Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Special Edition, e21, 2020

DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X40589

Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019

Special Edition

Simulação de uma Unidade de Medição Fasorial em Tempo Real utilizando Typhoon Virtual HIL

Simulating a Phasor Measurement Unit in Real Time using Typhoon Virtual HIL

Amanda Wohlfahrt Reis^I

Fernando Guilherme Kaehler Guarda^II

^IUniversidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - amanda_wreis@hotmail.com

^IIUniversidade Federal de Santa Maria – Campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul, Brasil - fernandokg@gmail.com

Resumo

Este trabalho tem como objetivo apresentar um projeto para implementar uma unidade de medição fasorial (PMU), que é o principal componente do sistema de medição fasorial sincronizado. Esta tecnologia de medição visa trazer ganhos significativos para a operação de sistemas elétricos, uma vez que permite medir simultaneamente as magnitudes e os ângulos de fase de tensão e corrente em pontos geograficamente distantes do sistema elétrico. Assim, o trabalho relata o uso de filtros na obtenção de medidas de PMU. Desta forma, pretende-se implementar a PMU no software do Typhoon Virtual HIL.

Palavras-chave: Unidade de medição fasorial; Sistemas elétricos de potência; Simulação em tempo real

Abstract

This paper aims to present a project to implement a phasor measurement unit (PMU), which is the main component in the synchronized phasor measurement system. This measurement technology aims to bring significant gains to the operation of electrical systems, since it allows to simultaneously measure magnitudes and phase angles of voltage and current at geographically distant points from the electrical system. So, the paper reports the use of filters in obtaining PMU measurements. In this way, it is intended to implement the PMU in the Typhoon Virtual HIL software.

Keywords: Phasor Measurement Unit; Electric Power Systems; Real time simulations

1 Introdução

Os sistemas elétricos de potência (SEP) são compostos por usinas geradoras, linhas de transmissão de energia e sistemas de distribuição. Esses sistemas se tornaram cada vez mais extensos e interconectados, cobrindo grandes áreas e atendendo demandas cada vez maiores. A intensificação desse processo, aliada a fatores como desregulamentação do setor, envelhecimento da infraestrutura e necessidade de melhores ferramentas de monitoramento e controle, que aumentam a confiabilidade e a segurança da operação além da incorporação contínua de novas tecnologias de equipamentos. Esses fatores aumentaram muito a complexidade operacional dos sistemas de energia elétrica exigindo melhorias constante dos métodos e instrumentos dedicados ao monitoramento e controle da operação em tempo real (Ehrensperger, 2003).

Entre as novas tecnologias propostas, o Sistema de Medição Sincronizada de Fasores (SMSF), que utiliza avanços em comunicações e a tecnologia GPS (Global Positioning System) é promissora para os novos requisitos de monitoramento e gerenciamento de grandes sistemas elétricos. Este novo sistema de medição é distinguido pelo uso de Unidades de Medição Fasorial, mais conhecidas como PMU (Phasor Measurement Unit).

A PMU é um dispositivo para medir valores de tensão e corrente, com uma referência de tempo comum, que vem dos sinais obtidos por satélite. Usando uma fonte de sincronização eficiente fornecida pelo sistema GPS, as PMUU permitem a medição de grandezas fasoriais em instalações geograficamente distantes, com taxas de amostragem mais altas que o sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) tradicional e com precisão angular superior às exigências da maioria das aplicações de monitoramento e controle. As medições são processadas e convertidas em fasores, com informações de magnitude e fase, e depois, enviadas ao concentrador de dados.

A primeira PMU comercial, a Macrodyne 1690, foi introduzida em 1990 e incorpora internamente um receptor GPS (Phadke, 2017). De acordo com Guerra (2009), atualmente, o sistema de medição utilizado é implementado com uma base de dados de um conjunto de telemetria redundante, digital e analógico, que compõe o sistema SCADA. Estes dados, obtidos em intervalos regulares, são recebidos e processados através de ferramentas computacionais denominadas Configurador de Rede e Estimador de Estado, de modo que a configuração do sistema e o perfil das tensões complexas nos barramentos são conhecidos.

Neste trabalho, foi projetada uma Unidade de Medição Fasorial no software Typhoon Virtual HIL, onde o comportamento da PMU projetada é observado em tempo real, e suas medições são comparadas com valores de erro determinados por norma.

2 Como incluir Figuras

Um sistema de medição fasorial sincronizado é uma tecnologia alternativa para obter medidas de magnitude e ângulo de tensões e correntes em pontos geograficamente distantes do sistema de energia elétrica, assim como frequências, harmônicas, potência ativa e reativa, com precisão e sincronismo (Martins, 2012).

Um sistema de medição fasorial é basicamente formado por:

a) Unidade de Medição Fasorial (PMU);

b) Concentrador de dados fasoriais (PDC);

c) Sistema de Posicionamento global (GPS);

d) Canais de comunicação;

A estrutura geral de um sistema de medição fasorial pode ser representada pela Figura 1.

Figura 1 – Estrutura de um sistema de medição fasorial sincronizada

A unidade de medição fasorial é o elemento mais importante de um sistema de medição fasorial. Este é responsábel por obter medições dos dados do sistema, processá-los e transmití-los ao concentrador de dados (Phadke, 2008).

Como existem diferentes fabricantes de PMUs no mercado, é possível apresentar apenas sua representação genérica, onde seus componentes principais são apresentados na Figura 2. A PMU é composta de um sistema de aquisição de sinal, ou seja, os sinais de tensão e corrente que são processados na etapa de filtragem, que visa evitar o efeito de aliasing. Após, o circuito oscilatório e o conversor A/D (Analógico/Digital), que são responsáveis pela discretização dos sinais de entrada e, por fim, um microprocessador que realiza o tratamento matemático das amostras.

As entradas analógicas de uma PMU são tensões e correntes obtidas a partir dos enrolamentos secundários dos transformadores de tensão e corrente, respectivamente. Todas as tensões e correntes trifásicas são usadas para que uma medição de sequência positiva possa ser realizada. Ao contrário de um relé, uma PMU é capaz de medir as tensões em diversas barras do sistema, bem como correntes em diversos alimentadores de um sistema de distribuição (Phadke, 2017).

Figura 2 – Modelo genérico de um sistema de medição fasorial sincronizada

A norma IEEE Std. C37.118.1 especifica o desempenho da medição em condições estáticas e dinâmicas. Esse desempenho é avaliado com diversos testes que caracterizam a capacidade de medição e representam sinais que são encontrados em sistemas de energia, onde também são definidos critérios para avaliar a medição desses sinais. Originalmente, o padrão de medição fasorial sincronizada aborda apenas a estimativa do sincrofasor, embora a frequência e a variação da frequência (ROCOF - Rate Of Change Of Frequency) fossem relatadas juntamente com os sincrofasores. Como essas medidas de frequência e variação de frequência são amplamente utilizadas e seus derivados estão intimamente relacionados com a estimação do sincrofasor, foi decidido pelo grupo de trabalho da norma IEEE que estes critérios devem ser avaliados com critérios similares àqueles considerados para sincrofasores (Phadke, 2017).

A compreensão dos mecanismos envolvidos no processo de estimação fasorial é necessário para a correta interpretação e análise dos dados fasoriais, bem como para o desenho de esquemas avançados de controle e proteção. Segundo Neto et al. (2014), o uso de dados da PMU na operação de sistemas elétricos de potência possibilita uma melhoria no desempenho da proteção e controle.

Convencionalmente, faltas são diagnosticadas através da atuação de relés de proteção e disjuntores associados, que são sensibilizados e atuam na ocorrência de uma falta. Entretanto, falhas no sistema de proteção tem sido muitas vezes responsáveis por blecautes parciais ou generalizados (Dobakhshari; Ranhjbar, 2014).

2.1 Filtros

Para vislumbrar as possíveis configurações de hardware de uma PMU, é essencial conhecer seus algoritmos. Existem diferentes maneiras de estimar fasores e frequência nas medições de tensão e corrente. O método mais comum para estimação fasorial é através da Transformada Discreta de Fourier (TDF). Outra maneira é a utilização de filtros de Kalman, que utiliza um método matemático para apresentar uma estimativa aproximada do valor real da magnitude medida. O valor estimado é então comparado com o valor medido por uma média ponderada, em que o menor valor de incerteza tem o maior peso.

Além desses dois métodos, também são utilizados o filtro Phase Locked Loop (PLL), o filtro sliding mode e o cruzamento por zero, onde sua operação é baseada na medição do tempo entre dois cruzamentos por zero de um sinal senoidal.

Segundo Phadke e Thorp (2008), várias técnicas de estimação de frequência podem ser aplicadas com grande sensibilidade e precisão, critérios desejáveis para as aplicações necessárias no monitoramento dos sistemas elétricos de potência.

3 Metodologia

Como já mencionado em seções anteriores, uma PMU genérica é baseada na entrada analógica dos sinais de tensões e correntes, utilização de filtros para evitar o efeito de aliasing, e um microprocessador que realiza o tratamento matemático das amostras. A implementação desse modelo genérico de PMU foi realizado no software Typhoon Virtual HIL, onde o desempenho em tempo real de uma PMU pode ser observado.

Na simulação proposta, sinais de tensão trifásicos são considerados, seguidos por um filtro passa-baixa. Para determinação desse filtro, a planta do sistema de controle apresentado na Figura 3 foi utilizado como referência.

Figura 3 – Representação do filtro passa baixa

Desta maneira, é possível encontrar a função de transferência da planta, que é caracterizada pela relação entre a entrada e saída do sistema. Uma vez obtida, a função de transferência proporciona uma descrição completa das características dinâmicas do sistema. Então, a função de transferência é expressa por:

(1)

(2)

(3)

Dividindo a equação (3) por RC, tem-se:

(4)

Os valores de R e C são então definidos baseados em especificidades de projeto, bem como a frequência de interesse (60 Hz).

Uma vez obtidos os sinais de entrada e o filtro passa-baixa, é necessário realizar as medições de interesse, pois o próprio sistema está sendo avaliado de modo discreto, não há necessidade de realizar a discretização dos sinais.

3.1 Requisitos da Norma

A norma IEEE C37.118-2011 possui dois conjuntos básicos de testes de conformidade para PMUs: Teste em regime contínuo e Teste em regime dinâmico. A norma define duas classes de PMUs, de acordo com os resultados dos testes de calibração: PMU classe P e PMU classe M.

O valor esperado para a medição de um sincrofasor pode diferir do valor estimado para este pela PMU, tanto em módulo quanto em ângulo. A precisão da estimação fasorial realizada é avaliada através do Vetor de Erro Total, ou TVE (Total Vector Error), o qual considera os erros em módulo e ângulo simultaneamente (5).

(5)

Onde e são as partes reais e imaginárias do fasor estimado, respectivamente, e e , as partes reais e imaginárias do valor real do fasor que representa o sinal de entrada. O máximo valor que o TVE pode assumir, de acordo com a IEEE C37.118-2011, é 1%.

4 Resultados e Discussões

As simulações da PMU foram realizadas no software Typhoon Virtual HIL. Os valores de entrada da PMU são geradas em tempo real no mesmo ambiente de simulação. Os sinais de entrada são representados por um sistema trifásico desequilibrado com tensões de 1000 V, 2000 V e 2500 V, deslocados de 120°, representando as fases A, B e C, respectivamente. A frequência considerada como referência é 60 Hz, equivalente à frequência nominal do sistema.

Portanto, a Tabela 1 mostra os valores de entrada do sistema, bem como os valores de saída.

Tabela 1 – Valores de entrada e Valores de Saída

	Valores de Entrada		Valores de Saída
Fase	Módulo	Ângulo	Módulo	Ângulo
A	707,11	0°	703,65	-6,85°
B	1414,21	120°	1407,29	113,15°
C	1767,77	-120°	1759,11	-126,85°

As Figuras 4 e 5 mostram os gráficos fasoriais, cujos valores foram mostrados na Tabela 1. Os fasores apresentados na saída da PMU são aqueles de sequência positiva.

Figura 4 – Fasores de entrada da PMU

Figura 5 – Fasores de saída da PMU

Além disso, testes de conformidade foram realizados de acordo com a IEEE C37.118-2011. Utilizando a Equação (5), é possível calcular o TVE. A Tabela 2 mostra os valores de TVE calculados.

Tabela 2 – Valores de TVE

Fase	A	B	C
TVE	0,010	0,0069	0,0062

De acordo com a norma IEEE, o valor máximo de TVE deve ser 1%. É possível notar que todos os valores de erro na estimação dos sincrofasores obedecem esse limite, validando o modelo proposto, bem como os resultados obtidos pela estimação fasorial proposta.

5 Conclusões

O sistema de medição fasorial sincronizada consiste em estimar o módulo e ângulo das tensões e correntes trifásicas de diferentes partes do sistema elétrico, bem como a frequência do sistema. A estimação correta da frequência é essencial para a operação de diversos equipamentos de proteção, regulação e controle que são necessários para a operação segura e confiável dos sistemas elétricos de potência.

Portanto, este trabalho realizou a simulação de uma unidade de medição fasorial utilizando o software Typhoon Virtual HIL. Os resultados obtidos foram os fasores de sequência positiva e valores de erro na estimação dos fasores. Os resultados foram validados através da comparação com o limite de erro estabelecido pela norma IEEE C37.118-2011. Os valores de erro obtidos pela simulação se mantiveram dentro do limite estabelecido, validando o modelo de PMU proposto.

Referências

DOBAKHSHARI, A. RANIBAR A. Application os synchronized phasor measurements to wide-area fault diagnosis and location. IET Generation, Transmission & Distribution, v. 8, n. 4, pp. 716-729, 2013.

EHRENSPERGER, J.G. Fasorial measurement systems: Study and Analysis of the state of the art. Dissertação, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), 2003.

IEEE. C37.118, IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems, 2011.

MARTINS, R.S. Presentation of the synchronized fasorial measurement system and its implantation approach in the state estimator, Dissertação - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2012.

NETO, M. S. I. TOCHETTO, A. P. ROCHA, C. R. M. Implementation of Fasorial Measurement Unit in ATP, 2014.

PHADKE, A. G. THORP, J. S. Synchronized Phasor Measurements and Their Applications, 1° ed. Nova York, Springer, 2008.

PHADKE, A. G. THORP, J. S. Synchronized Phasor Measurements and Their Applications, 2° ed. Nova York, Springer, 2017.