kyushu Institute of Technology • Kumamoto University

• Hiroshima University • University of Tokushima • Osaka University

• University of Fukui

• NIT – Nagoya Institute of Technology • Hokkaido University

• Hachinohe Institute of Technology • Yokohama National University

Resultados Obtidos

• Instalação de um SMSF com 11 PMU na baixa tensão.

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Outros países

Suiça

• 5 PMU instaladas e desenvolvimento de alarmes e monitoração de oscilações eletromecânicas (2007).

Itália

• Previsão de instalação de 30 PMU e desenvolvimento de possíveis aplicações de estimação de estados, validação de modelos e teste em equipamentos de proteção entre outras (2007).

Países Nórdicos

• Há registros de algumas PMU instaladas na Islândia e Dinamarca visando estudos de monitoramento de perturbações, análises off-line e validação de modelos de simulação.

Coréia do Sul

• 24 PMU instaladas e uma aplicação de monitoração (2005).

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