Experiência em aplicação de PMU (Unidade de Monitoramento Fasorial) para monitoração de oscilações sub-

síncronas no Sistema Elétrico de Potência da EscóciaMinistrante:

Carlos Eduardo Ferreira PimentelReason an Alstom Company

• Resumo do caso apresentado...;• Características do Sistema Elétrico de Potência Escocês;• Soluções para transferência de potência na fronteira B6;• Conceitos fundamentais de medição fasorial sincronizada;• VISOR Project: uso de WAMS na Grã-Bretanha;• RPV311: solução Reason para PMU no projeto VISOR;• Considerações Finais.

AGENDA

• Transferência de potência entre Escócia e Inglaterra sofre de limitações causadas por corredores congestionados e dificuldades de controle pela crescente participação de geração eólica ao norte da Escócia;

• Soluções para transferência de potência incluem inserção de capacitores série e links HVDC, o que aumenta a complexidade do sistema;

• Uso de medição fasorial sincronizada melhorará nitidez em relação aos limites operativos dos corredores congestionados, além de permitir uma compreensão mais abrangente do comportamento do sistema como um todo.

Resumo do caso apresentado...

• Em conjunto com o uso de medição fasorial sincronizada foi desenvolvida a função WMU, que permite que oscilações sub-síncronas sejam detectadas e diagnosticadas antes da ocorrência de desligamentos

• Projeto VISOR: ação conjunta dos agentes de transmissão da Grã-Bretanha para implantação de medição fasorial sincronizada em toda a ilha, além de medição sincronizada e acompanhamento de oscilações sub-síncronas do sistema

• Reason e Psymetrix trabalharam em conjunto para fornecimento de unidades de medição fasorial e software de análise dos dados fasoriais;

• Próximos passos: acompanhamento dos resultados e uso em outros sistemas de potência.

Resumo do caso apresentado...

• Sistema de potência com geração majoritariamente renovável: Hidrelétricas, Eólicas e alguns Painéis Solares;

• Crescimento significativo da geração Eólica previsto para os próximos anos (10 GW instalados atualmente, ~30 GW previstos para 2020);

• Crescimento de geração basicamente no norte da Escócia e em plantas eólicas offshore;

• Sistema com características exportadoras: excedente de produção é exportada para a Inglaterra;

• Novas plantas de geração necessitam permissão de conexão com o sistema atual, permissão limitada a reforços no sistema (“beyond 2018”).

Características do Sistema Elétrico de Potência Escocês

Características do Sistema Elétrico de Potência EscocêsGrã-Bretanha: fluxos de potência

2008

2016

[1]

Características do Sistema Elétrico de Potência EscocêsEscócia: fluxo de potência previsto para 2016

adaptado de [1]

> 4.000 MW!!!

• Transferência ocorre por terra pela fronteira entre Escócia e Inglaterra (Cheviot Boundary – fronteira B6);

• Sistemas interligados basicamente por 2 linhas em 400 kV em circuito duplo;• Transferência máxima atual de 2.200 MW;• Fronteira B6 com restrições na ordem de 50% do tempo;• Reforços no sistema estão sendo realizados.

• Construção de novas linhas;• recapacitação de linhas;• Capacitores série na fronteira B6;• Construção de links HVDC.

Características do Sistema Elétrico de Potência EscocêsTransferência de potência da Escócia para Inglaterra

[1]

Soluções para transferência de potência na fronteira B6Reforços no sistema para aliviar carga na fronteira B6

HVDCFronteira B62 x 400 kVCapacitores Série

Novas linhas

• Uso de capacitores série e HVDC adicionam complexidades no controle do despacho

• Capacitores séries introduzem riscos de ressonância sub-síncrona (SSR) no sistema;

• Parques eólicos conectados ao sistema introduzem riscos de interação de controle sub-síncrona (SSCI);

• Restrições operativas atuais melhoradas, porém sistema continuará com margens conservadores de segurança para operação, com fluxo de potência limitado;

• Sistemas de monitoramento atuais não sincronizados no tempo e limitados a faixa de frequência até 10 Hz;

• Uso de medição fasorial sincronizada para visualização em tempo real das condições do sistema;

• Uso de medição sincronizada de forma de onda sub-síncrona para diagnóstico precoce de oscilações.

Soluções para transferência de potência na fronteira B6Fronteira B6: Novos desafios

• O módulo do fasor é igual ao valor eficaz do sinal e o ângulo de fase é a fase do sinal para t=0 (IEEE Std C37.118);

• Sincrofasores podem ser definidos como fasores calculados em instalações distintas, geograficamente distantes, usando-se a mesma referência de tempo;

• Sincronismo temporal possibilita análise sistêmica (ângulos das barras do sistema possuem única referência).

Conceitos fundamentais de medição fasorial sincronizadaSincrofasores – conceitos básicos

• Equipamento que disponibiliza dados fasoriais em frames de acordo com os critérios da IEEE Std. C37.118;

• Resolução dos dados maior que sistemas SCADA convencionais, com taxas de transmissão de até 60 fasores por ciclo para sistemas em 60 Hz.

Conceitos fundamentais de medição fasorial sincronizadaPhasor Measurement Unit (PMU)

Transdutor deCom unicação

Filtro ConversorA/D Microprocessador

GPSEntradas

Analógicas

U nidade de M ed ição Fasoria l

GPS

• Equipamento que concentra os dados fasoriais recebidos das PMUs;

• Correlaciona etiqueta de tempo dos frames de dados recebidos;

• Disponibilização dos dados fasoriais para análises;

• Operação contínua, em tempo real.

Conceitos fundamentais de medição fasorial sincronizadaPhasor Data Concentrator (PDC)

PDC

PMU

GPS

PMU

GPS

PMU

GPS

Rede Local daEmpresa

Hardware + Software

canais decomunicação( )

Conceitos fundamentais de medição fasorial sincronizadaWide Area Monitoring System (WAMS)• Conjunto de PMUs e PDCs que formam o sistema de monitoramento do sistema.

PMU

PMU

PMU

LAN

PMU

PMU

PMU

LAN

PDC PDC

PDC

[2]

Conceitos fundamentais de medição fasorial sincronizadaSPMS versus SCADA

• Monitoração de estabilidade de frequência;• Oscilações de potência;• Monitoração e tendências de tensão;• Alarmes e ajuste de limites de operação do sistema;• Estimação de estados;• Gerenciamento de congestionamento de linhas;• Auxílio na restauração do sistema em caso de interrupções;• Etc...

Conceitos fundamentais de medição fasorial sincronizadaAplicações em tempo real

• Análise de eventos;• Análise histórica de performance do sistema;• Calibração de validação de modelos do sistema;• Validação de modelos de usinas;• Caracterização de cargas;• Esquemas de proteção especial e ilhamentos;• Etc...

Conceitos fundamentais de medição fasorial sincronizadaAplicações offline

• Ação conjunta dos três agentes transmissores da Grã-Bretanha: Scottish Power Transmission (SPTL), Scottish Hydro Electric Transmission (SHETL) e National Grid Electricity Transmission (National Grid);

• Aplicação de medições fasoriais convencionais e inovadoras para melhor compreensão e análise em tempo real do comportamento dinâmico do sistema de transmissão;

• Sistema WAMS, onde cada agende terá um PDC coletando informações de seu sistema e enviará para um outro PDC dados para que todos os fasores sejam analisados de forma conjunta, permitindo análise sistêmica;

VISOR Project: uso de WAMS na Grã-BretanhaVISOR: Visualisation of Real Time System Dynamics using Enhanced Monitoring

• Solução ALSTOM, onde equipamentos de medição foram fornecidos pela Reason e software de análise de dados pela Psymetrix;

• RT430 em conjunto com RPV311 + RA33x;• PhasorPoint software.

VISOR Project: uso de WAMS na Grã-BretanhaVISOR: Visualisation of Real Time System Dynamics using Enhanced Monitoring

• PMU Convencional:• Comportamento dinâmico do sistema;• Validação e ajuste dos modelos de simulação;• Compreensão dos estados do sistema;• Análise de blackouts e ocorrências;• Expansão dos limites seguros de operação;• Operação em tempo real.

VISOR Project: uso de WAMS na Grã-BretanhaVISOR: Visualisation of Real Time System Dynamics using Enhanced Monitoring

• Funções adicionais não-convencionais:• Análise do comportamento dinâmico na faixa 5 Hz a 45 Hz;• Forma de onda das oscilações sub-síncronas;• Transformada dq0 do sinal trifásico medido;• Detecção e alarme de quando o sistema entra em condições inseguras;• Evitar trip, uma vez que são detectadas tendências do sistema entrar em regiões

instáveis de operação.

VISOR Project: uso de WAMS na Grã-BretanhaVISOR: Visualisation of Real Time System Dynamics using Enhanced Monitoring

[3]

VISOR Project: uso de WAMS na Grã-BretanhaArquitetura

RPV311: solução Reason para PMU no projeto VISORRPV311 – características gerais• Funções de Registrador Digital de Perturbações

• Gravação de forma de onda (transitórios e faltas no sistema);• Gravação de valores eficazes (distúrbios de sistema de baixa frequência);• Canais digitais físicos ou por mensagens GOOSE;• Configuração e monitoramento por interface Web.

• Localização de faltas por ondas viajantes;• Medição de até 64 canais analógicos;• Taxa de aquisição de até 256 pontos-por-ciclo;• Sincronismo temporal através de sinais IRIG-B demodulados;• Medição e difusão de sincrofasores de acordo com a IEEE C37.118.

RPV311: solução Reason para PMU no projeto VISORDiferenciais para uso no VISOR• Função WMU inserida ao firmware do equipamento segundo requisitos do

projeto VISOR;• Função PMU tradicional e função Waveform Measurement Unit (WMU) em um

mesmo equipamento;• Filtro passa-faixa na aquisição de sinais que contempla todo o espectro desejado

(de 5 Hz a 45 Hz);• Função WMU única no mercado;• Função PMU recomendada pelo National Institute of Standards and Technology

(NIST).

RPV311: solução Reason para PMU no projeto VISORRPV311 – PMU e WMU

I

V

Sinais de campo

RPV311

PMU

Sist

ema

de

aqui

siçã

oIRIG-B000

C37.118 streamFasores de tensão e corrente50 frames-per-second

WMUFi

ltro

do

wns

am

ple dq

0

C37.118 stream Forma de onda dq0200 frames-per-second

Sinais de saída

RPV311: solução Reason para PMU no projeto VISOREquipamentos Reason no projeto

Adaptado de [3]

Considerações finais

• Uso de Medição Fasorial Sincronizada melhora a visibilidade das condições operativas do sistema de potência, além de permitir melhor compreensão do comportamento dinâmico;

• Caso da Escócia: problemas de transferência de potência em corredores congestionados serão compreendidos e fluxo de potência será otimizado;

• Novos investimentos em reforços do sistema serão otimizados com a melhor compreensão do comportamento da interligação na fronteira B6;

• Alstom possui solução completa em sistemas de monitoramento WAMS, com uso de PMUs Reason e software Psymetrix;

• Uso de dados C37.118 inovador, que pode ser replicado em outros sistemas.

ReferênciasA Guide to Transmission and Distribution in Scotland. Disponível em: < http://www.hi-energy.org.uk/Downloads/General%20Documents/Xero-Energy-Grid-Guide-May%202010.pdf>

Experience and applications of phasor measurement to the Brazilian interconnected power system. Ildemar C. Decker et al. European Transaction on Electrical Power, 2011; 21: 1557-1573.

Electricity Network Innovation Competition Full Submission Pro-forma. Project Title: Visualisation of Real Time System Dynamics using Enhanced Monitoring (VISOR). Disponível em: < http://www.spenergynetworks.co.uk/userfiles/file/20140430_VISOR_Project_submission_document.pdf>

[1]

[2]

[3]

Obrigado!

Ministrante:Carlos Eduardo Ferreira Pimentel

Reason an Alstom Company