Medição Sincronizada de Fasores – Visão · PDF filefasorial da...
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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
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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).