Projeto do Sistema de Medição Sincronizada de Fasores do SIN

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Projeto do Sistema de

Medição Sincronizada

de Fasores do SIN

Ciclo de Palestras sobre Medição Fasorial

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Projeto SMSF - SIN

Motivação

• Aumentar a

confiabilidade

do SIN utilizando tecnologia de

medição sistêmica para monitoramento e controle

• Atender

recomendação

dos relatórios de análise dos

blecautes de 1999 e 2002

Objetivo

• Implantar uma infra-estrutura de medição sincronizada

de fasores, robusta, com disponibilidade adequada,

segura e com ferramentas para:

Registro e análise do desempenho dinâmico do SIN (Projeto 6.2)

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Projetos no ONS

Projetos incluídos no Plano de Ação do ONS (2007-2009)

• Para aplicações off-line:

Projeto 6.2 – Implantação do Sistema de registro de fasores O objetivo principal é instalar um sistema de PMU para registro do desempenho dinâmico do SIN durante perturbações sistêmicas

Este sistema deve considerar os requisitos necessários para permitir a implantação das aplicações de tempo real

• Para aplicações em tempo-real:

Projeto 11.11 – Aplicação da Tecnologia de Medição Fasorial para Suporte à Decisão em Tempo Real

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Resolu

ção ANEEL-170/2005

Responsabilidades do ONS

• Reavaliar a arquitetura do Sistema de Medição Fasorial e os requisitos de telecomunicação (Concluído)

• Reavaliar os requisitos, a quantidade e a localização das

Unidades de Medição Fasorial - PMU e demais equipamentos associados, a serem implantadas nas instalações dos Agentes

(Concluído)

• Definir o cronograma e coordenar a implantação das PMU nas instalações dos Agentes (Em execução)

• Especificar, adquirir e colocar em operação a Central de Coleta de Dados (Concluída a especificação)

• Coordenar a homologação das PMU, por meio de ensaios em

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Resolu

ção ANEEL-170/2005

Responsabilidades dos Agentes

• Caberá às concessionárias e autorizadas adquirir, instalar,

operar e manter as PMU, bem como prover os meios de

telecomunicação para a disponibilização das medidas na

Central de Coleta de Dados no ONS, atendendo os

requisitos técnicos, especificações e cronogramas

definidos pelo ONS

(A ser iniciado)

Viabilização

• O custo dos equipamentos e das atividades será

considerado, após auditado pela ANEEL, nas revisões

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Etapas

1. Definir a arquitetura do Sistema de Medição Fasorial e os requisitos de telecomunicação

• Especificar a arquitetura mais adequada para o SMSF-SIN

• Especificar os requisitos mínimos dos canais de telecomunicação

2. Definir os requisitos, a quantidade e a localização das Unidades de Medição Fasorial - PMU e demais equipamentos associados

• Especificar os requisitos mínimos das PMU para o SMSF-SIN

• Especificar os requisitos mínimos dos Concentradores de Dados Fasoriais das Subestações

• Especificar os requisitos mínimos dos Concentradores de Dados Fasoriais do ONS - CDC

• Definir a metodologia para os ensaios de homologação das PMU

3. Realizar a Certificação das PMU

• Seleção da instituição certificadora (laboratório independente) • Seleção das PMU a serem ensaiadas

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Etapas

4. Coordenar o cronograma e implantação das PMU nas instalações dos Agentes

• Coordenar o levantamento das necessidades de investimentos em telecomunicação e nas instalações

• Coordenar a elaboração do cronograma de implantação • Acompanhar o cronograma de implantação

5. Aquisição do CDC

• Realização de processo de licitação para fornecimento do CDC do ONS

6. Fornecimento e instalação do CDC

• Acompanhar o desenvolvimento do CDC

• Coordenar a realização de ensaios de aceitação do CDC • Coordenar a instalação e comissionamento do CDC no ONS

7. Inclusão das medidas fasoriais no CDC do ONS

• Adequação da infra-estrutura de comunicações do ONS

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Etapas

8. Definição dos pontos de medição para aplicações em Tempo Real

• Realizar estudos para determinar a necessidade e localização de PMU adicionais para aplicações na operação em Tempo Real

9. Inclusão das medidas fasoriais no EMS dos Centros de Controle do ONS

• Especificar os requisitos dos EMS necessários para a inclusão dos fasores

10. Avaliar a utilização de PMU já em operação

• Levantar a características técnicas das PMU instaladas antes da implantação do SMSF-SIN e verificar sua compatibilidade com os requisitos especificados

11. Especificar e desenvolver aplicações para uso na operação em tempo real

• Avaliação dos aplicativos comerciais, seleção, especificação, aquisição ou desenvolvimento dos protótipos de aplicativos e ferramentas

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Arquitetura do Sistema de

Medição Sincronizada

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Requisitos b

ásicos

• Do sistema:

Deve ser flexível – Atender as necessidades do ONS e dos Agentes Deve ser expansível

A segurança de rede deve ser considerada (Agentes e ONS)

• Para aplicações off-line:

A freqüência máxima de oscilação entre áreas é de 2 Hz

A aquisição e armazenamento dos dados deve ser confiável e suportar falhas nos canais de telecomunicação

• Para aplicações em tempo real:

Uma taxa de exteriorização de 10 fasores por segundo é suficiente para as aplicações previstas

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Largura de Banda e Latência

• Largura de Banda é a quantidade de dados que pode ser transferida em um período de tempo determinado

Também conhecida como velocidade ou baud do canal

• Um modem 14.4K pode enviar e receber 14.400 bits por segundo (bps) • Um dispositivo Fast Ethernet pode enviar e receber 100.000.000 bps

A largura de banda efetiva é influenciada por falhas ou ruídos na comunicação, compressão de dados, overhead de protocolo, etc.

• Latência é o tempo que o dado leva para ser transferido de um ponto para outro

Tempo para um bit ou mensagem deixar um ponto e chegar em outro

É mais significativa para aplicações em tempo-real, controle e proteção

• A supervisão visual é insensível para latências inferiores a 300ms

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Latência na Medida dos Fasores

• Atraso na medição

Tempo decorrido desde o início de uma variação da grandeza medida até que o dado de saída apresente a variação

Depende do algoritmo utilizado para a obtenção do fasor e a taxa de amostragem utilizada

• O mínimo será a taxa de exteriorização dos dados + a janela de medição

Medidas práticas variam de 2 a 6 ciclos (30 fasores por segundo) • Atrasos na transmissão e recepção

Tempo decorrido desde o instante que o dado deixa a PMU até ser enfileirado no buffer do dispositivo receptor (PDC)

É afetado pelo tipo de comunicação, velocidade, formato, tamanho de buffers e a distância

• O efeito menos significativo é a distância, uma vez que a velocidade de propagação é próxima da velocidade da luz

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Requisitos de Largura de Banda

Banda requerida conforme Norma C37.118 (bit por segundo)

Quantidade de fasores Taxa de exteriorização

(Fasor por segundo)

60 30 10 25.920 (32.640) 16.320 (23.040) 10.560 (17.280) 51.840 (65.280) 8.640 (10.880) 10 32.640 (46.080) 21.120 (34.560) 5.440 (7.680) 3.520 (5.760) 5 2

NOTAS: Grandezas medidas em ponto flutuante

Inclui a medida de freqüência e desvio de freqüência Inclui um canal digital (16 bits)

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Protocolos IP

• TCP (Transmission Control Protocol)

Protocolo orientado à conexão, com 3 fases: • Estabelecimento da conexão

• Transferência dos dados • Encerramento da conexão

Overhead de processamento maior

Monitora a troca de dados e reenvia pacotes perdidos • A recuperação de dados aumenta o atraso

Mais adequado para aplicações não sensíveis a atrasos (p.e. transferências de arquivos)

• UDP (User Datagram Protocol)

Protocolo simples, baseado em mensagens, sem conexão Overhead mínimo

Não há retransmissão em caso de falha Melhor para aplicações em tempo-real

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Arquitetura do SMSF

• Arquitetura em três níveis • Canais de telecomunicações dedicados para garantia de largura de banda e segurança do sistema • Fasores em tempo real utilizando protocolo UDP/IP, endereçamento multicast e formato C37.118 • Duas opções de

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Arquitetura das subestações

• Dados de tempo real das PMU enviados no formato C37.118 com

endereçamento UDP/IP multicast

Dados das PMU serão roteados para o SPDC onde serão alinhados e armazenados

O Agente pode, opcionalmente, utilizar uma taxa de fasores maior que a do ONS (10 fps)

• A banda total deve considerar:

Os fasores em tempo real para o CDCP/CDCS do ONS (10fps)

Os fasores em tempo real para o PDC do Agente (Taxa de exteriorização selecionada pelo Agente)

Banda adicional reenvio de dados perdidos em tempo real

• O Concentrador de Fasores da Subestação – SPDC é obrigatório para:

Permitir a utilização de diferentes configurações de fasores e taxas de exteriorização para o ONS ou Agente

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Concentrador de fasores na Subestação

Comandos ds PMU: • Requisição configuração • Parada/partida de envio de fasores Banco de dados de configuração Banco de dados de configuração Concentrador de Fasores da Subestação SPDC Concentrador de Fasores da Subestação SPDC Banco de dados de fasores - FIFO Banco de dados de fasores - FIFO Comandos do SPDC: • Requisição de configuração • Partida/parada de envio de fasores • Requisição de dados faltantes Fluxo de fasores C37.118: • Para o ONS (10pps)

• Para o Agente (ex: 30pps)

LAN da Subestação

WAN do SMSF

Fluxo de fasores C37.118: • De PMU, Relés, DFR, etc.

Alinhamento dos dados Processamento dos fasores

Armazenamento Reenvio de dados

Firewalling

Conversor de protocolos

Alinhamento dos dados Processamento dos fasores

Armazenamento Reenvio de dados

Firewalling

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Arquitetura do CC do Agente

• Geral

Quando o dado chega ao

Centro de Controle do Agente é enviado diretamente para o CDC do ONS

Se o Agente utilizar um APDC, o protocolo multicast

encaminhará o dado para o APDC também

• Concentrador de Fasores do Agente (APDC):

O uso do APDC é opcional O APDC não concentra os

fasores para enviar para o ONS. Ele recebe os dados via protocolo multicast

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Arquitetura do CDC - ONS

Estrutura em 2 níveis (FEPDC e Master PDC)

• Front-end Phasor Data Concentrators (FEPDC):

Alinha os dados recebidos dos SPDC das diversas SE de acordo com a etiqueta de tempo e realiza outros processamentos

Inicia o processo de recuperação dos dados dos SPDC quando

ocorre falha nos canais de telecomunicação, enviando a solicitação para o SPDC correspondente

Armazena os dados recebidos por um período de tempo definido, mantendo a base de dados de fasores em tempo real

• Master Phasor Data Concentrator (MPDC):

Alinha os dados de todos os FEPDC e distribui dados para o servidor de aplicação para ser utilizado pelo SCADA

• Bancos de dados:

Banco de dados on-line de fasores das PMU

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Arquitetura do CDC

Armazenamento por 5 anos de todos eventos

FEPDC 1

DB

DB DB_DB

armazenamento dos dados por 15 dias

DB

DB DB_DB

PMU & EVENT TRIGGER gerenciador de informações

DB

Rede de Comunicações

Base de Dados on-line

Base de Dados Armazenamento de eventos selecionados FEPDC 2 FEPDC n Fluxo de dados C37-118 dos SPDC Comando para recuperação de dados Dados alinhados dos SPDC MASTER PDC PMU Info & Status PMU Info & Status

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Arquitetura do CDC

Multiport Router Consoles _FEPDC

Router

IS&R Online DB Event Archive DB FEPDC CNP (To the CC WAN via the firewall) Consoles CNP (To the CC WAN via the firewall) PMU Config. and event trigger DB Router Router To COSR PMS LANs To COSR PMS LANs IS&R FEPDC Console CNP (To the CC WAN via the firewall) IS&R CC WAN (By Purchaser) IS WAN (By Purchaser) Firewall Firewall SCDC PCDC PDP SHP Corporate Network Application Server Application Server Application Server Application Server UI Server IS&R EUSS IS&R • PCDC

Primary Central Data Concentrator

• SCDC

Secondary Central Data Concentrator

• FEPDC

Front-End Phasor Data Concentrator

• PDP

Program Development Platform

• SHP

System Homologation Platform

• IS&R

Information Storage and Retrieve System

• CNP

Communications Network Processor

• EUSS

External Users Support System

• UI Server

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Transferência de dados no PCDC & SCDC

Sync Phasor Data

C 3 7 .1 1 8 S tr e a m R e q u e s te d S to re d D a ta S to re d D a ta R e q u e s t SERVICE BUS PRIMARY CDC C 3 7 .1 1 8 S tr e a m R e q u e s te d S to re d D a ta S to re d D a ta R e q u e s t SECONDARY CDC SCADA EMS

Phasor Applications Phasor Applications

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Principais vantagens da Arquitetura

• Flexibilidade

Permite a utilização de diferentes taxas de exteriorização de fasores Duas alternativas de conexão para envio de dados para o ONS

Uso opcional do Concentrador de Dados do Agente

Os dados das PMU podem ser enviados diretamente para outra subestação ou Centro de Controle sem a necessidade de passar pelo SPDC (Permite aplicações em tempo-real)

• Confiabilidade

Suportabilidade para falhas de hardware & software Os dados são armazenados de modo seguro

O SPDC permite suportar falhas nos canais de telecomunicação sem perda de dados

• Escalabilidade

Estrutura projetada para ser expansível, devendo permitir o aumento do número de PMUs para a tender à expansão do SIN ( uso de múltiplos FEPDCs)

• Baixa latência

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Tráfegos na rede

Rede IP privada com 3 tipos de tráfego: •Tráfego em Tempo-Real – RT

Latência máxima de 2 segundos

Dados transmitidos 24 horas por dia, 7 dias na semana

Determina a banda do canal

•Tráfego Offline – OL

Não possui requisito de latência Dados transmitidos apenas quando

solicitados pelos CDCP/CDCS Necessita alta confiabilidade

•Tráfego de controle – CT SPDC Router/Switch Router/Switch Router/Switch ACDC (optional) Router/Switch ONS WAN ONS COSR Local Area Network

Agent Control Center Local Area Network Router/Switch

PCDC

Router/Switch ONS CNOS Local Area Network

SCDC Router/Switch

ONS COSR Local Area Network

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Extensão da Norma C37.118-2006

Send SPDC buffer data defined by 16 bytes in extended frame 1001 Extended frame. 1000 Send SPDC CFG-2 file. 0101 Send SPDC CFG-1 file. 0100 Send SPDC HDR file. 0011 Turn on transmission of SPDC data frames. 0010

Turn off transmission of SPDC data frames.

0001 Bits 3–2–1–0:

Reserved for future use. Bits 15–4

DEFINITION COMMAND

WORD BITS

Buffer end Fraction of Second and Time Quality 4

FRACSEC_E 4

Buffer end SOC time stamp 4

SOC_E 3

Buffer start Fraction of Second and Time Quality 4

FRACSEC_S 2

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Requisito de latência total

2.000 ms

TOTAL

800 ms

Processamento no CDC

30 ms

Tráfego na LAN do CNOS

100 ms

Latência do canal COSR ao CNOS

30 ms

Tráfego na LAN do COSR

100 ms

Latência do canal do CC Agente CC ao COSR

30 ms

Tráfego na LAN do CC Agente

200 ms

Latência no canal da Subestação ao CC Agente

650 ms

Processamento no SPDC

30 ms

Tráfego na LAN da Subestação

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Estratégia de localização das PMU

• Foco no registro dos modos de oscilações locais (0.8 – 2.0 Hz) e entre áreas (0.3 – 0.8 Hz)

• A estratégia de localização considerou pontos:

Onde o desempenho dinâmico dos perfis de tensão são críticos

Que são cruciais para o suprimento dos principais centros de carga Vizinhas ao link CC associado ao Sistema de Transmissão de Itaipu

• Os pontos selecionados foram escolhidos baseados em extensivos estudos de estabilidade eletromecânica, de estabilidade para pequenos sinais e de estabilidade de tensão.

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Principais Modos de Oscilação Inter-Área

Norte x Sul 0,20 – 0,40 Hz Sul x Sudeste 0,60 – 0,80 Hz Norte x Nordeste 0,55 – 0,65 Hz Mato Grosso x SIN

0,40 – 0,45 Hz

Rio de Janeiro x SIN 1,10 – 1,30 Hz

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Oscilações Eletromecânicas no SIN

Faixa de Freqüência

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Localização - Projeto 6.2

SUBESTAÇÃO SUBESTAÇÃO

ADRIANOPOLIS JAGUARA-SE AGUA VERMELHA JAGUARA-US ANGELIM II JARDIM SE ANGRA FUR JUPIA ARARAQUARA L.C.BARRETO ARARAQUARA FUR LUZIANIA

AREIA MARIMBONDO

ASSIS MILAGRES

B. ESPERANCA MIRACEMA B.DESPACHO 3 NEVES 1

B.J.LAPA II NOVA PONTE BATEIAS OLINDINA

BAURU OURO PRETO 2 C. PAULISTA P. AFONSO IV CAMACARI II P.DUTRA

COLINAS RECIFE II EMBORCACAO S.DA MESA F.IGUACU 60HZ S.JOAO PIAUI

FORTALEZA II SAMAMBAIA FURNAS SAO SIMAO-SE GRAVATAI SAO SIMAO-US IBIUNA SERRA MESA 2 ILHA SOLTEIRA SOBRAL III

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Sincrofasor ou fasor sincronizado:

Um fasor calculado de dados amostrados

utilizando um sinal de tempo padrão

como referência para a medida

Sincrofasores de locais remotos têm uma

referência de fase comum definida

Definição

(

φ

)

φ

jsen

cos

2 X

e

2 X

x

j

x

ˆ

M j M i r

+

=

+

=

O ângulo

φ

é igual a 0o _{quando o valor}

máximo da grandeza ocorre na mudança do segundo UTC (1 PPS)

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Definição do Erro Vetorial Total (TVE)

Exatidão

Ideal Ideal Medido

x

ˆ

x

ˆ

x

ˆ

TVE

=

−

IDEAL ERRO MEDIDO

Classe de exatidão e grandezas de influência O TVE deve ser inferior a 1% para as

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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 T V E [ % ]

TVE, Angle Error and Magnitude Error

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Etiqueta de tempo do fasor

TEMPO UTC

A etiqueta de tempo deve representar o tempo do fasor teórico que o fasor estimado representa

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Mensagens

4 tipos de mensagens: dados, configuração, cabeçalho e comando

Dados, configuração e comando são mensagens binárias O cabeçalho é transmitido como texto

Apenas os dados medidos e calculados devem ser transmitidos em tempo real

As taxas de transmissão devem ser configuráveis

Para 60 Hz são requeridas taxas de: 10, 12, 15, 20 e 30 quadros por segundo

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Formato geral dos quadros

SYNC • Sincronização e identificação do quadro FRAMESIZE • Tamanho do quadro incluindo CHK IDCODE

• PMU ou PDC que enviou a mensagem SOC • Contagem de tempo desde 01/01/1970 FRACSEC • Fração de segundo e indicador de qualidade • Para dados indica a hora

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Necessidade dos Ensaios

• A Norma IEEE 1344-1995(R2001) padronizou apenas o

protocolo de comunicações, não estabelecendo critérios de exatidão da medida e desempenhos em regimes permanente e dinâmico

Diferentes interpretações por parte dos fabricantes de PMU, com dificuldades para adequada interoperabilidade de equipamentos de diferentes fornecedores

• A Norma IEEE C37.118-2005 estabeleceu critérios para a exatidão das PMU e limites para o desempenho em regime permanente

A maioria dos fabricantes tem se esforçado para atender aos requisitos estabelecidos em Norma, ainda existindo diferenças nas implementações que limitam a operação em um sistema único, com PMU de diferentes fornecedores

Não foram estabelecidos requisitos para o desempenho dinâmico das PMU

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Ensaios Previstos

• Ensaio de interoperabilidade

• Ensaios de desempenho em regime permanente

Exatidão e alinhamento temporal

Taxas de exteriorização e tempos de resposta Sinais trifásicos desequilibrados

Sinais fora da freqüência fundamental Distorção harmônica

Interferência fora da banda

• Ensaios de desempenho dinâmico

Resposta ao degrau de amplitude

Resposta ao degrau de ângulo de fase Resposta ao degrau de freqüência

Resposta à modulação de amplitude Resposta à modulação de freqüência

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Ensaios – Principais Considerações

• Normas ainda em estágio evolutivo

IEEE C37.118-2005

• Laboratório e equipamentos para ensaios

NIST – National Institute of Standards and Technology BPA – Bonneville Power Administration

Virginia Tech

• Inexistência de programas e procedimentos padrão

PMU System Testing and Calibration Guide – NASPI Metodologia para Ensaios em PMU – ONS

• Administração do número de PMU à ensaiar

PMU stand-alone

IED com funcionalidade de PMU integrada Novos modelos

• Pioneirismo na atividade de certificação

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Sistema para Ensaios em Regime

• Fonte trifásica sincronizada por GPS

Compensação dos erros introduzidos por TCs e atenuadores

• Erro de magnitude < 0,01%

Erro de tempo < 0,2µs

Erro de ângulo em 60Hz < 4,4 mgraus

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Principais desafios

• O sistema deverá começar

pequeno, mas deve possibilitar expandir até a configuração final Necessidade de metodologia de

ensaio para garantir a expansibilidade do sistema

• Inexistência de produtos com a funcionalidade requerida pelo SPDC Dados de comando não previsto na

Norma C37.118

• Norma não prevê especificação do desempenho dinâmico das PMU nem método de ensaio

• Disponibilidade e custo dos canais de telecomunicação

~ 250 Gbytes para 15 dias de armazenamento contínuo 1.648.400 TOTAL 830.800 COSR-SE 123.600 COSR-S 293.200 COSR-NE 400.800 COSR-NMW Largura de banda (bps) Centros de Controle ONS

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