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Rio de Janeiro - RJ 29/feveriro/2008 Apresentador: Héctor Andrés Rodriguez Volskis Medição Sincronizada de Fasores – Visão Geral

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Rio de Janeiro - RJ

29/feveriro/2008

Apresentador:

Héctor Andrés Rodriguez Volskis

Medição Sincronizada de

Fasores – Visão Geral

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Medição Fasorial

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Fasores

Um grandeza elétrica da forma:

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

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

)t.cos(X)t(x M φω +=

φjMir e

2

Xxjxx̂ =+=

Charles Proteus Steinmetz (1865-1923)Complex Quantities and their use in Electrical Engineering;Proceedings of the International Electrical Congress, Chicago, IL; AIEE Proceedings, 1893; pp.33-74.

Fonte: Mark Adamiak - GE

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Motivação

Em distúrbios de grande porte num sistema de transmissão podem ocorrer fenômenos de longa duração, tais como:

� Oscilações eletromecânicas (locais e entre áreas)� Variações de freqüência� Colapsos de tensão

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Motivação

A análise destes fenômenos depende basicamente do registro da freqüência e do módulo e ângulo de fase das grandezas elétricas durante os distúrbios

Phase Angles

Diverged Prior

To Blackout

Fonte: D. Novosel & Y. Hu

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Medição de Fasores

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

Numa mesma localidade, a sincronização da base de tempo para a amostragem das grandezas ésimples de ser implementada e a representação fasorial da grandeza pode ser obtida, por exemplo, utilizando a técnica da Transformada de Fourier

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Sincronização em Grandes Distâncias

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

~ 4.000 km

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

GPS em operação:� NAVSTAR GPS (EUA)� GLONASS (Rússia - 2010)

GPS planejados:� GALILEO (UE - 2012)� BEIDOU/COMPASS (China)� DORIS (França)� INRSS (Índia)

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Sistema Sincronização GPS-Global Positioning System

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

Informações:� Velocidade� Posição� Tempo (1PPS)

Precisão:� Horizontal: 3-15 m (1 a 5m

usando DGPS) sem código SA� Vertical: 27,7 m� Temporal: ≈ 100 nano segundos

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PMU – Phasor Measurement Unit

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

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Medição Sincronizada de Fasores –Concentrador de Dados(PDC)

WAN

Concentradorde Dados

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Principais Aplicações

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Registro do desempenho dinâmico

Aplicação:

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

Benefícios:

� Ganhos de tempo e qualidade da análise de distúrbios

Requisitos:

� Instalação de PMU nas barras principais

� Registro dos fasores de seqüência positiva

� Taxa de amostragem de 10 a 60 fasores/segundo

� Latência não é críticaFonte: D. Novosel & Y. Hu

70

76

82

88

93

99

105

12:55:19.00 12:55:33.93 12:55:48.87 12:56:03.80 12:56:18.73 12:56:33.67 12:56:48.60

Pacific Time

Vincent 500kV

Mohave 500kV

Devers 500kV

Grand Coulee 500kV

08/04/00 Event at 12:55 Pacific Time (08/04/00 at 19:55 GMT )

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Monitoramento em tempo real

Aplicação:

� Monitoramento de grandezas em tempo real

Benefícios:

� Melhor determinação das condições de operação� Ganhos para a segurança operacional

Requisitos:

� Instalação de PMU nas linhas de interligação e pontos selecionados

� Fasores de seqüência positiva� Taxa de amostragem de 1 a 10 fasores/segundo

� Latência máxima de 1 a 5 segundos

Fonte: SCE/ D. Novosel & Y. Hu

Fonte: D. Novosel & Y. Hu

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Determinação dos modos de oscilação

Aplicação:

� Identificação dos modos de oscilações locais e entre áreas

Benefícios:

� Melhor determinação das condições de operação� Ganhos para a segurança operacional

Requisitos:

� Instalação de PMU nas linhas de interligação e pontos selecionados

� Fasores de seqüência positiva e freqüência

� Taxa de amostragem de 10 a 60 fasores/segundo

� Latência máxima de 1 a 5 segundos

Fonte: OSIsoft

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Melhoria da Estimação de Estado

Aplicação:

� Uso dos fasores no Estimador de Estado

Benefícios:

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

Requisitos:

� Localização das PMU considerando critérios de observabilidade� Tensões e correntes de seqüência positiva � Taxa de amostragem de 1 a 10 fasores/segundo� Latência máxima de 2 a 10 segundos� Os requisitos variam se utilizadas apenas PMU para a Estimação de Estado (necessário instalar PMU em 30 a 50% das barras)

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• Limites físicos – ex. Capacidade térmica de uma linha

� Esses limites nunca devem ser ultrapassados

• Limites de estabilidade – tensão e angulo� Muitas vezes, estes são os que limitam a capacidade de transferência de fato

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

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

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

Dois Tipos de Limites

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• Menor que o limite atual� A capacidade de transferência não serátotalmente utilizada

• Maior que o limite atual� Riscos de distúrbios de larga escala e blackouts

PotênciaPotência

90° 180°0°

Importância dos Limites Acurados

ÂnguloÂngulo

PPlimitelimite

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J J F M A M J J A S O N D

Enforced limit

Theoretical limit

PMU-based limit

1

2

3

Month

P

o

w

e

r

1’

J J F M A M J J A S O N D

Enforced limit

Theoretical limit

PMU-based limit

J F M A M J J A S O N D

Limite adotado

Limite teórico

Limite PMU-

1

2

3

Meses

P

o

w

e

r

Por quê na maior parte do tempo não são ótimos?

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Principais Iniciativas no Brasil que

fazem uso dessa tecnologia

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Projetos no Brasil – MEDFASEE – Parceria UFSC/Reason/Finep

Objetivo

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

Desenvolvimentos Realizados

• Simulador de SMSF

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

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

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

• Registro e análise de ocorrências no SIN

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

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Projetos no Brasil – MEDFASEE – EletrosulProjeto P&D UFSC/Eletrosul/Reason

Objetivo

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

4 subestações

• SE Ivaiporã

• SE Areia

• SE Campos Novos

• SE Nova Santa Rita

6 circuitos de 500 kV monitorados

• Ivaiporã – Londrina C1

• Ivaiporã – S. Santiago C1

• Ivaiporã – Areia

• Areia – Campos Novos

• Campos Novos – Caxias

• Nova Sta. Rita - Gravatai

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Sistema de Medição Sincronizada de Fasores para o SIN – Projeto ONS

Motivação

• Aumentar a confiabilidade do SIN utilizando tecnologia de medição fasorial para registro da dinâmica de perturbações, monitoração em tempo real e melhoria da estimação de estados, atendendo a recomendação dos relatórios de análise dos blecautes de março/1999 e janeiro/2002

Início

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

Objetivos

� Registro e análise do desempenho dinâmico do Sistema Interligado Nacional

� Melhoria da estimação de estado e disponibilização de novo ferramental de apoio à tomada de decisão em tempo real

Tamanho

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

• Cada localização selecionada deverá ter PMU que permitam a medição do fasor de tensão e de corrente de cada uma das saídas de linha/transformador.

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Principais Iniciativas no Mundo

que fazem uso dessa tecnologia

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◊◊Projeto WAMS Projeto WAMS –– WWide ide AArea rea

MMeasurement easurement SSystemystem

�� Sistema Oeste (WECC)Sistema Oeste (WECC)�� InIníício: 1989cio: 1989

Estados Unidos da América

◊◊Projeto EIPP Projeto EIPP –– EEastern astern IInterconnection nterconnection

PPhasor hasor PProjectroject

�� Sistema Leste (WECC)Sistema Leste (WECC)�� InIníício: 2003cio: 2003

WECC WECC –– WWestern estern EElectric lectric CCoordinating oordinating CCouncilouncil

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Estados Unidos da América – Projeto WAMS

Objetivo Original

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

Constatação

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

Implementação de SMSF iniciada em 1995

Aplicações de monitoramento

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

Aplicações de controle

• Desenvolvimento do conceito de WACS - Wide Area Control

System.

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Projeto WAMS (Situação em 2007)

Sistema WECC

• 82 PMU

• 9 PDC

Operador Independente da Califórnia (CAISO)

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

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

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

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Estados Unidos da América – Projeto EIPP

Objetivo

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

Participantes

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

Financiamento

• DOE (Department of Energy) e indústria

Situação em 2007

• 35 PMU

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

• TVA SuperPDC

• Redefinido como NASPI – North American SynchroPhasor Initiative

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China – implantação de um WAMS

Aspectos Gerais da arquitetura

• Início dos trabalhos de pesquisa em 1995• 10 projetos de WAMS em desenvolvimento (5 Sistemas regionais e 5

provinciais)• O Sistema elétrico chinês tem capacidade de geração de 380 GW• Investimento superior a 12 milhões de dólares• Cerca de 400 PMU instalados até o março de 2007• Previsão de instalação de PMU nos próximos 5 anos em todas as

subestações 500 kV ou com capacidade instalada igual ou superior a 300 MW.

Fonte: North China Electrical Power University Fonte: System IEEE – Power & Energy Magazine – v. 1. p. 54-63 jun 2006

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China – Implantação de um WAMS –Aplicações enumeradas

Aplicações Básicas

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

Aplicações de Monitoramento

• Monitoração do estado de geradores• Análise on-line de pequenas perturbações• Estimação de estados híbrida• Monitoração de estabilidade de tensão

Aplicações de Controle e Proteção

• Controle de emergência• Predição e alarme de estabilidade angular• Identificação on-line de perturbações• Controle automático de tensão

Aplicações Especiais

• Validação de modelos e simulações• Identificação de modelos

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México – WAMS implantado pela CFE –Comision Federal de Electricidad

Objetivo

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

Aplicações Desenvolvidas no sistema da CFE

• Sistemas especiais de controle e proteção

• Visualização do sistema em tempo real

• Análise de desligamentos de linhas

• Estimação de estados

Situação em 2007

• 37 PMU

• 73 Relés-PMU

• 5 PDC

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Japão – Projeto envolve 11 universidades

Objetivo

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

Participantes

• KIT – Kyushu Institute of Technology• Kumamoto University• Hiroshima University• University of Tokushima• Osaka University• University of Fukui• NIT – Nagoya Institute of Technology• Hokkaido University• Hachinohe Institute of Technology• Yokohama National University

Resultados Obtidos

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

• Registro e análise de diversos casos de oscilações da freqüência síncrona.

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Outros países

Suiça

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

Itália

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

Países Nórdicos

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

Coréia do Sul

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

Taiwan

• 5 PMU e aplicações de monitoração e localização de faltas (2005).

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