XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro
Curitiba - PR - Brasil
Wagner Seizo Hokama
Andre Helebrando
Companhia Paulista de Força e Luz Cooper Power Systems do Brasil Ltda.
whokama@cpfl.com.br
andrehelebrando@eaton.com
A experiência da CPFL na Implantação do Self-healing da cidade de Campinas SP
Palavras-chave Auto recuperação Continuidade Reconfiguração Self-Healing Smart Grid Resumo
A CPFL em parceria com a Eaton Cooper Power System implantou um sistema de reconfiguração automática da rede de distribuição na cidade de Campinas. O local da instalação foi escolhido baseado em análise dos eventos ocorridos na rede e cuja tomada de decisão seja realizada a partir de critérios estabelecidos por um grupo de ajustes configurado no sistema. Como resultado desta implantação, espera-se melhorar o índice de continuidade DEC dos conjuntos onde o sistema de reconfiguração automática estiver implantado, diminuindo o tempo de restabelecimento através de manobras para circuitos alternativos de alimentação e melhorando também a localização de defeitos, reduzindo o tempo de atendimento aos locais afetados. O projeto segue as tendências de implantação de soluções de “SmartGrid” em redes de distribuição de energia. Neste artigo apresentamos também a experiência obtida pela CPFL durante na implantação do Self-healing.
1. Introdução
Desde a época das privatizações no setor elétrico e da criação da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), as empresas deste setor têm sido desafiadas a melhorarem seus índices de continuidade e qualidade de fornecimento de energia. Na busca por melhorias em seus sistemas, empresas concessionárias de energia passaram então a aplicar tecnologias nas redes como o uso de religadores automáticos, sistemas de supervisão e controle da distribuição e, mais recentemente, a reconfiguração automática.
sua aplicação vem sendo desejada pelas empresas distribuidoras de energia elétrica para instalação em suas redes. Algumas tecnologias de reconfiguração automática já estão disponíveis há alguns anos, porém, todas elas restritas ao uso em regiões pequenas, envolvendo poucos equipamentos e, normalmente, restritos a equipamentos de um único fabricante.
Com a falta de um sistema que pudesse tratar a rede de forma ampla e independente de fabricante de equipamentos disponível no mercado, algumas concessionárias de energia tomaram a iniciativa de construir sistemas próprios para execução de lógicas programadas que executassem operações de manobra nas redes baseado em condições específicas para determinados trechos de rede. Estes sistemas, apesar de eficazes em suas funções, normalmente contam com recursos de difícil programação e manutenção, necessitando de tempo e ensaios para cada nova construção ou modificação nas lógicas de reconfiguração.
Atualmente, época em que se discute os conceitos de “SmartGrid” (Redes Inteligentes), alguns fabricantes já desenvolveram soluções para implantação de sistemas globais de auto recuperação de redes, conhecidos por seu nome em inglês “Self-Healing”, que integram-se com qualquer religador ou chave de manobra instalado na rede e que permitem sua implantação de maneira rápida e de fácil manutenção, tornando o trabalho da concessionária eficiente no aspecto de estudos e implantação e eficaz na sua realização.
Na busca constante por tecnologias que possam melhorar a continuidade do fornecimento de energia a seus clientes, a CPFL tomou a iniciativa de implantar um sistema de reconfiguração automática de aplicação universal, inicialmente na cidade de Campinas e a ser expandido para outras cidades no interior do estado de São Paulo. Os trabalhos avaliaram vários aspectos do sistema de reconfiguração automática como o aspecto econômico, facilidade de operação e manutenção, integração com os sistemas existentes, mas principalmente quanto aos resultados de melhoria nos índices de continuidade dessas regiões.
2. Desenvolvimento
2.1 - Características de Operação de um Sistema de Reconfiguração Automática
Um sistema de reconfiguração automática consiste em uma solução avançada de “SmartGrid” que executa a auto recuperação dinâmica de uma rede de distribuição, integrando dados em tempo real da rede para detectar distúrbios e comandar a reconfiguração automática, isolando a zona (trecho de linha) onde foi detectado o distúrbio e minimizando o número total de consumidores atingidos. O objetivo principal da implantação de uma solução como esta é de acelerar a tomada de decisão em situações onde seja possível reconfigurar a rede em um intervalo de tempo inferior a um minuto, reduzindo efetivamente o índice DEC.
Um sistema como este possui um algoritmo que detecta situações em que a rede requer isolamento e reconfiguração, baseadas em parâmetros definidos pela concessionária. Atualmente, sistemas deste tipo possuem capacidade para executar reconfiguração automática em eventos de defeito no circuito, sobrecarga e subtensão. Uma vez que o circuito é reconfigurado, o sistema poderá enviar comandos de troca de grupo de ajuste para casos onde haja inversão de fluxo de potência pela alteração da fonte. Há, ainda, possibilidade futura de que sejam adicionadas outras funcionalidades, agregando outras soluções de “SmartGrid”.
É importante destacar que, além das funções a desempenhar, o critério de escolha de um sistema de auto recuperação deve levar em conta sua capacidade de expansão, facilidade de configuração (evitar sistemas que necessitem lista de instruções ou de código em linguagem de programação) e de integração com qualquer outro sistema ou dispositivo. Soluções como estas potencializam o trabalho de engenharia permitindo com que um projeto de auto recuperação de
rede que poderia levar meses para ser concretizado, passe a ser um processo realizado em algumas horas, através de simples mudança dos ajustes de automação.
Virtualmente, qualquer dispositivo existente que utiliza protocolo de comunicação pode ser integrado ao sistema de reconfiguração automática, o que assegura a compatibilidade com controles existentes assim como novas gerações de controles.
2.1.1 - Reconfiguração Baseada em Defeito na Rede
Se ocorrer um defeito no circuito de um alimentador, os religadores que compõe o circuito executam suas funções de proteção normalmente de forma a interromper o curto-circuito detectado em um determinado trecho de linha. Se o defeito é transitório, o fornecimento de energia é restabelecido pelo próprio religador e nenhuma outra ação é necessária. Porém, se o defeito é permanente, o sistema de reconfiguração automática entra em ação assim que receber um sinal de abertura definitiva do religador.
O sistema passa então a analisar a ocorrência para identificar qual o trecho em que o defeito está localizado e envia um sinal de abertura para o religador a jusante do defeito para que o trecho seja efetivamente isolado. A análise é feita através de uma consulta aos equipamentos conectado ao longo da linha, identificando assim quais foram os equipamentos que detectaram o defeito. Posteriormente, o sistema verifica as fontes de energia disponíveis, seleciona as de maior prioridade e de menor carga em uso e envia os comandos de manobra necessários para reconfigurar o sistema de forma a minimizar os trechos sem energia restabelecendo a energia ao maior número de unidades consumidoras possível. No caso de falhas de comunicação, o sistema não poderá isolar o defeito além do dispositivo em falha de comunicação e poderá restaurar a tensão até o último equipamento que estiver em comunicação. A Figura 1mostra um exemplo das ações tomadas em uma ocorrência de defeito na linha.
É importante ressaltar que o sistema leva em consideração informações importantes, tais como trabalho da equipe técnica no campo, equipamentos em “by-pass” e disponibilidade de carga do alimentador antes de executar qualquer manobra, garantindo a segurança dos técnicos e da operação do sistema elétrico.
Figura 1- Exemplo de reconfiguração automática por defeito na linha: (a) Sistema em regime normal (b) Curto-circuito na zona Z12 causa operação de RL 1 (c) Detecção e localização do defeito e isolamento a zona Z12 (d)
Manobra de fechamento de T1 reconfigurando Z13 para o Alimentador 2
2.1.2 - Gerenciamento de Sobrecarga em Alimentadores e Transformadores
O algoritmo de reconfiguração pode ser programado para observar a carga dos alimentadores, assim como dos transformadores de subestação para determinar se há potência disponível para ser utilizada. O gerenciamento de sobrecarga previne a necessidade do operador do sistema de ter que desabilitar a reconfiguração automática em horários de pico, pois uma vez que o sistema detectar a elevação de demanda nesses períodos para determinados alimentadores, a reconfiguração será automaticamente bloqueada por indisponibilidade para transferência de carga. O gerenciador também pode reconfigurar a rede quando a carga no sistema ultrapassa parâmetros de carga pré-definidos pela concessionária.
2.1.3 - Reconfiguração Baseada em Subtensão
No caso de ocorrer subtensão em alimentadores, o sistema de reconfiguração automática pode ser habilitado para conduzir a transferência da carga para outros alimentadores que estiverem à disposição. Os parâmetros podem ser definidos de forma a detectar subtensão monofásica ou trifásica. O sistema realiza então o isolamento do alimentador comandando a abertura do disjuntor mais próximo da subestação, dando andamento à reconfiguração logo em seguida, obedecendo aos critérios de segurança anteriormente citados.
2.1.4 - Restauração
Após a detecção de um distúrbio relacionado anteriormente, um sistema de auto recuperação tentará reconfigurar a rede de forma a restaurar a tensão à maior quantidade de zonas possível. O mesmo algoritmo pode ser usado para avaliar qual a melhor fonte alternativa quando a supervisão de carga é executada.
No caso de haver mais de uma fonte alternativa, o usuário poderá definir uma fonte preferencial. Caso no momento de uma reconfiguração a fonte preferencial não possua carga disponível ou que não haja uma fonte preferencial configurada, o sistema tratará a reconfiguração pelo algoritmo padrão, baseado na demanda disponível para a reconfiguração.
Ao determinar a execução de uma reconfiguração, o sistema poderá enviar comandos de troca de grupo de ajuste para os dispositivos, pois os parâmetros de proteção dos dispositivos podem ser uma preocupação dependendo da fonte pela qual estão sendo supervisionados.
Uma série de condições devem ser verificadas antes de executar a restauração da tensão: Automação desabilitada no sistema, subsistema, alimentador ou dispositivo; Dispositivo não automatizado (na configuração);
“By-pass” ativado; Falha de comunicação; Modo local;
Problema fatal (saúde do dispositivo);
O dispositivo está conectado a mais de duas fontes; Sinalização de trabalho de linha viva ativado;
Problemas de saúde detectados em qualquer dos lados do dispositivo; Trechos de linha não energizados;
Aberto por alguma das seguintes razões: Isolamento de falta;
Corte de carga;
Isolamento de subtensão.
Caso nenhum desses itens esteja impedindo a reconfiguração, o sistema poderá continuar a avaliar a melhor alternativa para restauração da tensão. A restauração pode ser realizada pela própria rotina de automatismo dinâmico do sistema, ou iniciada manualmente pelo operador.
2.2 - Arquitetura do Sistema de Reconfiguração Automática instalado na CPFL
O sistema de reconfiguração automática consiste de uma plataforma flexível de automação que pode ser configurada para qualquer arquitetura de comunicação, visto que está integrada a um servidor de comunicação multifuncional que fornece todas as ferramentas presentes em um concentrador de dados.
O sistema pode ser instalado em arquitetura centralizada, onde a inteligência fica concentrada em um sistema próximo ao Centro de Operações do Sistema (COS) e descentralizada, onde a inteligência fica distribuída e mais próxima dos alimentadores. A arquitetura aplicada no sistema da CPFL prevê uma arquitetura intermediária em virtude do sistema de comunicação instalado. A arquitetura de comunicação utilizada foi a rede Mesh que fica localizado na mesma rede de comunicação do sistema de supervisão e controle (SCADA). A Figura 2mostra a arquitetura instalada na CPFL.
Figura 2– Arquitetura de instalação na rede da CPFL
2.3 - Projeto e Estudo do Caso na Região de Campinas
O projeto foi implantado na região de Campinas com a integração de uma área com quatro alimentadores localizados nas subestações Taquaral (TAQ), Notre Dame (NDA) e Paineiras (PNE), oito religadores de distribuição de três modelos de fabricantes distintos. Os religadores foram configurados de forma que quatro religadores farão parte dos circuitos principais permanecendo na posição normalmente fechada (NF) e os outros quatro foram instalados como pontos de junção para transferência dos alimentadores permanecendo na posição normalmente aberta (NA). A área escolhida é uma região de importantes centros comerciais e outros centros consumidores de grande consumo. A Figura 3mostra
como estarão integrados os circuitos dos alimentadores na região de Campinas.
Como critérios de medição para verificação do desempenho do sistema de reconfiguração automática, serão comparados os índices de continuidade DEC dos locais atendidos por estes alimentadores, antes e depois da implantação do sistema. Deverão ser avaliados também os custos da implantação do sistema, bem como de operação e manutenção, além da facilidade de configuração e integração aos sistemas existentes na CPFL.
Outro fator importante a ser considerado é quanto ao planejamento da rede de distribuição, visto que para tornar viável a implantação de um sistema de reconfiguração automática, se faz necessário um estudo de forma a interligar os alimentadores em pontos estratégicos. Uma vez que o sistema automaticamente detecta e localiza o defeito para efetuar o isolamento do trecho, consequentemente há um benefício adicional não só no trecho afetado, como também quanto a localização para envio de equipes de manutenção.
Figura 3- Circuito implementado entre as subestações de Taquaral, Notre Dame e Paineiras
Sistemas de reconfiguração automática já vem sido implantados em países como Estados Unidos e Canadá em mais de 20 importantes concessionárias, podendo citar como principais casos a Pacific Gas & Electric (California, EUA) contendo 600 alimentadores e 3400 equipamentos (religadores, chaves seccionadoras e/ou disjuntores), Duke Energy (diversos estados nos EUA) contendo 260 alimentadores e 1090 equipamentos, American Electric Power (AEP – Indiana, EUA) contendo 8 alimentadores e 29 equipamentos, Pepco Holdings Inc (EUA) contendo 200 alimentadores e 700 equipamentos, Fortis (Alberta, Canadá) contendo 45 alimentadores e 250 equipamentos, Delaware Electric (Delaware, EUA) contendo 21 alimentadores e 52 equipamentos, Jackson Purchase Energy (Kentucky, EUA) contendo 6 alimentadores e 24 equipamentos.
Durante a implantação do caso da região de Campinas tivemos alguns eventos que foram de grande aprendizado que gostaríamos compartilhar. Muitas vezes os artigos mostram apenas os resultados positivos, mas a nossa intenção é mostrar todos os resultados visando ajudar em futuras implementações.
Evento #1:
Data e Hora: 18/12/14 - 19:04
Causa da Interrupção: Desligamento SE Paineiras.
Ação do Automatismo: Nenhuma, pois o automatismo estava bloqueado.
Ação de correção: Operação foi orientada que não necessita bloquear o automatismo para manobras manuais. Evento #2:
Data e Hora: 18/01/15 - 20:52
Causa da Interrupção: Desligamento SE Paineiras.
Ação do Automatismo: Nenhuma, pois o lado fonte e carga do NA 582478 estava invertido no YFA em relação ao campo. Ação de correção: Corrigido a configuração de todos os NA conforme verificado em campo pela nossa equipe de 15 kV. Evento #3:
Data e Hora: 21/01/15 - 03:17
Causa da Interrupção: Rompimento do Jumper na rede de distribuição.
Ação do Automatismo: Nenhuma, pois houve incoerência na medição de tensão entre os religadores 582504 e 943685, pois o faseamento entre eles não está correto.
Ação de correção: Verificado com a GA e SD a possibilidade de corrigir isso em campo. Confirmada essa inversão nossa equipe de 15 kV.
Evento #4:
Data e Hora: 17/02/15 - 16:55
Causa da Interrupção: Desligamento SE Paineiras
Ação do Automatismo: Nenhuma, pois houve falha de comunicação e medição de tensão.
Ação de correção: Devido a não ativação do RBE nos religadores, implementado polling para medições estáticas a cada 10 segundos e criação de lógica para repassar a sinalização de falha de comunicação do driver Master para o Slave do YFA.
Evento #5:
Data e Hora: 01/10/15 - 09:43
Ação do Automatismo:
Sequência da manobra:
1. O automatismo partiu devido a uma falha na fonte PNE-02 (abertura da RA542648):
2015/10/01 09:43:06.296 Information ###### Feeder PNE-02: Source Loss detected. 0 SubSystem.Alphaville.Feeder.PNE-02 SubSystem, Alphaville, Feeder, PNE-02
2. O YFA mandou desligar a NF RA568036 para isolar a fonte com problema:
2015/10/01 09:43:18.680 Information ++ Device RA568036: OPENED (YFA Operation). 4 SubSystem.Alphaville.Device.RA568036 SubSystem, Alphaville, Device, RA568036
3. Em seguida o YFA mandou alimentar o trecho isolado por outra fonte, fechando o NA RA582535 (NDA-09):
2015/10/01 09:43:34.185 Information ++ Device RA582535: CLOSED (YFA Operation). 37 SubSystem.Alphaville.Device.RA582535 SubSystem, Alphaville, Device, RA582535
4. Todavia, como existia uma falta neste trecho (Cabine do Shopping Galeria), a NA RA582535 abriu por proteção:
2015/10/01 09:43:39.613 Information -- 'RA582535_EF1_Fwd' --> 1 40 SubSystem.Alphaville.Device.RA582535 SubSystem, Alphaville, Device, RA582535
2015/10/01 09:43:39.613 Information ++ Device RA582535: Fault indication received. 41 SubSystem.Alphaville.Device.RA582535 SubSystem, Alphaville, Device, RA582535
2015/10/01 09:43:39.613 Information ++ Device RA582535: OPENED unexpectedly. 42 SubSystem.Alphaville.Device.RA582535 SubSystem, Alphaville, Device, RA582535
2015/10/01 09:43:39.613 Information -- 'RA582535_EF1_Fwd' --> 0 43 SubSystem.Alphaville.Device.RA582535 SubSystem, Alphaville, Device, RA582535
2015/10/01 09:43:39.613 Information ++ Device RA582535: Fault indication cleared. 44 SubSystem.Alphaville.Device.RA582535 SubSystem, Alphaville, Device, RA582535
2015/10/01 09:43:39.613 Information ++ Device RA582535: Lockout indication received. 45 SubSystem.Alphaville.Device.RA582535 SubSystem, Alphaville, Device, RA582535
5. Em seguida o operador tenta fazer uma manobra por outra fonte, fechando a RA520031, porém sem sucesso devido ao mesmo motivo:
2015/10/01 09:43:42.280 Information ###### Device RA520031: CLOSED (External Operation). 46 SubSystem.Alphaville.Device.RA520031 SubSystem, Alphaville, Device, RA520031
2015/10/01 09:43:46.694 Information -- 'RA520031_SEFTrip' --> 1 49 SubSystem.Alphaville.Device.RA520031 SubSystem, Alphaville, Device, RA520031
2015/10/01 09:43:46.694 Information ++ Device RA520031: Fault indication received. 50 SubSystem.Alphaville.Device.RA520031 SubSystem, Alphaville, Device, RA520031
2015/10/01 09:43:46.694 Information -- 'RA520031_GroundTrip' --> 1 51 SubSystem.Alphaville.Device.RA520031 SubSystem, Alphaville, Device, RA520031
2015/10/01 09:43:46.694 Information ++ Device RA520031: OPENED unexpectedly. 52 SubSystem.Alphaville.Device.RA520031 SubSystem, Alphaville, Device, RA520031
Pontos de atenção e melhoria:
1. Analisando a lista de eventos do SDDT notou-se que dois operadores tentaram abrir a RA568036, não percebendo que o YFA já tinha iniciado a manobra automática. Também verificamos que o
operador tentou manobrar o trecho desligado para o PNE-03 (via 520031), não percebendo que o YFA já havia tentado manobrar sem sucesso, devido à falha na cabine do Shopping Galeria. Sugerimos que a sinalização “YFA em Atividade” seja colocada na tela de manobra, visando ampliar a atenção do operador;
2. A lista de eventos do SDDT não apresentou os eventos na sequência correta (falha de SOE). Sugerimos que os eventos oriundos do YFA sejam datados com o horário do evento.
3. Conclusões
A implantação de sistemas de reconfiguração automática tem por objetivo principal melhorar a qualidade de fornecimento de energia aos consumidores, reduzindo o tempo de falta de energia aos consumidores em cujos trechos não foram afetados pelo defeito no circuito para tempos inferiores a um minuto, melhorando o índice DEC.
A experiência realizada pela CPFL demonstra que o tempo de resposta entre a detecção do defeito, a tomada de decisão e a execução das manobras de recomposição da rede ficou registrado entre 30 e 40 segundos. Em termos de comparação, a CPFL verificou em seu histórico que uma sequência de operações semelhante realizada pelo operador via centro de operações antes da implantação do sistema de reconfiguração automática levou 7 minutos para ser concluída.
Os sistemas de reconfiguração automática atualmente disponíveis possuem algoritmos poderosos para análise de eventos e critérios para a tomada de decisão de manobras. Estes sistemas possuem interfaces de fácil configuração e ajustes, não necessitando de escrita de lógicas ou procedimentos de operação. A segurança da operação é totalmente preservada e verificada a todo instante antes de executar qualquer manobra, bastando para as equipes de manutenção a realização dos procedimentos de segurança já praticados normalmente.
antes menos relevantes para a operação, mas que precisam ser verificados antes da colocação em operação do sistema, tais como inversão de fases, verificação de lado fonte/lado carga de equipamentos, parâmetros de comunicação, tais como tempos de varredura para atualização dos dados, banda morta dos pontos, etc.
A experiência da CPFL a coloca dentre as empresas de forte iniciativa em implantação de tecnologias no conceito “Smart Grid” em redes de distribuição da América Latina, reforçando seu importante papel como empresa de referência do setor de energia.
4. Referências bibliográficas
AMIN, Massoud, GIACOMONI, Anthony. Smart Grid – Safe, Secure, Self-Healing. IEEE Power & Energy Magazine, Publicação Janeiro/Fevereiro 2012, p. 33.
Sítios da Internet
Cooper Power Systems by Eaton – Yukon Feeder Automation Software.
http://www.cooperindustries.com/content/public/en/power_systems/products/automation_and_control/reliability-optimization/yukon_feeder_automation.html. Visitado em 10/01/2014.
Smart Grid: Self-Healing Network.
http://www.smartgridnews.com/artman/publish/Technologies_Transmission_Resources/Smart-Grid-Self-Healing-Network-1581.html. Visitado em 10/01/2014.
