Trabalho Rele Digital e Microprocessados

Universidade Federal de São João del-Rei Departamento de Engenharia Elétrica

Relés Digitais e Microprocessados

Alunos: Wesley H. Maciel Disciplina: Proteção dos Sistemas Elétricos

São João del-Rei, 28 de janeiro de 2014.

Sumário

1ª parte: Introdução à Proteção Digital de Sistemas Elétricos 1. Desenvolvimento Histórico e a Evolução dos Relés Digitais ................................ 4 2. Benefícios Esperados com o uso da Proteção Digital  ............................................  ............................................ 7 3. Arquitetura do Relé Digital

....................................................................... .................................... ................................................. .............. 8

 .............................................................................. ................................ 9 4. A Conversão Analógico-Digital  ..............................................

4.1. Filtros Anti-Aliasing

.................................................................... ............................... ............................................................ ....................... 10

5. Tendências Modernas na Proteção de Sistemas

.................................................. ............................... ................... 11

5.1. A Comunicação de Dados e as Fibras Ópticas

.................................................. ............................... ................... 11

5.2. O uso dos GPS e dos PMUs

.................................................................... ............................... ................................................. ............ 14

5.3. Aplicação de Tecnologias Tecnologias Intranet

..................................................................... ................................. .................................... 15

2ª parte: Introdução aos Relés Microprocessados 1. Vantagens da proteção digital

................................................................... .............................. ................................................. ............ 17

2. Limitações atuais da proteção digital   ................................................................... 17 3. Integração dos sistemas de supervisão, controle, automação e proteção   ........... 18 4. Hardware dos relés numéricos

.................................................................. ............................. ................................................. ............ 19

4.1. Diagrama funcional de blocos   ............................................................................ 20 4.2. Principais entradas analógicas e digitais  ............................................................ 20 5. Interface A/D

..................................................................... .................................. ...................................................................... ..................................... 21

5.1. Funções principais

................................................................. ............................. .................................................................. .............................. 21

................................................................. .................................................................. .............................. 21 5.1.1. Circuito básico .............................  ..................................................................... ........ 22 5.2. Amostragem dos sinais analógicos  ............................................................. ................................................................. .................................................................. .............................. 22 5.2.1. Circuito básico .............................

6. Multiplexação dos sinais analógicos a nalógicos   .................................................................... 23 7. Conversão Analógica/Digital (A/D)  ...................................................  ...................................................................... ................... 24 7.1. Conversor A/D com emprego de contador   ........................................................ 24 7.2. Conversor A/D por aproximação sucessiva  ....................................................... 25 8. Sistema de entradas digitais

...................................................................... ................................... ............................................... ............ 26

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Sumário

1ª parte: Introdução à Proteção Digital de Sistemas Elétricos 1. Desenvolvimento Histórico e a Evolução dos Relés Digitais ................................ 4 2. Benefícios Esperados com o uso da Proteção Digital  ............................................  ............................................ 7 3. Arquitetura do Relé Digital

....................................................................... .................................... ................................................. .............. 8

 .............................................................................. ................................ 9 4. A Conversão Analógico-Digital  ..............................................

4.1. Filtros Anti-Aliasing

.................................................................... ............................... ............................................................ ....................... 10

5. Tendências Modernas na Proteção de Sistemas

.................................................. ............................... ................... 11

5.1. A Comunicação de Dados e as Fibras Ópticas

.................................................. ............................... ................... 11

5.2. O uso dos GPS e dos PMUs

.................................................................... ............................... ................................................. ............ 14

5.3. Aplicação de Tecnologias Tecnologias Intranet

..................................................................... ................................. .................................... 15

2ª parte: Introdução aos Relés Microprocessados 1. Vantagens da proteção digital

................................................................... .............................. ................................................. ............ 17

2. Limitações atuais da proteção digital   ................................................................... 17 3. Integração dos sistemas de supervisão, controle, automação e proteção   ........... 18 4. Hardware dos relés numéricos

.................................................................. ............................. ................................................. ............ 19

4.1. Diagrama funcional de blocos   ............................................................................ 20 4.2. Principais entradas analógicas e digitais  ............................................................ 20 5. Interface A/D

..................................................................... .................................. ...................................................................... ..................................... 21

5.1. Funções principais

................................................................. ............................. .................................................................. .............................. 21

................................................................. .................................................................. .............................. 21 5.1.1. Circuito básico .............................  ..................................................................... ........ 22 5.2. Amostragem dos sinais analógicos  ............................................................. ................................................................. .................................................................. .............................. 22 5.2.1. Circuito básico .............................

6. Multiplexação dos sinais analógicos a nalógicos   .................................................................... 23 7. Conversão Analógica/Digital (A/D)  ...................................................  ...................................................................... ................... 24 7.1. Conversor A/D com emprego de contador   ........................................................ 24 7.2. Conversor A/D por aproximação sucessiva  ....................................................... 25 8. Sistema de entradas digitais

...................................................................... ................................... ............................................... ............ 26

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8.1. Funções principais ............................. ................................................................. .................................................................. .............................. 26 8.2. Memória Memórias s .................................................... ....................................................................................... ............................................................ ......................... 26 8.2.1. RAM .................................. ..................................................................... ....................................................................... .......................................... ...... 26 8.2.2. ROM e PROM ............................. ................................................................. .................................................................. .............................. 27 8.2.3. EPROM e EEPROM .............................. ................................................................... ....................................................... .................. 27 9. Processador Processador (CPU) .............................. ................................................................... ................................................................... .............................. 27  ................................................................................... .................. 27 10. Sistema de saídas discretas  .................................................................

11. Portas de comunicação: Portas seriais, Portas paralelas  ...................................... 27 12. Sistema de sinalização da operação 13. Fonte de alimentação alimentação

...................................................................... .................................. .................................... 28

...................................................................... .................................. ........................................................... ....................... 28

14. Funções dos relés microprocessados  .................................................................... 28 15. Referências Bibliográficas  .................................................................................... 29

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1ª PARTE: INTRODUÇÃO À PROTEÇÃO DIGITAL DE SISTEMAS ELÉTRICOS 1. DESENVOLVIMENTO HISTÓRICO E EVOLUÇÃO DOS RELÉS DIGITAIS Os primeiros estudos sobre relés foram feitos em 1830 pelo cientista norte americano Joseph Henry quando descobriu o fenômeno eletromagnético chamado indução eletromagnética e a indutância mútua, porém a descoberta foi atribuída a Michael Faraday por ter publicado primeiro suas conclusões. O IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) define o relé de proteção da seguinte forma: [1] “Um

relé cuja função é detectar linhas ou equipamentos defeituosos ou outras

condições anormais em sistemas de potência, de natureza perigosa e que seja capaz de iniciar uma ação de controle apropriada”.

Os relés de proteção podem ser classificados como: [2]

a) Eletromecânicos : foram os primeiros a serem utilizados em sistemas de  proteção e seu princípio básico de funcionamento utiliza movimentos mecânicos,  provenientes da atração eletromagnética ou indução eletromagnética. O relé de atração eletromagnética utiliza o mesmo princípio de um eletroímã onde uma corrente elétrica  passa em sua bobina produzindo um campo magnético que atrai um êmbolo (relé de êmbolo) ou uma alavanca (relé de alavanca) sendo que esses dois tipos de relés operam instantaneamente. Já o relé de indução eletromagnética funciona como um motor elétrico e consiste basicamente em gerar uma defasagem das componentes de fluxo magnético que atravessam o gap do relé e o disco de indução. Estas variações de fluxo criam correntes induzidas no disco. A interação entre essas correntes geradas e os fluxos existentes geram forças que fazem o disco girar. O desenvolvimento histórico dos relés eletromecânicos podem ser considerados por volta das seguintes datas: [3] - 1901 –   sobrecorrente de indução; - 1908 –  diferencial; - 1910 –  direcional; - 1921 –  distância (tipo impedância); - 1937 –  distância (tipo MHO).

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b) Estáticos: Os relés estáticos respondem a uma grandeza de operação por meio eletrônico ou magnético, onde não existe partes móveis e todos os comandos são feitos eletronicamente, por isso apresentando algumas vantagens sobre os relés eletromecânicos como alta velocidade de operação, baixa carga para os transformadores de corrente, baixa manutenção devido a ausência de partes móveis, etc. Os relés estáticos, mesmo não possuindo partes móveis geralmente acionam relés auxiliares que ativam mecanicamente o circuito de abertura do disjuntor. Os primeiros relés estáticos  produziam muitas atuações indevidas pois, como eram eletrônicos, tinha alta sensibilidade, de forma que um pequeno harmônico ou transitório, comuns na operação do sistema, eram suficientes para provocar sua operação, e com isso muitos relés estáticos foram trocados pelos relés eletromecânicos. Esse tipo de relé compreende os relés de proteção com projetos analógicos e digitais, onde o relé analógico refere-se aos dispositivos de proteção que utilizam em seus circuitos elementos discretos como diodos e elementos chaveados e o relé digital ou numérico refere-se aos dispositivos de  proteção que utilizam circuitos integrados e microprocessadores, consistindo em duas  principais partes: hardware e software. I) Primeira geração (valvulados): - 1925 –  comparação direcional/carrier; - 1930/1940 –  vários relés a válvulas; - 1948 –  distância. II) Segunda geração (transistorizados): -1949 –  comparação de fase; - 1954 –  distância; - 1959 –  sobrecorrente (versão comercial); - 1961 –  distância (versão comercial). III) Terceira geração (CIs): - 1960/1970 –  vários relés. IV) Quarta geração (microprocessados/numéricos): - 1969 –  distância (linhas de transmissão); - 1972 –  diferencial de barras e transformadores; - 1973 –  diferencial de gerador e integração das funções de controle e proteção; - 1980  –   sobrecorrente de tempo inverso e medições fasoriais para estimação de estado; - 1982 –  localizadores de falta; 5

- 1983 –  fibra ótica; - 1984 –  registro digital de faltas; - 1987 –  proteção adaptativa.  No inicio do desenvolvimento o uso dos relés estáticos tornou-se atraente para funções mais complexas, tais como as funções de distância e direcional. Porém agregar características temporizadas aos relés utilizando componentes eletrônicos discretos se tornou uma tarefa muito complexa e de alto custo. Com o desenvolvimento da tecnologia digital, que se deu principalmente a  partir da década de 70, e com o consequente avanço na área computacional, o tamanho e consumo de energia dos computadores (e microprocessadores) diminuíram enquanto a velocidade de processamento aumentou. Essa transformação foi decisiva para implantação de relés digitais na proteção de sistemas de potência. Com a criação dos microprocessadores, cujas características de atuação são definidas por meio de uma série pré-programada de instruções e algoritmos baseados nas funções desejadas e em medições de tensão e/ou corrente, tornando possível atribuir, praticamente, qualquer característica de forma econômica aos relés digitais, que também tem permitido o desenvolvimento de esquemas de proteção mais complexos. Como mencionado anteriormente os relés digitais ou microprocessados, consistem de duas principais partes: hardware e software. O tipo de software dita o tipo de dispositivo e sua função de proteção (sobrecorrente, diferencial, distância, etc), sua  parte é o algoritmo matemático (ou numérico) desenvolvido para realizar a função de  proteção. Esse algoritmo deve ser capaz de processar dados de corrente e tensões para estimar os parâmetros do sistema, tais como valores RMS, medida de impedância, frequência fundamental, correntes diferenciais, etc. Onde os parâmetros estimados são comparados com os parâmetros pré configurados e a partir desta comparação o sistema é capaz de perceber se está em condições normais ou em falta (curto-circuito), e consequentemente, iniciar a ação ( trip  –   envio de sinal para o disjuntor comandado abrir) para isolar a seção com falta. O hardware ou a parte física do relé digital é composto de circuitos que desempenham a função de condicionar adequadamente os sinais de tensão e corrente informados pelos transformadores de tensão (TPs) e transformadores de corrente (TCs) que alimentam os relés.

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2. BENEFÍCIOS ESPERADOS COM O USO DA PROTEÇÃO DIGITAL Alguns benefícios que se espera dos relés digitais em relação aos relés das outras gerações são os seguintes: [2, 4] - baixo custo da tecnologia digital; - múltiplas funções integradas em um único relé; - proporciona melhor interface homem-máquina; - melhor exploração do potencial das funções de proteção; - automonitoramento; - robustez (as características não mudam com a temperatura, tensão de alimentação ou envelhecimento); - pequeno número de conexões; - possibilidade de atualização constante de versões: mudanças no projeto do relé implicam na maioria das vezes em modificações no software; - capacidade quase ilimitada de comunicação entre relés, além da possibilidade de utilização da tecnologia de comunicação via fibra ótica (mais comum); - flexibilidade funcional: capacidade de realizar outras funções tais como: medições, controle e supervisão; - capacidade de proteção adaptativa: parâmetros de operação podem ser mudados automaticamente com mudanças nas condições de operação do sistema elétrico; - maior faixa de ajuste de parâmetros; - comunicação remota interna; - diagnóstico interno de falha; - medições de grandezas elétricas; - localizador de distância de falta; - registrador de distúrbio; - monitoramento de disjuntor (estado, condição); - lógica definida pelo usuário; - funções de proteção de retaguarda (Backup) embarcada; - compactação, diminuindo os espaços ocupados nos painéis de proteção; -recebimento de sinais advindos de outros relés (bloqueio ou permissão); -grande flexibilidade de ajuste das funções de proteção em relação ao tempo, facilitando a coordenação da proteção; - ajustes diferenciados para defeitos, trifásico, bifásico e monofásicos;

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- utilização de vários grupos de ajustes que se adaptam automaticamente a mudanças na configuração do circuito; - possibilidade de emular qualquer relé eletromecânico;  Não podemos deixar de citar algumas desvantagens dos relés digitais que são: - vida útil reduzida geralmente entre 10 a 15 anos, enquanto os convencionais tem vida útil acima de 30 anos; - o hardware avança rapidamente, tornando os relés obsoletos; - interferências eletromagnéticas (melhoras com fibra ótica); - predomínio da linguagem Assembly nos programas, o que limita a intercambialidade de programas entre diferentes relés.

3. Arquitetura do Relé Digital De um modo geral os relés digitais apresentam a arquitetura interna dada pela seguinte figura:

Figura 1 - Arquitetura do relé digital. [2]

Pela figura 1 temos que: [2, 3, 4] - Transformadores de entrada (módulo de interface):  atenuam as tensões de entrada a níveis adequados aos microprocessadores (±10V), além de permitir a isolação galvânica entre os relés de proteção e os sinais dos transformadores de corrente e dos transformadores de potencial. 8

- Filtros analógicos passivos passa baixa:  são usados no módulo de interface com o objetivo de filtrar ruídos no processamento digital dos sinais. - Dispositivos Sample and H old: amostram e retêm os sinais das entradas analógicas em um mesmo instante e disponibilizam os sinais ao multiplexador. Uma mudança na entrada durante a conversão analógico digital (A/D) poderia conduzir a erros. - O multiplexador:   permite que seja usado apenas um conversor A/D, para varias entradas analógicas. - O conversor A/D:  converte os sinais analógicos em digitais em intervalos definidos  pela taxa de amostragem. - Módulo de entrada lógica (sinais de entrada):   informa ao processador sobre o estado atual do sistema, ou seja, posição de chaves, estados de disjuntores, atuação de outras proteções, alarmes. - O processador:   controla o funcionamento do relé, filtrando digitalmente os sinais  para extração da componente fundamental. Executa também toda lógica e cálculos de  proteção através de um  software armazenado na memória ROM. As operações intermediárias do algoritmo do relé são armazenadas na memória RAM. Os ajustes dos  parâmetros são armazenados no E2PROM (memória de leitura programável apagável eletronicamente). - O módulo de saída lógica (sinais de saída):   é responsável por atuações de disjuntores e alarmes. - Display:  mostra informações como alarmes ou saídas ativas.

4. A CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL Um conversor A/D é um dispositivo que converte, por exemplo, a amplitude de tensão ou corrente em sua entrada em um código binário representando um valor de amplitude quantizada mais próximo possível da amplitude dos sinais de entrada. Conversores A/D possuem basicamente dois parâmetros de configuração: o tempo de conversão ou tempo de amostragem T (período de amostragem) controlado através de um relógio (clock) e a quantidade de bits que definem a capacidade de quantização do conversor. Esses dois parâmetros apresentam um sério paradoxo e definem o desempenho do conversor: quanto maior o número de bits e, portanto maior detalhamento das amostras, menos tempo o conversor A/D possui disponível para a conversão. De modo que seja possível a conversão em cada período de tempo T os

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conversores A/D possuem um circuito S/H que mantém o sinal de amostragem constante durante o tempo T.[3] O processo típico da conversão de uma variável analógica para digital é mostrado na

Figura 2, onde pode-se observar o arranjo

S/H ( Sample and

 Hol/Multiplexadoros).

Figura 2  –  Unidade Digital de um Relé com arranjo S/H (Sample and H ol/M ul tiplexadoros  ). [3]

O subsistema de processamento digital do sinal compreende o hardware e o software do relé. O hardware consiste em uma central de processamento, memórias e dispositivos de entrada e saída. O software compreende a parte lógica do relé e o  princípio de operação acrescido de algumas rotinas que possibilitam o seu correto funcionamento, tais como: rotinas para a manipulação de dados de entrada e saída, rotinas para a auto checagem do hardware, etc. O software é implementado através de alguma linguagem de programação e compilado para o modelo de CPU presente em seu hardware. O algoritmo usado varia de acordo com a aplicação do relé. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um algoritmo baseado na equação diferencial de uma linha de transmissão.

4.1. FILTROS ANTI-ALIASING A filtragem “anti-aliasing” é feita geralmente através de filtros analógicos

 passa-baixa que rejeitam frequências maiores que a frequência máxima dos sinais de entrada. O filtro “anti-aliasing” evita o fenômeno denominado “aliasing”, que é a 10

sobreposição (overlap) dos espectros de frequência do sinal de entrada. Em outras  palavras, o filtro “anti-aliasing” limita os sinais analógicos de ent rada a uma frequência

no máximo até a metade da frequência de amostragem (denominada frequência de  Nyquist). A Figura 3 ilustra a resposta em frequência dos quatro tipos de filtros  possíveis. Caso não seja feita essa pré-filtragem do sinal, ruídos podem aparecer na forma de sinais com frequências diferentes das do sinal de entrada, interferindo no funcionamento correto do relé digital.[3]

Figura 3 - Resposta em frequência dos tipos básicos de filtros. [3] a) passa baixo. b) passa-banda, c) passa alta e d) rejeita banda.

5. TENDÊNCIAS MODERNAS NA PROTEÇÃO DE SISTEMAS 5.1. A COMUNICAÇÃO DE DADOS E AS FIBRAS ÓPTICAS Durante as últimas décadas, ocorreu um grande avanço dentro da área de sistemas de comunicação. A telefonia móvel, a comunicação via satélite e a Internet são apenas alguns exemplos dessa evolução. Devido ao rápido aprimoramento, essas tecnologias sofreram um grande barateamento em seu hardware e software, o que as tornou acessíveis às mais diversas áreas, inclusive na proteção e controle de sistemas de  potência.[2] A comunicação em sistemas de potência se divide basicamente em três  principais áreas: comunicação entre subestações, comunicação dentro da subestação e comunicação entre a subestação e uma rede externa.

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A comunicação entre subestações geralmente é constituída por sinais de  proteção. A distância entre subestações pode variar de alguns quilômetros a centenas de quilômetros. Em geral, o meio físico é uma parte fundamental de um sistema de comunicação. As exigências para comunicação entre relés em proteção de linhas de transmissão, são bem mais severas que para a transmissão de dados e voz por exemplo.  Na transmissão de dados ou voz, a perda do canal de comunicação por alguns instantes  pode ser compensada pela retransmissão dos dados perdidos. Porém, isto é inaceitável  para a comunicação entre relés. Durante a falta deve-se garantir o correto envio do sinal,  pois interpretações incorretas podem causar aberturas indesejadas ou a não abertura do disjuntor. Os principais meios de comunicação entre subestações são: 

Fio piloto Os fios piloto são condutores metálicos utilizados pelos relés diferencias de

corrente. Apesar de ser aplicável em linhas curtas, o custo cresce linearmente com a distância, tornando-o inviável para grandes distâncias. Por esse motivo, é comumente empregado na distribuição. 

Ondas portadoras Utiliza a própria linha de transmissão como meio de comunicação, sendo a

maneira mais comum para linhas médias e longas distâncias (80 a 500 Km). Os sistemas OPLAT (Ondas Portadoras em Linhas de Alta Tensão) são largamente utilizados para transmissão de voz, dados e sinais de proteção. Os sistemas OPLAT são constituídos pela linha de transmissão, bobinas de  bloqueio, caixas de sintonia e capacitores de acoplamento. As bobinas de bloqueio devem ser capazes de conduzir a corrente máxima da linha de transmissão, além de suportar a corrente máxima de curto circuito. O capacitor de acoplamento deve apresentar uma capacitância apropriada para o acoplamento do sinal da portadora ao circuito de alta tensão e deve ser totalmente isolado para suportar tensões de regime transitório. Em relação à adição de novos canais, é necessária somente a troca de caixas de sintonias mantendo os capacitores de acoplamento e bobinas de bloqueio. Como principais vantagens desse sistema podemos citar: - alta rigidez mecânica das linhas de transmissão; - as linhas de transmissão e os equipamentos são exclusivos das concessionárias de transmissão;

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- a manutenção é feita exclusivamente dentro das subestações, evitando custos adicionais de deslocamento. Como algumas desvantagens, podemos citar: - ruídos de alta intensidade durante a operação de chaves e disjuntores; - possuem um custo elevado em seus terminais que, apesar de não ser proporcional a distância, se torna inviável financeiramente para distâncias curtas. 

Micro-ondas A transmissão de micro-ondas é feita com o uso de antenas parabólicas e

receptores para transmissão e recepção do sinal. Quando a distância excede certo valor  permitido, torna-se necessário o uso de repetidores. Esse meio possui uma limitação e alcance de apenas 30-80km, o que impossibilita seu uso para grandes distâncias. 

Fibras óticas A Fibra ótica é um meio de comunicação que utiliza a luz (LED ou lasers), para

transmitir informações. Algumas características das fibras óticas merecem destaque: - são pequenas e leves; - possuem alta largura de banda de passagem, o que permite alta qualidade na transmissão de informação; - são 100% dielétricas, não sendo afetadas por descargas atmosféricos ou surtos indutivos; - apresentam perdas pequenas e pequeno gasto com manutenção. Um exemplo comumente encontrado atualmente é o OPGW (optical ground Wire), que são cabos para-raios, que possuem fibras óticas em seu interior. A Figura 4 ilustra esse tipo de equipamento.

Figura 4  –  Cabo Fibra Ótica OPGW (optical ground Wire). [2]

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5.2. O USO DOS GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) E DOS PMU ’S (PHASOR MEASUREMENTS UNITS) A medição sincronizada de fasores é feita através de unidades de medição fasorial ou Phasor Measurement Units (PMU) que são dispositivos capazes de medir os fasores e as diferenças angulares das tensões e correntes em tempo real. Um fasor é um número complexo associado a uma onda senoidal em regime permanente. Porém, mesmo em situações onde as formas de onda da senóide mudam rapidamente, como por exemplo, em situações de faltas, os fasores podem ser utilizados para o estudo do sistema. Nestas situações, os relés calculam os fasores baseados em janelas de meio ciclo ou um ciclo e os valores encontrados geralmente são compatíveis com o significado original de um fasor em regime permanente. Fasores são ferramentas básicas usadas para análise de circuitos em corrente alternada (CA). Estas medições só se tornaram possível a partir do uso do GPS (Global Positioning System).[2] O GPS é um sistema de posicionamento, navegação e coordenação de tempo  baseado em satélites que foi desenvolvido pelo departamento de defesa dos Estados Unidos da América. Os sinais de tempo precisos são tão importantes quanto os sinais de  posicionamento. Estes sinais de tempo são utilizados como fonte de sincronismo para comunicações globais, redes de distribuição e transmissão e inúmeras outras aplicações.  No caso dos PMUs, o GPS emite um pulso de tempo preciso que é usado para amostrar os sinais de corrente e tensão. A Figura 5 mostra um equipamento GPS utilizado em uma subestação elétrica.

Figura 5 - GPS usado em SEs e sua vista traseira. [2]

Atualmente, os relés digitais incluem os recursos de medição fasorial sincronizada. Dessa forma, não é mais necessário dispensar o recurso de medição

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fasorial uma vez que ele está incluído no sistema de proteção de linhas sem custo adicional. Algumas aplicações dos PMU serão apresentadas a seguir. 

Estimador de estados: é um procedimento de cálculos usado para estimar o

estado da rede que utiliza variáveis como injeções de fluxos de potência, injeções de corrente nos ramos e módulos de tensão nos barramentos. Devido ao tempo de aquisição de dados e de processamento, a resposta do estimador de estado é considerada  praticamente em regime permanente. Essa aplicação é utilizada nos centros de controle das companhias de energia para monitorar o estado do sistema. Considerando a utilização dos PMUs, é possível a medição do módulo e ângulo das tensões nos  barramentos sem a necessidade de cálculos, além da sincronização dessas grandezas. Com poucas barras monitoradas por medições fasoriais é possível reduzir o tempo de cálculo e aumentar sua precisão. 

Análise da instabilidade: o método tradicional de análise de estabilidade é

 baseado na integração do sistema de equações dinâmicas do sistema. Mesmo com a utilização de várias simplificações, o processamento é tão extensivo que ficou restrito a estudos off-line. Com a ajuda dos PMUs, é possível monitorar a progressão de um transitório em tempo real. Baseado na leitura desses medidores, o sistema de potência fornece a trajetória do sistema até o tempo presente. Assim, através dos registros das oscilações de potência será possível tomar decisões de proteção e controle. 

Melhoramento no controle de sistemas elétricos de potência: com a utilização de

PMUs, de forma que os controles tradicionais poderão ser realizados com mais  precisão. Os dados dos PMUs permitem a detecção antecipada de situações de risco  para o sistema, melhorando a determinação das ações de controle preventivo, aumentando a margem de segurança do sistema, evitando grandes perdas de carga ou grandes contingências, como faltas de longos períodos ou blecautes.

5.3. APLICAÇÃO DE TECNOLOGIAS INTRANET O tipo de comunicação por rede intranet, pode ser visto, como pequenos links de comunicação entre uma sala em uma subestação (rede local) e uma rede de comunicação externa, privada ou publica. Esses links possuem normalmente de 1 a 5 km de distância e se utilizam de fibras óticas para comunicação devido a isolação contra altas tensões e picos de corrente da mesma, além de eliminarem o problema de diferença de potencial entre a subestação e a rede externa. [2] 15

Como visto, a comunicação entre a subestação e uma rede externa e dentro da  própria subestação é feita através de redes locais. Estas redes geralmente são redes Intranet,ou seja, redes privadas que utilizam os padrões da Internet. A utilização de redes Intranet proporciona maior integração entre as diversas instalações dentro da subestação. Esses sistemas possuem maior facilidade de acesso a dados em tempo real ou históricos, que podem ser acessados por qualquer componente conectado à rede. Outra vantagem é a possibilidade de controle e teste remoto dos dispositivos conectados. Além disso, o processo de compra e venda de energia também é facilitado, uma vez que estão disponíveis on-line dados do sistema como históricos de produção, transações, preços, etc. Um problema encontrado na utilização de redes Intranet estava relacionado ao fato de cada protocolo de comunicação ser individualizado e proprietário, o que tornava impossível a utilização direta entre dispositivos de diferentes fabricantes em uma única rede. A necessidade de tradução de diferentes protocolos ocasionava também gastos desnecessários e atraso na comunicação. Os relés digitais mais antigos de uma subestação, por exemplo, necessitam de módulos de interface de rede para comunicação entre o protocolo e a interface física, caso contrário não haverá conexão com a rede local. A norma IEC 61850 propõe a unificação dos protocolos de comunicação entre os dispositivos ligados a rede, possibilitando interoperabilidade e intercambialidade entre eles. Essa norma tem sua plataforma baseada em protocolos abertos, garantindo que os investimentos não sejam em vão e acompanhem o avanço da tecnologia. Esta norma utiliza para comunicação entre equipamentos, mensagens denominadas GOOSE (generic object oriented substation event) ou Objeto Genérico Orientado pelo Evento de Subestação. Tais mensagens são baseadas no envio assíncrono de variáveis binárias, orientada a eventos e direcionada à aplicações de proteção em subestações. Os sinais trafegam ponto-a-ponto em alta velocidade. Este serviço usa um esquema de retransmissão especial para alcançar um alto nível de confiabilidade que consiste em repetir a mensagem diversas vezes até que seja recebida uma confirmação.

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2ª PARTE: INTRODUÇÃO AOS RELÉS MICROPROCESSADOS 1. VANTAGENS DA PROTEÇÃO DIGITAL A introdução da tecnologia digital na proteção de sistemas elétricos de potência trouxe mudanças significativas às atividades de cálculos de ajustes de proteção e análises de perturbações tais como ganhos relativos à integração de funções, compatibilidade e integração com sistemas digitais de supervisão e controle (SDSC), flexibilidade,

automonitoramento,

bem

como

demandas

como

treinamento

especializado e conhecimento de informática básica, banco de dados de relés (BDR) compatível com o grande número de ajustes, criação de estrutura para aquisição remota de dados, e até mesmo alteração de filosofias de proteção. [5] A proteção digital em sistemas elétricos de potência apresenta as seguintes vantagens sobre a analógica, que a precedeu [6]: - o custo dos relés digitais é comparável, e algumas vezes menor, em relação aos analógicos, com tendência a manter este decréscimo; - Os relés digitais tem capacidade de autodiagnóstico, o que representa uma maior confiabilidade em relação aos relés analógicos; - são totalmente compatíveis com a tecnologia digital introduzida nas subestações; - tem uma grande flexibilidade funcional, agregando outras funções, tais como medição, controle e supervisão; - tem capacidade de comunicação com outros equipamentos digitais da subestação e do sistema; - podem constituir a base para um sistema de proteção adaptativo, cujos parâmetros de operação modificam-se automaticamente conforme as condições do sistema

2. LIMITAÇÕES ATUAIS DA PROTEÇÃO DIGITAL As principais limitações atuais da proteção digital são:[7] - Limitações nas redes de comunicações atuais diminuindo a capacidade de troca de informações entre as unidades digitais. (Melhora com a tecnologia de fibras óticas); - Mudanças frequentes no hardware dos equipamentos digitais dificultando rotinas de manutenção; - Predomínio da linguagem Assembly nos programas, o que limita a transportabilidade de um programa de relé de uma máquina para outra; 17

- vida útil reduzida dos relés (10 a 15 anos), enquanto as proteções com relés convencionais (acima de 30 anos); - o hardware avança rapidamente, tornando os relés obsoletos; - Dificuldade na adaptação dos relés digitais às condições ambientais e frente a interferências eletromagnéticas presentes nas subestações.

3. INTEGRAÇÃO DOS SISTEMAS DE SUPERVISÃO, CONTROLE, AUTOMAÇÃO E PROTEÇÃO Os sistemas digitais de automação (SDA) de subestações modernas tipicamente têm uma ou mais conexões para o exterior do sistema. Conexões de comunicações comuns incluem centros de operação, escritórios de manutenção e centros de engenharia. A maioria dos SDAs conecta-se através de um sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) tradicional servindo às necessidades de operação em tempo real da subestação que é controlada através dos centros de operações por meio de uma rede de comunicação. Um sistema digital integrado ou SDA deve atender os seguintes requisitos  básicos para sua implementação: [7, 8] - Inteligência distribuída; - Protocolo de comunicação aberto (IEC 61850); - Robustez; - Critério de sobredimensionamento da capacidade de processamento em todos os níveis, para permitir um crescimento funcional e de hardware sem degradação de seu desempenho; - Hardware e software devem ser projetados e estruturados utilizando o conceito de modularidade, de forma a permitir rápidas modificações e ampliações; - Deve ser possível realizar manutenções ou modificações com o sistema em serviço; - O sistema deve ser capaz de reinicializar-se rapidamente, independente da intervenção do operador do sistema elétrico, após uma interrupção ou perda da tensão de alimentação; - As funções de proteção e controle devem ser totalmente independentes. A Integração dos sistemas de supervisão, controle, automação e proteção podem ser dividas em níveis, como pode ser observado pela figura 6 abaixo.

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Figura 6 - Integração dos sistemas de supervisão, controle, automação e proteção

Pela figura temos que:

- Nível 1: possui as funções de medição, controle, automação, proteção e diagnósticos, também é responsável pelas informações e comandos de equipamentos e para equipamentos da Subestação, possui facilidades para comunicação Homem-Máquina, além de comunicar-se com o nível superior;

- Nível 2:  possui funções de suporte aos processadores do Nível 1, coletando,  processando e armazenando dados, facilidade para comunicação Homem-Máquina, além de analisar as sequencias de eventos, por ser em um nível intermediário, pode comunicar com os Níveis 1 e 3;

- Nível 3:  possui ações de controle a nível de sistema, coletando e processando dados, analisa a sequencia de eventos e outros, monta registros oscilográficos, elabora relatórios e organiza as comunicações dos Níveis 1 e 2, além de possuir uma proteção que se adapta ao programa.

4. HARDWARE DOS RELÉS NUMÉRICOS Os Hardwares dos relés numéricos possuem objetivos idênticos ao hardware dos relés convencionais, ou seja, receber sinais analógicos de tensão, corrente e outros, sinais digitais de contatos e efetuar ações de controle necessário, por meio do fechamento de contatos ou disparo de chaves eletrônicas. Estes relés (numéricos ou 19

microprocessados) possuem características exclusivas devido a sua alta capacidade de comunicação tais como ajuste automático ou manual, remoto ou local, medições de dados, registro de faltas e outras informações. Além disto, estes hardwares possuem grande flexibilidade, uma vez que um hardware básico pode ser utilizado para diversos yipos de relés, havendo diferenças apenas no software. Sendo assim, eles proporcionam um número reduzido de manutenções e aumento de confiabilidade devido às facilidades de auto-monitoramento e auto-teste, além da facilidade na inclusão de outros  processamentos sem prejudicar as funções de proteção, tais como localização de faltas, registro de eventos, medições de demanda, estimação de temperatura etc.[9]

4.1. DIAGRAMA FUNCIONAL DE BLOCOS De maneira geral todos os relés digitais apresentam a arquitetura dada pela figura 7 mostrada abaixo.

Figura 7 - Diagrama funcional de um relé digital

4.2. PRINCIPAIS ENTRADAS ANALÓGICAS E DIGITAIS Entradas digitais são sinais discretos que refletem o estado de disjuntores,  provenientes de outros relés etc. Entradas analógicas são sinais analógicos proveniente de transdutores  primários de corrente e potencial (TC’s e TP’s). As entradas analógicas tem por funções

 principais:

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- o isolamento elétrico entre os circuitos de entradas analógicas e os circuitos internos do relé; - a proteção dos relés contra sobretensões transitórias induzidas nos condutores de entrada, por chaveamentos e outros processos transitórios; - o acondicionamento dos sinais analógicos a níveis adequados para a conversão A/D; - a filtragem anti-aliasing, que é a limitação dos sinais analógicos a frequências até a metade da frequência de amostragem (denominada frequência de Nyquist). Os exemplos de entradas analógicas são: - Relé de distância, que mede impedância, necessário apenas o sinal de 60 Hz, filtro anti-aliasing passa baixa com fc = 120 Hz, filtro digital para offsets (componentes DC) e fa >= 240 Hz, ou seja, 4 amostras ou mais por ciclo, na prática fa >= 480 Hz, ou seja, 8 amostras por ciclo , para evitar tal efeito; - Relé diferencial com uma corrente diferencial em 60 Hz e restrição de 2º harmônico são necessários sinais de 60 Hz e 120 Hz, filtro anti-aliasing passa baixa com fc = 180 Hz e fa >= 360 Hz, ou seja, 6 amostras ou mais por ciclo, e na prática fa >= 720 Hz, ou seja, 12 amostras por ciclo.

5. INTERFACE A/D A interface A/D é composta por circuitos responsáveis pelos processos de amostragem e conversão analógica digital dos sinais analógicos. Após passar pelo módulo de entradas analógicas os sinais analógicos passam por um circuito sample and hold (S/H), são multiplexados por um multiplexador analógico e convertidos para sinais digitais (conversão A/D). O sinal convertido passa por uma filtragem digital de modo que o sinal seja condicionado antes de ser processado pelo processador do relé.

5.1. FUNÇÕES PRINCIPAIS As principais funções da interface Analógico/Digital (A/D) é a execução dos  processos de amostragem, multiplexação, amplificação e conversão A/D através de um sinal de clock que dita a frequência de amostragem. Para cada sinal amostrado há a conversão do valor instantâneo do sinal analógico em uma palavra digital, que fica disponível para o microprocessador.

21

5.1.1. CIRCUITO BÁSICO Pela figura 8 pode-se observar o circuito básico de uma interface A/D onde, temos o sistema S/H logo depois das entradas analógicas, e em seguida o sinal é multiplexado e passa pelo amplificador de ajuste de escala, finalmente depois de convertido pelo conversor A/D o sinal chega a interface A/D.

Figura 8  –   Circuito Básico para uma Interface A/D

5.2. AMOSTRAGEM DOS SINAIS ANALÓGICOS Para a amostragem dos sinais analógicos é necessário o sinal de clock para a conservação da fase dos sinais amostrados e pela necessidade de se manter estável o sinal de entrada do conversor A/D por um certo período de tempo. A amostragem dos sinais analógicos é executada por amplificadores S/H, sendo, um para cada canal analógico ou um para todos os canais analógicos, que em geral são amplificadores de  baixo custo.

5.2.1. CIRCUITO BÁSICO O circuito básico para uma amostragem de sinais analógicos é constituído por dois amplificadores operacionais em cascata e em suas configurações do tipo buffer, sendo colocada uma chave para controle lógico na interligação dos dois componentes,  juntamente com um capacitor de retenção em paralelo com a chave. Neste circuito temos que o sinal de entrada é igual ao sinal de saída no modo track e a saída é constante em seu modo hold, como pode-se observar na figura 4. O modo track está em operação sempre que a chave do S/H estiver fechada, nesta condição o S/H comporta-se como um amplificador comum, onde a velocidade do amplificador vai depender, principalmente, do capacitor de hold. Este capacitor 22

colocado como carga do amplificador do primeiro estágio insere mais um polo no amplificador e desta forma piora a sua resposta em frequência. Neste momento também são importantes todas as características de frequência dos AMPOPs, tais como: offset; não linearidade; ganho; settling time; largura de banda (resistência da chave); slew rate.[10] O modo hold está em operação sempre que a chave do S/H estiver aberta.  Nesta condição o S/H comporta-se como uma fonte DC. Os erros associados a este estado estão ligados ao capacitor que deve reter cargas mantendo constante a tensão de saída do amplificador. Os principais problemas associados com este modo são o decaimento que corresponde a perda de carga no capacitor devido à fuga ou circuitos a ele ligados (R de fuga do capacitor, corrente de polarização do operacional de saída e resistência da chave diferente de infinito); o “feed through” que é uma perda causada

 pela capacitância espúria entre os dois lados da chave; e a absorção do dielétrico (devese à redistribuição das cargas no capacitor após ter sofrido trocas rápidas de tensão. Isto  provoca uma variação da tensão sobre o capacitor).

Figura 9  –   Circuito Básico para amostragem dos sinais analógicos

6. MULTIPLEXAÇÃO DOS SINAIS ANALÓGICOS A multiplexação é executada por um circuito denominado multiplexador analógico que consiste de um conjunto de chaves analógicas controladas por lógica digital. O multiplexador permite que seja usado apenas um conversor analógico digital (A/D) para várias entradas analógicas. As entradas analógicas são conectadas uma a uma pelo multiplexador ao A/D. [11] 23

O seu uso se justifica pois são mais baratos que os conversores A/D e estão disponíveis no mercado com grande variedade e baixo custo. São usados também, devido a exigência da baixa taxa de amostragem necessária nas funções de proteção, em geral interesse apenas nos sinais de 60 Hz.

7. CONVERSÃO ANALÓGICA/DIGITAL (A/D) Um conversor A/D é um dispositivo que converte, por exemplo, a amplitude de tensão ou corrente de sua entrada em um código binário representando um valor de amplitude quantizada o mais próximo possível da amplitude dos sinais de entrada. Os conversores A/D possuem basicamente dois parâmetros de configuração: o tempo de conversão ou tempo de amostragem T (período de amostragem) controlado através de um relógio (clock) e a quantidade de bits que definem a capacidade de quantização do conversor. Esses dois parâmetros apresentam um sério paradoxo e definem o desempenho do conversor: quanto maior o número de bits e, portanto maior detalhamento das amostras, menos tempo o conversor A/D possui disponível para a conversão. O sinal filtrado, amostrado, selecionado e escalado é rapidamente transformado pelo conversor A/D em um número que pode ser lido pelo microprocessador.

7.1. CONVERSOR A/D COM EMPREGO DE CONTADOR O conversor A/D com emprego de contador é o mais simples e o menos usado dos métodos de conversão A/D devido à sua baixa velocidade, consiste em um conversor D/A ligado a um contador, quando algum comando inicia a contagem do contador, o sinal do contador é aplicado ao D/A que vai tendo um sinal em sua saída analógica proporcional a entrada, e quando a saída analógica se compara ao sinal analógico que se deseja medir, é dado o comando de fim de contagem o que define o equivalente digital ao sinal analógico. No caso mais desfavorável (entrada analógica máxima) o contador tem que alcançar a contagem máxima.

Tabela 1  –  Tempo de conversão de um Conversor A/D com emprego de contador [9] 24

Figura 10  –  Diagrama Funcional de um Conversor A/D com emprego de contador [9]

7.2. CONVERSOR A/D POR APROXIMAÇÃO SUCESSIVA Este conversor é o método mais utilizado na conversão A/D. A saída de um conversor D/A comanda a entrada de inversão de um comparador através de um sistema operacional, que é inicialmente acionado o bit mais significativo, se ele estiver abaixo do nível do nível do sinal analógico desejado, ele é setado como 1, caso contrário, ele é setado como 0. Depois é feita a comparação para o segundo bit mais significativo e assim por diante. Para um conversor de 8 bits, serão necessárias no máximo oito comparações. A principal vantagem deste método de aproximação sucessiva é a velocidade de convergência.Quando o sinal for muito grande, são necessários n pulsos de relógio  para produzir a resolução de n bits do sinal analógico.

Figura 11 - Diagrama Funcional de um Conversor A/D por aproximação sucessiva [9]



Conversores de 8 bits são baratos e utilizados em relés de sobrecorrente;

25



Conversores de 12 bits são os mais aplicados em proteção, pois são relativamente baratos ( ≈ US$ 40,00) e oferecem boa precisão, com tempos médios de 25 μs;



Conversores de 16 bits são os mais caros e utilizados quando se requer maior  precisão (medição).

8. SISTEMA DE ENTRADAS DIGITAIS Entradas digitais são aquelas que recebem sinais discretos, ou seja, sinais que só possuem dois valores que são denominados de nível alto, representado pelo algarismo 1, e nível baixo, representado pelo algarismo 0. Em outras palavras, um sinal discreto pode ser representado por um interruptor que só oferece as opções ligado (nível alto) ou desligado (nível baixo). [12]

8.1. FUNÇÕES PRINCIPAIS As principais funções de um sistema de entradas digitais são: 

acondicionamento dos sinais discretos para aplicação ao processador;



isolamento elétrico entre os circuitos de entradas digitais e os circuitos internos do relé;



 proteção dos relés contra sobretensões transitórias induzidas nos condutores de entrada por chaveamentos e outros processos transitórios no primário ou secundário.

8.2. MEMÓRIAS Memórias são definidas como, dispositivos eletrônicos responsáveis pelo armazenamento de informações e instruções utilizadas pelo processador. Nos sistemas de entradas digitais dos relés microprocessados podemos citar as seguintes memórias: RAM, ROM e PROM, EPROM e EEPROM.

8.2.1. RAM É a memória utilizada como um buffer para armazenamento temporário dos valores de entrada, para acumular resultados intermediários dos programas de proteção e para armazenar dados a serem guardados posteriormente na memória não volátil.

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8.2.2. ROM E PROM São utilizadas para para armazenagem permanente de programas do relé digital. Via de regra estes programas são executados diretamente da ROM (ou EPROM) ou através de uma memória RAM previamente carregada com o programa original. Os  programas são instalados pelos fabricantes e somente modificados por eles.

8.2.3. EPROM E EEPROM São utilizadas para armazenagem dos parâmetros de ajustes do relé ou outros dados vitais que não são modificados com grande frequência.

9. PROCESSADOR (CPU) Os processadores são encarregados de executarem os algoritmos de proteção, controlar diversas funções temporizadas e realizar tarefas de autodiagnóstico e comunicação com os periféricos. São utilizados os mais diversos tipos de microprocessadores, desde os mais simples tipo single-chip, passando pelos de oito bits, indo até os de dezesseis e trinta e dois bits.

10. SISTEMA DE SAÍDAS DISCRETAS São responsáveis por processar a informação de uma porta de saída paralela do  processador, que pode consistir de uma palavra digital em que cada bit pode ser utilizado para definir um estado de uma porta de saída.

11. PORTAS

DE

COMUNICAÇÃO:

PORTAS

SERIAIS,

PORTAS

PARALELAS As portas de saídas seriais permitem o intercâmbio de informações locais (display e painel do relé) e remota (Centro de Controle/Operação) para tarefas de ajustes dos valores dos parâmetros, leitura de registros de faltas, de dados de ajustes e outras. As portas de saídas paralelas são principalmente utilizadas para o intercâmbio de informações em tempo real. Ambas as portas permitem troca de informações entre os relés.

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12. SISTEMA DE SINALIZAÇÃO DA OPERAÇÃO Realiza a função de sinalização da operação do relé (bandeirola) e de seu estado funcional mediante dispositivos de sinalização visual ou auditiva da visíveis no  painel do relé através de conjunto de leds e alarmes.

13. FONTE DE ALIMENTAÇÃO A fonte de alimentação dos relés microprocessados possuem tensão independente, geralmente do tipo comutada, que pode ser ligada às baterias da subestação. Elas produzem tensões contínuas dc necessárias aos circuitos do microprocessador (valores típicos de 5V e +15 V).

14. FUNÇÕES DOS RELÉS MICROPROCESSADOS Os relés microprocessados proporcionam melhorias técnicas e economias no custo sob vários aspectos. Uma das melhorias é o uso de lógica programável para reduzir e simplificar a fiação. Os relés também fornecem proteção para faltas na barra, falha de disjuntor e detecção do rompimento de fusível no lado de alta do transformador, sem nenhum ou com um custo mínimo adicional. Os relés têm funções de medição que reduzem ou eliminam a necessidade de medidores e transdutores no  painel e fornecem informações de eventos remotos e da localização da falta para ajudar os operadores no restabelecimento do serviço de eletricidade. Finalmente, os relés microprocessados reduzem os custos de manutenção fornecendo a função de auto-teste e uma alta confiabilidade. [13]

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15. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1].Wikipédia. Relé. Wikipédia. Disponivel em: . Acesso em: 8 jan. 2014;

[2].Goes, A.R.G. Modernização da Proteção de Sistemas Elétricos de Potencia. 2013. 86 f. Universidade Federal do Rio de Janeiro;

[3].Leão, F.B. Proteção de Sistemas Elétricos de Potencia. Ebah. Disponível em: . Acesso em: 10 jan. 2014;

[4].Silva, M.G.M. Avaliação de Desempenho de Relés de Proteção Digitais. 2012. 114 f. Universidade Federal do Rio de Janeiro;

[5].Junior, G.J.R. Impacto da proteção digital nas atividades de cálculos de ajustes e análise

de

perturbações.

STPC.

Disponível

em:

. Acesso em: 10 jan. 2014;

[6].H. J. A. Ferrer, “Introduccion a los Rele vadores Y Sistemas Digitales de Proteccion –  Curso Tutorial”, Universidad Autónoma de Nuevo L eón,

México, Noviembre de 1993;

[7].Pereira, C. Introdução a proteção digital. CPDEE-UFMG. Disponível em: . Acesso em: 10 jan. 2014;

[8].ACKERMAN, W. J. Fundamentals of automation systems & current trends in substations. Substation automation tutorial sponsored by IEEE Power Engineering Society e IEEE Seção Sul Brasil. Capítulo de Potência. Substation Commitee. Escolas de Engenharia, Universidade Mackenzie, São Paulo, Fev. 2006;

[9].Pereira, C. Hardware dos relés numéricos. CPDEE-UFMG. Disponível em: . Acesso em: 10 jan. 2014;

[10].UFRJ. Instrumentação e técnicas de medidas: Conversores AD e DA. PEB-UFRJ. Disponível

em:

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Acesso em: 10 jan. 2014;

[11].Monaro, R. M., Sistema de Aquisição de Dados para um Relé de Proteção Digital de Baixo Custo. 2007. Universidade de São Paulo;

[12].Silva, G.P. PLC  –   Controladores lógicos programáveis. IFSUL. Disponível em: . 29