Automação de subestações – Sistema automático de alívio de carga.

INTRODUÇÃO

Atualmente, algumas indústrias utilizam um sistema de geração misto, ou seja, sua carga é alimentada por geração própria (co-geração) complementada com suprimento pelo sistema elétrico regional. Em casos de emergência no suprimento pela rede, e dependendo do consumo naquele instante, deve-se proceder com um desligamento mínimo de carga de forma a equilibrá-la com a geração local, respeitando-se um critério de prioridade que selecione determinadas cargas.

Hoje em dia, a maioria dos sistemas de descarte ou de alívio de cargas são feitos com relés de frequência e sistemas de controle que são disparados após perturbações no sistema elétrico, e também baseiam-se em algoritmos estáticos, ou seja, algoritmos que levam em consideração números fixos de cargas e de prioridades para atuação do desligamento de parte do sistema.

No entanto, com a evolução dos dispositivos eletrônicos inteligentes, das redes de comunicação e dos softwares de supervisão e controle (SCADA), tornou-se possível a busca por uma solução que seja capaz de pré-disponibilizar o desligamento de cargas antes que distúrbios se propaguem no sistema elétrico e que geradores sejam desligados e/ou danificados. Além disso, este sistema deve possuir um algoritmo inteligente que leve em consideração, além das prioridades de cargas, a situação da rede elétrica em operação, permitindo que uma quantidade suficiente de cargas seja desligada e que o sistema seja mantido em equilíbrio.

Comunicação entre sistemas

A comunicação entre diferentes sistemas utiliza um conjunto de regras que define o tipo e a ordem de troca das mensagens. Este conjunto de regras é chamado de protocolo de comunicação. O objetivo principal de um protocolo de comunicação é permitir que sistemas e equipamentos que possuam arquiteturas internas distintas possam trocar informações.

No entanto, a falta de um modelo de referência que defina as regras básicas para uma determinada comunicação implica no surgimento de soluções proprietárias, ou seja, cada fabricante pode definir um protocolo específico para os seus produtos e impedir a comunicação com equipamentos de outros fabricantes. O problema da diversidade de protocolos proprietários também ocorre nas subestações de energia elétrica, ou seja, cada fabricante utiliza o seu protocolo, o que dificulta a interligação entre equipamentos de fabricantes distintos. Esta interligação pode ser feita através de conversores de protocolos (gateways), mas esta alternativa gera atrasos de comunicação. Para sistemas em tempo real, como é o caso da proteção de uma subestação, atrasos na troca de mensagens podem gerar atuações indevidas, provocando distúrbios no fornecimento de energia elétrica.

Com o objetivo de obter um padrão único de comunicação entre equipamentos em uma subestação de energia elétrica, alguns esforços foram iniciados. No início dos anos 90, grupos de trabalho do Comitê Técnico TC57 da IEC (International Electrotechnical Comission) foram estabelecidos para preparar um padrão para a comunicação de sistemas em subestações. Esse padrão foi denominado IEC61850.

Comunicação segundo a norma IEC61850

A norma IEC61850 é dividida em dez partes (Figura 1), sendo que cada parte consiste em um documento que define as características que uma determinada implementação deve ter para estar em conformidade com a referida norma.

As partes da norma que se referem à comunicação de dados definem os modelos para dados e camada física, bem como o modo de troca de mensagens. Dentre as principais vantagens trazidas pela comunicação segundo a norma IEC61850 destacam-se:

• Comunicação entre diferentes equipamentos de campo;
• Suporte a funções específicas para a proteção elétrica;
• Operação distribuída;
• Redução nos custos de engenharia e comissionamento;
• Maiores velocidades de troca de informações;
• Mensagens rápidas e prioritárias GOOSE e SV;
• Envio espontâneo de mensagens (Reports);
• Mensagens enviadas com estampa de tempo.

Alívio de cargas

Um sistema de potência em condições estáveis de operação, com frequência nominal, deve apresentar um equilíbrio entre as potências geradas e consumidas.

Um aumento na demanda ou a perda de uma unidade de geração podem causar um desequilíbrio entre a geração e a carga, resultando em uma diminuição da frequência, que pode levar todo o sistema ao colapso. Em uma indústria com co-geração, é necessário observar o equilíbrio no uso de geração própria e externa durante emergências na rede externa ou interna.

No caso de desligamento em função de anomalias na rede, a remoção rápida e seletiva de algumas cargas pode possibilitar uma recuperação do equilíbrio, evitando assim um desligamento prolongado do sistema e permitindo a restauração do serviço em um tempo aceitável. Isto é conhecido como esquema de Alívio, Rejeição ou Descarte de Cargas (Load Shedding, em inglês), e é uma tentativa de restabelecer o balanço de potência entre a produção e o consumo. Este esquema deve cumprir alguns princípios básicos:

• Evitar disparos (triggers) indevidos;
• Atuar rapidamente;
• Desligar o menor número de cargas;
• Respeitar as prioridades de cada carga.

Sistemas atuais

Em uma rede de transmissão regional, sempre que ocorrer um distúrbio na geração de energia elétrica, ocorrerá uma variação de frequência no sistema. A rapidez com que a frequência
varia é diretamente proporcional ao distúrbio ocorrido. Quando ocorre a diminuição de capacidade da fonte geradora para suprir a carga, a frequência cai. Quando uma carga é retirada do sistema, existe a tendência ao aumento da frequência. Devido a este comportamento de alteração da frequência, atualmente são utilizados relés de frequência e CLPs (controladores lógicos programáveis) para controlarem os sistemas de rejeição de carga.

No entanto, este tipo de sistema de controle atua somente após os geradores remanescentes perderem parte da sua inércia nominal e apresentarem certa variação de velocidade, o que em muitos casos acaba comprometendo a estabilidade, ou na maior parte dos casos provocando a necessidade de um descarte adicional de carga, para que os geradores retornem a rotação nominal e a frequência seja normalizada.

Outra limitação dos sistemas de rejeição de cargas é que eles se baseiam em lógicas estáticas de controle, ou seja, um número fixo de cargas serão desligadas respeitando-se prioridades previamente cadastradas durante o projeto e a configuração da lógica de controle. Este tipo de sistema também não verifica o fluxo de carga e o cenário elétrico atual do sistema de potência, o que impede que o controle desligue a quantidade exata de carga responsável pelo desequilíbrio entre geração e consumo. Além disso, tais sistemas apresentam dificuldade de expansão para a adição de novas cargas na planta industrial.

Sistemas adaptativos

Os sistemas de rejeição adaptativa de carga, por sua vez, não desligam um número pré-definido de circuitos, mas sim a quantidade de carga necessária para restabelecer o equilíbrio do sistema, baseado na quantidade de potência ativa que deixou de ser fornecida.

Neste esquema, é necessário que se faça um cálculo contínuo das condições operacionais do sistema elétrico protegido (fluxo de carga), com o objetivo de rejeitar a percentagem adequada de carga necessária para o restabelecimento das condições de equilíbrio.

Para isso, há a necessidade de medição contínua da potência em cada alimentador, cujos valores devem ser disponibilizados ao sistema de controle responsável pela lógica de alívio de carga. Neste caso, a informação de cada potência pode ser viabilizada através de medição direta ou rede de comunicação a partir de outros dispositivos que já estiverem instalados nos respectivos bays. Para isso, a comunicação digital é necessária a partir destes dispositivos.

Um algoritmo especial compara uma potência de referência definida pelo usuário com as potências individuais de cada carga, sendo estabelecidas prioridades para cada uma. O algoritmo então seleciona os alimentadores, de acordo com as prioridades, de maneira a se obter uma soma maior que o valor de referência, minimizando a diferença entre o que deve ser rejeitado e as cargas a serem desligadas. Este algoritmo deve atualizar continuamente suas medições baseadas nas condições atuais de operação do sistema.
Os resultados são compilados em um formato final de tabela dinâmica, que define as cargas a serem imediatamente desconectadas. Isto permite que o esquema funcione praticamente de maneira instantânea, ou seja, as tabelas que são continuamente atualizadas irão desligar as respectivas cargas tão logo ocorra o gatilho (trigger) que dá início ao processo de rejeição.
Em comparação com o esquema tradicional de rejeição de cargas, ou rejeição estática, a rejeição adaptativa possui uma maior de capacidade de desligar cargas cujo somatório é mais próximo da quantidade real necessária para se atingir o nível de estabilidade. Assim, o esquema é quase sempre eficiente já na primeira tentativa, ou seja, apenas o primeiro nível de cargas é desligado.

Software Elipse Power

O Elipse Power é uma ferramenta de desenvolvimento de aplicações de supervisão, controle e análise de sistemas de energia elétrica (SCADA). Reúne ferramentas para apoio, simulações e operações dos sistemas elétricos com a estrutura de um software SCADA tradicional, promovendo a interação entre a monitoração e controle do sistema de rejeição de cargas.

A estrutura SCADA do software permite recursos para a supervisão e o controle voltados à operação em rede e aplicações distribuídas através de um modelo de objetos e uma interface gráfica, além de uma arquitetura que permite o desenvolvimento de aplicações e conectividade com dispositivos eletrônicos inteligentes através de padrões ethernet TCP/IP ou UDP/IP. Além disso, o software troca informações com equipamentos através de módulos (drivers de comunicação) que implementam o protocolo IEC61850.

Os módulos e subsistemas do Elipse Power são executados a partir de um modelo elétrico que descreve o diagrama unifilar da subestação e todas as suas informações elétricas. Todos os equipamentos de campo são modelados através de objetos típicos do software, representando de forma fiel a estrutura do sistema. Esta modelagem permite a estruturação do sistema, visando sua padronização, e mantendo assim sua estrutura hierárquica, além de manter todas as informações referentes a cada equipamento.

Baseado na modelagem elétrica, o Elipse Power executa módulos matemáticos de apoio à operação do sistema. Estes módulos interagem, em tempo real, diretamente com a aplicação SCADA, buscando informações do cenário atual e retornando o resultado de cada um destes módulos de análise elétrica. O módulo necessário à implementação do sistema de rejeição de cargas para o sistema elétrico de uma planta industrial é o Load Shedding, responsável pela lógica online de análise de desequilíbrio de potência e desligamento de cargas do sistema:

O módulo Load Shedding do Elipse Power utiliza as informações provenientes dos IEDs e os algoritmos de análise de sistemas elétricos para calcular o exato montante de carga que deve ser cortado, de modo a garantir o equilíbrio da relação carga x geração. É um sistema inteligente que identifica online a sequência de quantidade de cargas que deve ser desligada, levando-se em consideração a potência entregue pela rede da concessionária antes do ilhamento, e a quantidade de geração local disponível para se manter as cargas essenciais, utilizando-se para isso os preceitos estabelecidos por uma rejeição adaptativa de cargas. Portanto, as potências consumidas e geradas devem ser continuamente monitoradas.

O algoritmo utilizado pelo módulo Load Shedding do Elipse Power necessita das seguintes informações para funcionar adequadamente:

• Equipamentos que compõem o sistema (chaves, disjuntores, geradores, cargas, transformadores, condutores, etc.);
• Conectividade entre os equipamentos (interligação entre os terminais dos equipamentos);
• Distúrbios que podem provocar o desligamento (por exemplo: perda do sistema supridor, saída de operação de uma unidade geradora local, perda de um transformador local, etc.), também chamados de cenários de simulação;
• Medidas elétricas necessárias para calcular o descarte (potência ativa, potência reativa, tensão e estado de chaves/disjuntores);
• Variáveis de memória do IEDs que receberão as escritas de Habilitação/Desabilitação que participam do desligamento para cada distúrbio cadastrado;
• Prioridade de cada carga.

A lógica seguida para determinar quais disjuntores participarão do descarte está apresentada na figura abaixo:

O objetivo final deste módulo é desligar o mínimo de carga o mais rapidamente possível, levando-se em consideração as prioridades das cargas individuais. A inteligência deste módulo é associada à possibilidade de livre alocação de uma prioridade a qualquer momento. Esta prioridade pode ser associada a cada uma das cargas, e não apenas aos alimentadores, como ocorre no esquema estático, baseado em relés de frequência.

A grande vantagem deste sistema é que a quantidade de carga mínima suficiente será desligada, obedecendo às prioridades que podem ser definidas pelo usuário, e garantindo uma melhor estabilidade do sistema associada ao cumprimento de seus requisitos de operação.

Outra característica importante do módulo de rejeição de cargas é o tempo de resposta do sistema. Como o Elipse Power simula ciclicamente os possíveis distúrbios que podem ocorrer na rede, calculando previamente o conjunto de disjuntores que deverão participar do descarte, no momento do distúrbio o software não adiciona atraso na atuação dos dispositivos, fazendo com que os tempos envolvidos sejam referentes somente à comunicação entre os IEDs via GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) e ao tempo de abertura física do disjuntor.

Sistema proposto

Com base nos conceitos de esquemas adaptativos e inteligentes para rejeição de cargas, e nos preceitos alinhados ao desenvolvimento da norma IEC61850, é possível conceber um sistema de alívio de cargas cuja função seja manter o consumo de uma planta elétrica dentro dos limites de geração disponível. Este sistema de rejeição pode ser desenvolvido através de uma plataforma digital, baseada no software Elipse Power, que apresenta interface com dispositivos eletrônicos inteligentes distribuídos ao longo do processo e com usuários do sistema através de janelas gráficas (telas).

Este sistema adquire o estado da planta elétrica, tais como a posição de disjuntores e seccionadoras e as potências fornecidas e consumidas. A partir destas informações, o sistema determina as cargas a serem descartadas no caso de perda de cada uma das fontes do sistema para que o equilíbrio fonte-consumo seja mantido.
Esta previsão de descarte é transferida para os IEDs, que (no caso de uma ocorrência, como perda de uma ou mais fontes de energia) promovem o desligamento das cargas pré-definidas pelo próprio sistema digital, de acordo com a ordem de prioridades.

Figura 6

A figura acima ilustra a arquitetura do sistema proposto para rejeição de cargas. Nesta arquitetura, IEDs promovem a leitura de grandezas elétricas (correntes, tensões e potências) e
dos estados dos disjuntores de uma planta industrial, reportando estas informações ao módulo Load Shedding do Elipse Power, responsável pelo sistema de alívio de cargas, através de conexão via fibra óptica e protocolo IEC61850. O software executa o seu algoritmo, ou seja, constantemente verifica quais fontes e cargas estão conectadas ao sistema elétrico, e determina, para cada ilha prevista, quais cargas deverão ser desligadas no caso de perda do sistema supridor de energia (rede elétrica).

Como o software Elipse Power apenas pré-sensibiliza os IEDs, a decisão de descartar a carga no momento do evento real depende apenas dos IEDs. Para isso, eles devem estar devidamente programados, possuindo uma lógica interna  que considere tanto os elementos de memória que recebem a sensibilização do módulo de descarte do supervisório quanto as mensagens GOOSE de indicação dos eventos. A Figura 7 apresenta a lógica que deve estar programada no IED.

Figura 7

Sempre que houver perda do sistema supridor, será disparado um gatilho correspondente ao evento que indica a abertura de um disjuntor de entrada da planta, e que poderá circular até os IEDs relativos às cargas por configuração de mensagens do tipo GOOSE. Estes gatilhos, ao chegarem aos IEDs dos bays de alimentação, e em conjunto com as lógicas já recebidas do supervisório, irão promover os desligamentos necessários para que seja mantido o equilíbrio entre fonte e consumo.

A atuação do sistema através de gatilho acionado por abertura de disjuntor, ao contrário da tradicional atuação por subfrequência, traz um grande ganho de eficiência ao sistema, uma vez que a atuação por subfrequência só ocorrerá após os geradores remanescentes perderem parte da inércia nominal, o que em muitos casos compromete a estabilidade, ou então que requer um descarte adicional para que a rotação nominal retorne e a frequência seja normalizada. A atuação praticamente instantânea com o gatilho na abertura do disjuntor da fonte promove uma equalização entre fontes remanescentes e cargas em tempo hábil, tornando o descarte mais eficiente, mesmo que um número menor de cargas tenha sido cortado.

A eficácia deste sistema na rejeição de cargas se dá pelo fato de que ele utiliza os recursos da comunicação vertical e horizontal. A comunicação vertical descreve a comunicação entre o software de supervisão e controle e os IEDs. Esta comunicação inclui monitoração do processo de dados movido a eventos, comandos e parametrização, e utiliza o recurso de mensagens explícitas. Por outro lado, a comunicação horizontal descreve a comunicação entre os IEDs. Este tipo de comunicação é utilizado para, por exemplo, realizar a transferência de dados de intertravamentos ou de tráfego dos gatilhos de perda de unidades de geração (GOOSE).

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Atualmente, muitas plantas industriais trabalham com uma composição mista para geração da energia elétrica consumida em seus processos, onde parte da potência é suprida por um alimentador conectado a uma concessionária e outra parte é fornecida por geradores próprios, abastecidos pela própria indústria. Esta configuração de sistema elétrico é conhecida como co-geração, e auxilia as indústrias a diminuir o consumo de energia de suas concessionárias e manter o equilíbrio geração x carga.

No entanto, durante os horários de pico de demanda de carga, caso ocorram falhas no sistema de co-geração ou uma falta repentina do sistema supridor de energia, a remoção rápida e seletiva de algumas cargas pode possibilitar que o sistema permaneça em equilíbrio, evitando assim um desligamento prolongado de todas as cargas. Isto é conhecido como esquema de alívio de cargas, e é uma tentativa de restabelecer o balanço de potência entre a produção e o consumo.

A maioria dos sistemas de alívio de cargas existentes baseia-se em algoritmos estáticos, que levam em consideração números fixos de cargas, e são implementados através de relés de frequência e CLPs que executam lógicas disparadas após perturbações no sistema elétrico, provocando desligamentos desnecessários e até mesmo danificando os geradores conectados à subestação.

Com a evolução dos equipamentos inteligentes de campo, das redes, dos protocolos de comunicação e dos sistemas de supervisão e aquisição de dados, torna-se possível implementar um algoritmo de rejeição adaptativa de carga que não desligue um número pré-definido de circuitos, mas sim a quantidade de carga necessária para restabelecer o equilíbrio do sistema, baseado na quantidade de potência ativa que deixou de ser fornecida.

O sistema de rejeição de cargas deve trabalhar com uma faixa de prioridades para cada carga ajustada em tempo real pelos usuários do sistema, simular os cenários elétricos constantemente, e pré-sensibilizar os IEDs responsáveis pelo desligamento das cargas antes que ocorra um evento que prejudique o balanço de potência do sistema elétrico.

Em termos de hardware, as definições de rede e de protocolo de comunicação convencionadas pela norma IEC61850 viabilizam a implantação deste tipo de sistema, pois tornam possível o uso de diversos IEDs que promovem a medição contínua da potência em cada alimentador e recebe os estados de chaves e de disjuntores da subestação, enviando todos os valores constantemente ao responsável pelo algoritmo de alívio de carga. Além disso, o protocolo IEC61850 estabelece e define as diretrizes para promover a troca suficientemente rápida de mensagens entre IEDs (GOOSE), de forma que sempre que ocorrer um evento de disparo de um cenário de alívio de cargas e o IED estiver pré-sensibilizado pelo algoritmo, o desligamento de cargas ocorrerá em tempo hábil para que o sistema permaneça em equilíbrio.

Logo, este artigo propõe um sistema desenvolvido através do software Elipse Power que execute seu algoritmo e sensibilize equipamentos inteligentes de campo (IEDs), conectados através de rede ethernet TCP/IP e protocolo IEC61850, para o desligamento de cargas de um sistema elétrico de uma indústria com co-geração em caso de distúrbio, com o intuito de minimizar o impacto do desequilíbrio e garantir a equalização entre as potências geradas e consumidas no circuito (alívio de carga).

NOMENCLATURA

• IEC – International Electrotechnical Commission.
• SCADA – supervisory control and data acquisition.
• IED – Intelligent Electronic Device.
• CLPs – Controladores Lógicos Programáveis.
• GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event).