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SOMQEE-MT: Sistema Óptico de Monitoração de
Qualidade de Energia Elétrica para Média Tensão
Policarpo Uliana, Moacir Wendhausen, Antonio C. Zimmermann,
Rafael Z. Homma, Arildo J. Carvalho e Igor K. Khairalla
Resumo  O presente artigo descreve o resultado de um projeto
de Pesquisa e Desenvolvimento, denominado Sistema Óptico de
Medição de Parâmetros de Qualidade de Energia para Média
Tensão (SOMQEE-MT). Este sistema consiste basicamente de
Transdutores Ópticos de Corrente e Tensão (TOCT), instalados
no potencial de média tensão e acoplados através de fibras ópticas
a um Módulo de Processamento e Controle (MPC). Através da
aquisição dos três valores de corrente e tensão provenientes dos
TOCTs, a unidade MPC efetua registros de eventos de Qualidade
de Energia Elétrica (QEE), registros oscilográficos e registros
históricos. O MPC também comunica-se com uma central de
análise remota, a central de análise dispõe de cinco softwares que
realizam as funções de configuração, calibração, monitoração,
leitura de dados e análise dos eventos de QEE registrados.
Palavras-chaves  Medição óptica de corrente e tensão,
monitoração de qualidade de energia elétrica;
isolação, acarretando danos ao sistema e reduzindo a
segurança de operação.
Visando obter um medidor de parâmetros de QEE, para
aplicação em potenciais de MT, com baixo risco de falha de
isolação, as empresas PowerOpticks Tecnologia Ltda e a
empresa Reason S.A. juntamente com a concessionária
CELESC desenvolveram um Sistema Óptico de Medição de
Parâmetros de Qualidade de Energia Elétrica para Média
Tensão - SOMQEE-MT. Este projeto teve duração de 24
meses e foi desenvolvido no âmbito do programa de Pesquisa
e Desenvolvimento, vinculado a Agência Nacional de Energia
Elétrica, CELESC/ANEEL 5697-3312/2012. O projeto foi
iniciado em fevereiro de 2013 e concluído em fevereiro de
2015.
I. INTRODUÇÃO
O Sistema de Medição, desenvolvido no projeto SOMQEEMT é composto por:
 Transdutor Óptico de Corrente e Tensão (TOCT);
 Modulo de Processamento e Controle (MPC);
 Softwares para configuração, calibração,
monitoração, comunicação e análise de qualidade de
energia elétrica.
O MPC é instalado diretamente no poste e acopla-se as 3
unidades TOCT através de Fibras Ópticas, cada TOCT por sua
vez conecta-se ao potencial média tensão, tendo com função
efetuar a transdução da corrente e da tensão na linha. Todos os
eventos de QEE são armazenados no MPC, que transmite as
informações para uma central de análise onde são executados
os softwares desenvolvidos no projeto.
A monitoração da Qualidade de Energia Elétrica (QEE), tem
como meta inicial a medição e registro de fenômenos
associados à tensão elétrica entregue aos consumidores. Para
isto são adotadas metodologias que permitem reduzir massa de
dados, adquiridos em tempo real, a um conjunto de dados
compactos que contenham informações relevantes à análise de
um determinado fenômeno. Por exemplo, as Variações
Momentâneas de Tensão (VMT), podem ser resumidas a um
par de números: tempo e valor de variação, enquanto que as
distorções harmônicas podem ser caracterizadas por um único
fator, a Distorção Harmônica Total (THD). No âmbito do
Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema
Elétrico Nacional (PRODIST) [1], especificamente no Módulo
8, a ANEEL define como os parâmetros de QEE devem ser
monitorados e metas para alguns destes parâmetros. A
monitoração de QEE em consumidores residenciais e
industrias pode ser realizada através de medidores de QEE
conectados diretamente na baixa tensão. No entanto, para a
monitoração de QEE em média tensão, tais como ramais de
distribuição e pontos de entrega à grandes consumidores, o
processo torna-se crítico, pois os transdutores devem conectarse diretamente ao potencial de Média Tensão 13,8 kV a 69,0
kV, uma vez que normalmente não existem Transformador de
Potencial (TP) e Transformador de Corrente (TC) disponíveis
no ponto a ser monitorado. Seguindo a recomendação do
PRODIST, a concessionária Centrais Elétricas de Santa
Catarina - CELESC realiza monitoração da QEE em média
tensão utilizando transdutores que operam através de divisores
resistivos, [2], representando um alto risco de perda de
II. DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA
No início do projeto foi realizado um estudo bibliográfico
com objetivo de avaliar o estado da arte, bem como as
principais referências técnicas e patentes vigentes. Foram
identificados, em âmbito internacional, que apenas duas
empresas desenvolveram e patentearam as tecnologias
correlatas, [3]. Tendo como base este estudo inicial,
desenvolveu-se o SOMQEE-MT adotando-se tecnologias
ópticas disponíveis no mercado mundial, tendo como base as
literaturas técnicas de referência internacional. Tal estudo não
apenas contribuiu para o bom desempenho do projeto, mas
também ao aperfeiçoamento técnico da equipe executora, tanto
no âmbito da óptica quanto na engenharia de materiais,
software e hardware, agregando um significativo
conhecimento aos pesquisadores.
A. Caracterização do SOMQEE-MT
O SOMQEE-MT monitora sinais de corrente e tensão em
ramais de MT de até 34,5 kV, com faixa de medição de
corrente até 3.000 A. São efetuadas as medições de 3 sinais
corrente e 3 sinais de tensão a uma taxa de amostragem de até
15.360 amostras por segundo, equivalendo à 256 pontos por
ciclo de 60 Hz, sendo que todas as amostras dos sinais de
corrente e tensão estão sincronizadas no tempo. Os sistemas
dispõem de sincronismo de tempo através de receptor GPS
interno, possibilitando a comparação de amostras entre
unidades distintas de SOMQEE-MT localizados remotamente.
A Fig. 2 apresenta os principais elementos do SOMQEEMT: O Transdutor Óptico de Corrente e Tensão é composto
por um sensor óptico baseado em efeito Faraday, [4], [5], [6],
[7], para medição da corrente, e um transdutor capacitivo para
a medição da tensão da linha. O acoplamento entre o TOCT e
o MPC é através de Fibras Ópticas; O Módulo de
Processamento e Controle, tem a função efetuar o controle do
processo de aquisição dos sinais de corrente e tensão, efetuar
o processamento, gerar registros de parâmetros de QEE em
conformidade com as demandas do PRODIST.
potência, que depende da monitoração de corrente:
 Tensão em regime permanente;
 Fator de potência;
 Harmônicos;
 Desequilíbrio de tensão;
 Flutuação de tensão, muitas vezes denominado
como cintilação ou Flicker;
 Variações de tensão de curta duração, ou variações
momentâneas de tensão - VMT;
 Variação de frequência.
Fig. 3- Diagrama em blocos do sistema SOMQEE-MT completo.
Fig. 2 - Elementos básicos ao SOMQEE-MT.
A Fig. 3 apresenta um diagrama completo do SOMQEEMT, com três unidades TOCT. A unidade MPC é conectada
remotamente à uma central de análise através de um modem,
O MPC também pode ser conectado a um notebook através de
uma rede ethernet, possibilitando efetuar a configuração,
análise e download dos registros. A Fig. 4 mostra a instalação
do sistema em um poste, com as 3 unidades TOCTs conectadas
diretamente ao ramal. Muito embora o TOCT seja conectado
ao MPC através de FO, a base do mesmo deve ser aterrada,
este procedimento aumenta o desempenho metrológico da
medição, evitando que as estruturas metálicas nas
proximidades afetem o resultado da medição.
B. Medição dos Fenômenos associados à QEE
O SOMQEE-MT monitora basicamente 7 fenômenos de
QEE, todos eles relacionados com a tensão, exceto o fator de
Fig. 4- Sistema SOMQEE-MT instalado no poste.
Alguns destes fenômenos são mais importantes para o
consumidor, como por exemplo, a tensão em regime
permanente e as variações de tensão de curta duração.
Considerando apenas esses dois fenômenos, são estabelecidos
uma série de índices, para análise de desempenho, que devem
ser adotados pela concessionária. Entretanto, apenas a medição
da tensão não é suficiente para detectar-se a origem dos
fenômenos de harmônicas e flicker, para detectar-se a origem
desses fenômenos, a medição da corrente é fundamental,
possibilitando saber se a origem está no consumidor ou é
proveniente do sistema.
A variação de frequência é um fenômeno mais sistêmico,
pois a frequência da rede normalmente tem grande
estabilidade, sendo estabelecido um limite estreito de
operação, entre 59.9 Hz e 60.1 Hz. Normalmente, para resolver
este problema a concessionária estabelece critérios para corte
de cargas menos “críticas”. Neste caso, o SOMQEE-MT tornase um importante instrumento, podendo gerar disparos de
registros, conforme limites pré-estabelecidos para a variação
da frequência.
Para cada fenômeno de QEE monitorado, o SOMQEE-MT
permite a geração de registros oscilográficos de curta duração
com duração de até 100 ciclos de 60 Hz. Também é possível
gerar registros de longa duração, valor eficaz em 60 Hz com
duração de até 10 minutos. O SOMQEE também gera
continuamente registros históricos diários, com baixo volume
de dados, contendo valores médios, máximos e mínimos,
calculados em janelas de 1 a 60 minutos.
tecnologia óptica envolvida, impossibilitando acoplá-la ao
TOCT, assim, o princípio de medição de tensão foi substituído
por um sistema capacitivo, mantendo o acoplamento óptico
entre o sensor e o MPC.
C. Hardware do Módulo de Processamento e Controle MPC
O processamento do SOMQEE-MT é efetuado através de
uma CPU industrial, de baixo consumo de energia, baseada em
arquitetura x86 com plataforma operacional GNU-LINUX,
[8]. A Fig. 5 apresenta o hardware interno do MPC, onde
pode-se observar diversos elementos, com destaque para as
seguintes placas desenvolvidas para o projeto:



Placa PAQ-TGG: placa de aquisição do sinal óptico
proveniente do sensor Faraday localizado no TOTC. É
composta por foto detectores e diodos LASER, sistema de
amplificação e filtragem;
Placa PCM-OPD: placa que comunica-se com o
transdutor de tensão localizado no TOCT. É composta por
transceivers ópticos que constituem três canais seriais
ópticos de alta velocidade;
Placa PPC-DGT: placa que controla o processo de
aquisição dos transdutores e comunicação com a Unidade
de Processamento e Controle (CPU). O principal
componente desta placa é um dispositivo FieldProgrammable Gate Array (FPGA), [9], responsável pelo
controle de aquisição e comunicação. Também é
constituída de Conversores Analógico Digital (CAD) com
resolução de 16 bits. Esta placa envia os dados lidos, com
tag de tempo, para a CPU via interface Universal Serial
Bus (USB), de alta velocidade.
D.
Constituição do Transdutor Óptico de Corrente e
Tensão – TOCT.
Cada unidade TOCT, mostrada na Fig. 6, efetua a medição
de 1 sinal de corrente e 1 sinal de tensão e acopla-se ao MPC
através de FO. A medição de corrente e baseada no efeito
Faraday, e a medição de tensão é baseada em sensor
capacitivo. Muito embora o projeto prevê-se a medição de
tensão baseada no efeito Pockels, [10], [11], [12], o tempo de
duração do projeto não foi suficiente para miniaturizar a
Fig. 5 – Caixa compondo o MPC desenvolvida no projeto.
Fig. 6 – TOCT desenvolvido para o projeto: (a) Projeto mecânico no
software SolidWorks; (b) Foto do TOCT;
O transdutor de tensão implementado é constituído de:
divisor capacitivo; placa de controle de aquisição; transceivers
ópticos; sistema de alimentação baseado em Power Over Fiber
(POF). O transdutor de tensão é totalmente isolado do MPC,
comunicando-se com este através de um canal serial óptico,
FO, de alta velocidade.
E. Medição de corrente pelo Efeito Faraday
O efeito Faraday, [13], magneto-óptico, é um efeito óptico
que manifesta-se em alguns matérias ópticos quando
submetidos a um campo magnético externo, que age sobre uma
luz linearmente polarizada, [14], causando uma rotação no
plano de polarização desta luz que propaga-se através deste
material. Conforme ilustrado na Fig. 7, esta rotação angular
(φ) é função de uma constante denominada constante de
Verdet (ϑ), da distância percorrida pelo feixe óptico (L) e pela
intensidade do campo magnético (B).
F. Medição de Tensão pelo Efeito Capacitivo
Inicialmente o transdutor do TOCT teria um processo de
medição de tensão baseado no efeito Pockels, este efeito é de
origem eletro-óptica e manifesta-se em certos cristais, cuja
birrefringência varia em função do campo elétrico ao qual ele
está sujeito. A Fig. 10 apresenta o sensor Pockels que foi
implementado, ele apresentou um funcionamento adequado,
entretanto, as dimensões físicas não puderam ser compactadas
no tempo vigente do projeto.
Fig. 7 - O Efeito Faraday.
A Fig. 8 apresenta uma aplicação prática do efeito Faraday
utilizada em TC óptico, onde o elemento sensor é
caracterizado basicamente por uma bobina composta por fibras
ópticas especiais, [15], e que envolvem o condutor cuja
corrente deve ser monitorada. A variação angular é
decomposta através de um divisor de feixe luminoso
denominado Beam Splitter, que decompõem o feixe luminoso
em duas componentes ortogonais.
Fig. 10 – Sensor Pockels desenvolvido.
Isto foi decorrente das curvaturas mínimas das FO, que
inviabilizaram sua aplicação na base do TOCT, conforme
mostrado na Fig. 11.
Fig. 11 – Posicionamento do Sensor Pockels na base do TOCT.
Fig. 8 - Sensor Faraday implementado em fibra óptica com caminho
óptico unidirecional.
O modelo de sensor apresentado na Fig.8 não pôde ser
adotado no SOMQEE-MT, pois necessita que o circuito de
corrente seja interrompido para a introdução da bobina óptica
que constitui o sensor Faraday. Neste caso a solução adotada
foi usar um cristal magneto-óptico, [16], semelhante ao
mostrado na Fig. 9, cujo princípio de funcionamento foi
apresentado na Fig. 7. Neste caso o material deve ter constante
de Verdet muito elevada, pois o valor do comprimento L é
pequeno.
Fig. 9 - Sensor Faraday de dimensões reduzidas.
Apesar da miniaturização do sensor Pockels ser factível, o
trabalho de pesquisa associado demandaria a realização de um
novo projeto de P&D.
Desta forma, buscou-se uma nova solução para a medição
de tensão que pudesse atender as dimensões do TOCT, mas
que provesse um acoplamento com o MPC através de FO,
assim, optou-se pela implementação de um sensor capacitivo.
Fig. 12 – Diagrama para teste do sensor capacitivo.
H. Instalação e ensaios com o SOMQEE
O TOCT desenvolvido passou por testes laboratoriais e
testes metrológicos, sendo integrado ao MPC a fim de gerar
um sistema de monitoração de apenas uma fase. O sensor
também foi submetido a um teste de instalação em uma linha
de 13,8 kV, conforme mostrado na Fig. 14.
Fig. 13 – Placa de aquisição PAQ-VDC instalada de tensão na base do
TOCT.
Com a mudança do princípio de sensoriamento de tensão,
houve a necessidade de uma placa de aquisição que ficasse
instalada dentro do TOCT, esta placa chama-se PAQ-VDC, e
é apresentada na Fig.13. Ela efetua o processo de aquisição de
tensão proveniente do sensor capacitivo, também mede a
temperatura do sensor. Ela é constituída de 2 CAD de 16 bits,
um aplicado a aquisição de tensão e outro à temperatura. Ela
comunica-se com o MPC através de um canal serial óptico por
meio de FO. Pelo fato de possuir elementos ativos, esta placa
é alimentada por meio de um sistema Power Over Fiber - POF.
G.
Softwares associados ao SOMQEE-MT
No projeto SOMQEE-MT foram desenvolvidos 6
softwares:
 SOMQEE_EXEC – Software embarcado (Linux)
que realiza o controle aquisição em tempo real dos
sinais de corrente e tensão e gravação de registros de
QEE e registros oscilográficos;
 SIMQEE – Software Windows que simula medição
de sinais senoidais trifásicos, cujos parâmetros são
definidos e gerados sob demanda pelo usuário. Foi
utilizado no processo de desenvolvimento para testas
o software Somqee_exec;
 SOMQEE-CONFIG – Software Windows que
realiza a configuração do SOMQEE-MT;
 SOMQEE-MONIT – Software Windows que realiza
a monitoração de valores medidos;
 SOMQEE-CONECT – Software Windows que
realiza a leitura de dados de QEE;
 SOMQEE-CALIB – Software Windows que realiza
a calibração do sistema de medição
O desenvolvimento do software embarcado foi realizado em
linguagem C, com os softwares Windows utilizando o
ambiente de desenvolvimento C++ Builder e Delphi Pascal.
Além dos softwares, os processos de aquisição, controle e
comunicação com a CPU, foram implementados em
Linguagem de Descrição de Hardware – HDL, [17],
utilizando-se um dispositivo do tipo Field Programmable
Gate Array - FPGA.
Fig. 14 - Teste de instalação de um TOCT em um ramal de 13,8 kV e Teste de isolação em até 70kV
A figura 14 também mostra uma foto do TOCT sendo
submetido a testes de isolação com aplicação de tensões de até
70kV, suportando sem problemas este nível de tensão. Cabe
salientar que durante o teste o sistema foi capaz de monitorar
corretamente a tensão aplicada pois para este ensaio o limite
máximo de monitoração de tensão do TOCT foi ajustado em
80kV.
O sistema SOMQEE-MT completo, com monitoração
trifásica (03 TOCTs), está sendo submetido a uma série de
testes
funcionais
em
laboratório,
contemplando
principalmente o registro de fenômenos de QEE citados no
item B.
A tabela I apresenta os resultados de teste TOCT para a
medição de tensão com erros da ordem de 0,2%.
Tabela I. Ensaio do TOCT para e medição de tensão.
A figura 17 apresenta os resultados de teste TOCT para a
medição de corrente, com variação da temperatura de
operação, sendo obtidos erros na faixa de 0,5%, para a faixa de
medição de até 1200A, com aplicação de algoritmo de
compensação de temperatura.
É importante citar que sem a compensação de temperatura
os erros de medição de corrente neste tipo de transdutor podem
assumir valores bastante elevados, sendo que por exemplo o
transdutor de um outro fabricante que não usa nenhuma
compensação de temperatura apresentou erro de ordem de 6 a
10% na medição de correntes na faixa de até 1200A.
Fig. 17. Curvas de erro no Sensor de Corrente Faraday.
I.
Benefícios do sistema desenvolvido
Atualmente foi identificado no mercado internacional
apenas um medidor de corrente e tensão para sistemas de
distribuição, aplicável em média tensão, que opera com
tecnologia óptica de medição de corrente, mas cuja tensão é
monitorada por divisor resistivo. Desta forma, o SOMQEEMT é o único equipamento identificado que possui isolação
óptica completa tanto na medição de corrente como na de
tensão.
Esta característica reduz significativamente o risco de falha
de isolação e suas graves consequências, tais como danos aos
sistema e risco de acidentes graves ao operador, contribuindo
significativamente para o aumento da segurança de operação.
O software do SOMQEE-MT foi implementado para
atender as demandas estabelecidas pela ANEEL, no
PRODIST, especificamente no módulo 8, que trata da
monitoração da qualidade de energia elétrica.
No final do projeto o protótipo industrial do SOMQEE-MT
(composto de 03 TOCTs, 01MPC e softwares associados) foi
disponibilizado para a CELESC para ser testado em uma
condição real de uso, sendo instalado em um ramal de 13,8 kV.
III. CONCLUSÕES
O projeto SOMQEE-MT alcançou todos os objetivos
propostos, apresentando um Transdutor Óptico de Corrente e
Tensão (TOCT), aplicável a ramais de distribuição de Média
Tensão de classe até 34,5 kV. Também foi desenvolvido um
Módulo de Processamento e Controle (MPC), que foi
projetado para operar em conformidade com o módulo 8 do
PRODIST.
Desta forma o SOMQEE resolve um sério problema de
segurança de operação, enfrentado pela concessionária
CELESC, que é o risco de falha de isolação devido a utilização
os sistemas convencionais aplicados a medição de QEE em
MT, uma vez que estes apresentam acoplamento metálico
baseados em divisor resistivo. O SOMQEE também agregou
conhecimento a equipe executora, gerou conhecimento nas
áreas de óptica, processamento de sinais, engenharia de
matérias e software.
Em decorrência dos resultados apresentados pelo
SOMQEE-MT, a proposta atual é que o protótipo
desenvolvido se torne um produto de mercado.
Neste contexto a empresa PowerOpticks Tecnologia Ltda.,
em parceria com a CELESC está dando continuidade ao
projeto, e atualmente está efetuando alguns ensaios
metrológicos e aprimoramentos do produto, com o objetivo de
em breve disponibilizar ao mercado um sistema de medição de
parâmetros de QEE.
Tal sistema será aplicável ramais de distribuição de média
tensão, com alta segurança de operação, caracterizando uma
inovação no mercado nacional.
IV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Agência Nacional De Energia Elétrica (ANEEL). Resolução ANEEL N0
395 de 15 de novembro de 2009; “Aprova a revisão dos Procedimentos de
Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST
e dá outras Providências”. Brasilia, Distrito Federal, (2009). Disponível
em: http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=82. Acesso em: jun. 2015.
[2] POWERSENSE. Medium Voltage Monitoring. Disponível em:
http://www.powersense.dk/Download/Datasheet/medium_voltage_monit
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for power system metering and relaying”. IEEE Power Engineering
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de Fı́sica, J. Herrera y Reissig 565, 11300 Montevideo, Uruguay; 2001.
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http://www.gnu.org/home.en.html, acesso em: jun. 2015.
[8] ALTERA. Disponível em:
https://www.altera.com/products/fpga/overview.tablet.html, acesso em:
jun. 2015.
[9] N. A. F. Jaeger, F. Rahmatian, “Integrated optics Pockels cell highvoltage sensor.”, Issue Date: Jan 1995, Volume: 10 Issue:1, On page(s):
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[10] F. Pan, X. Xiao, Y. Xu, S. Ren, “An Optical AC Voltage Sensor Based
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[11] T Takahashi, T. Okamoto, ”Development of New Small Opticalwaveguide Pockels Sensor for Measuring Electric Fields.”, Proceedings
of 10th International Symposium on High Voltage Engineering, Montreal,
Vol. 6, pp. 89-92, 1997.
[12] Aerssens, M.; Gusarov, A.; Brichard, B.; Massaut, V.; Mégret, P.;
Wuilpart, M.; Faraday Effect Based Optical Fiber Current Sensor for
Tokamaks. IEEE, p 1, jun. 2011.
[13] E. Collett, “ Polarized Light In Fiber Opticks”, the PolaWave Group,
USA, 2003.
[14] B. Culshaw, “ Optical Fibre Sensing And Signal Processing”, Peter
Peregrinus Ltd, London, UK, 1986.
[15] V. N. Filippov, A. N. Starodumov, Y. O. Barmenkov, V. V. Makarov,
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[16] V. A. Pedroni, “Circuit Design with VHDL”, Massachusetts Institute of
Technology, USA, 2004.