Desenvolvimento do Protótipo de um Instrumento para o

Desenvolvimento do Protótipo de um
Instrumento para o Monitoramento da
Qualidade de Energia Elétrica de uma
Concessionária de Energia Elétrica
U. H. Bezerra, J. N. Garcez, W. J. Lima, J. A. S. Sena, M. N. Moscoso, J. H. Maciel, K. T. Souza, E.
M. Amazonas Fh, A. A. Tupiassú, J. E. Mesquita Jr.
Resumo-Este artigo descreve o protótipo de um instrumento
desenvolvido para monitoramento da qualidade de tensão em
rede de distribuição de energia elétrica. Baseado no
microcontrolador 68HC11 o instrumento fornece os índices de
continuidade individuais de consumidores e dados para
obtenção dos índices de continuidade de conjunto de
consumidores, conforme Resolução n.º 24 de 27/01/2000 da
ANEEL. Informações geradas pelo instrumento estão
disponíveis através da porta de comunicação serial, permitindo
testes locais ou remotos, seja em tempo real ou em relatórios
periódicos. Sua modularidade atenderá futuras recomendações
de órgãos reguladores quanto à conformidade da tensão de
fornecimento .
Testes realizados em laboratório perante a concessionária e
órgãos reguladores atestaram seu bom desempenho ratificado
em Projeto Piloto da Concessionária.
Palavras-chave-- Qualidade de Energia – Monitoramento
Digital – Continuidade de Fornecimento – Indicadores de
Qualidade.
Supervisão e Controle (NESC) da Universidade Federal do
Pará (UFPA) desenvolveu um projeto com a REDE-CELPA
(Concessionária da distribuição de energia elétrica na região
metropolitana de Belém) cujo objetivo básico é a construção
de um instrumento que analise a qualidade da energia
entregue a um consumidor pertencente ao grupo B, seja ele
monofásico, bifásico ou trifásico, considerando a
continuidade e conformidade da tensão.
O instrumento desenvolvido pelo NESC monitora os
índices de qualidade estabelecidos no contrato de concessão
de distribuição nº 182/98, entre Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL) e a REDE-CELPA, e na
Resolução 024/2000-ANEEL [1].
Além do baixo custo, o instrumento será de grande auxílio
na observância das cláusulas contratuais de qualidade de
energia, na obtenção de informações estatísticas para fins de
planejamento, operação e monitoramento da rede de
distribuição, para garantia da qualidade de energia elétrica e
diagnósticos de falhas.
I. INTRODUÇÃO
II. DESCRIÇÃO DO HARDWARE DA UNIDADE MONITORADORA
A energia é um insumo básico em qualquer processo
produtivo, seja ele comercial ou industrial. Dois aspectos
devem ser observados para um bom gerenciamento da
energia: custo e qualidade.
A privatização do setor elétrico trouxe maior preocupação
com a qualidade do fornecimento de energia aos
consumidores. Isso também se deve à utilização em
residências, ou em processos industriais, de aparelhos cada
vez mais sensíveis às variações de tensão. Neste novo
contexto, as concessionárias de energia elétrica devem
possuir meios de monitorar a qualidade do produto que
fornecem a fim de evitar prejuízos ao consumidor.
Com o objetivo de fornecer soluções para viabilizar este
serviço ao consumidor, o Núcleo de Engenharia em
Foi desenvolvida uma placa de circuito impresso com o
programa Analisa Q.E. gravado em memória não volátil
(EEPROM), possibilitando que, diversas ferramentas do
microcontrolador
68HC11
sejam
utilizadas,
no
desenvolvimento de outros projetos de aplicações diversas.
Além disto, possui um adaptador para comunicação serial,
memória RAM e EPROM, oferecendo um ambiente de
desenvolvimento eficiente para a maioria das aplicações em
que são utilizados os microcontroladores da família
68HC11.
A Fig. 1 mostra o diagrama de blocos do hardware
utilizado no projeto, cuja principal finalidade é a gravação
em memória RAM dos dados referentes ao código, duração
e tempo final da ocorrência e valor máximo da variável
analisada. Estes dados são posteriormente enviados a um
microcomputador localizado a longa distancia do local de
medição, através de uma interface serial com padrão RS485,
para análise dos índices estabelecidos pela ANEEL.
Este trabalho foi financiado pela concessionária REDE – CELPA
através do Programa de P&D do Setor Elétrico.
Os autores H. Bezerra, W. J. Lima, J. N. Garcez, J. A. S. Sena, M. N.
Moscoso, J. H. Maciel, U. K. T. Souza, E. M. Amazonas Fh são do NESC
– Núcleo de Engenharia em Supervisão e Controle de Sistemas, Belém-PA,
Brasil (e-mail: [email protected]).
Os autores A. A. Tupiassú, J. E. Mesquita Jr são da CELPA-Centrais
Elétricas do Pará, Belém-PA, Brasil (e-mail: [email protected]).
2
255DEC).
Condicionamento do
sinal
Sinal
Monitorado
III. DESCRIÇÃO DO SOFTWARE DA UNIDADE
MONITORADORA
Conversão AnalógicaDigital
Memória
Processamento
Arquivos
Microcontrolador
Apresentação dos
Resultados
Microcomputador
Tela
Gráfica
Relatório
Fig. 1 - Diagrama em blocos do Hardware utilizado na monitoração
Um executivo em tempo real foi adaptado para gerenciar
as tarefas do instrumento, associadas à obtenção de variáveis
ou detecção de eventos indicativos de qualidade de energia
[2]:
O software do microcontrolador, em linguagem Assembly
permite a aquisição e processamento dos dados necessários à
determinação dos índices de continuidade estabelecidos pela
Resolução n.º 24 de 27 de janeiro de 2000, da ANEEL, ou
seja:
!
DIC: Duração de Interrupção Individual
!
FIC: Freqüência de Interrupção Individual
!
DMIC: Duração Máxima de Interrupção Contínua
Dados das unidades consumidoras individuais são
transmitidos ao Centro de Supervisão e Controle da
Distribuição para obtenção dos índices da continuidade do
conjunto de consumidores.
!
DEC: Duração Equivalente de Interrupção
!
FEC: Freqüência Equivalente de Interrupção
Permite também a determinação dos indicadores de
conformidade (FEV, NEV, DEV, VEV) estipulados no
contrato de concessão de distribuição
n.º 182/98
ANEEL/REDE-CELPA
A arquitetura do hardware para o desenvolvimento do
protótipo para esta aplicação, divide-se basicamente em 6
módulos [3,4]:
1. Módulo de condicionamento de sinal, que condiciona
o sinal da rede elétrica (120 Volts) a níveis aceitáveis
pelo microcontrolador (0 a 5 Volts).
2. O Módulo de Processamento do Sinal, realizado pela
CPU do microcontrolador, responsável pelo
gerenciamento das tarefas através da técnica do
executivo em tempo real.
3. Módulo de Memórias, utilizado para armazenar o
programa de gerenciamento, as rotinas das tarefas e
os registros das ocorrências, sendo os dois primeiros
armazenados em memória não volátil (EPROM) e o
último em memória volátil (RAM estática).
4. Módulo de Conversão Analógica/ Digital, formado
pelo conversor A/D interno do 68HC11, tendo a
função de transformar amostras do sinal analógico,
fornecido pelo retificador de onda completa, para um
sinal digital na faixa de 00HEX a FFHEX (0DEC a
São dois os programas que compõem o software
empregado no protótipo: SoftCom e Analisador Q.E.
O Analisador Q.E é um programa desenvolvido em
linguagem assembly do 68HC11 sendo armazenado em
memória não volátil (EEPROM), tendo a finalidade de
analisar e registrar possíveis ocorrências de perturbações na
tensão. Estes registros são enviados, sempre que solicitado
pelo computador central, permitindo que sejam feitos os
cálculos dos índices de qualidade. Toda esta operação é
realizada de forma automática não comprometendo a análise
da qualidade da energia elétrica. Os dados são enviados no
formato ASCII, sendo recebidos pelo programa SoftCom no
computador.
Um executivo em tempo real foi adaptado para gerenciar
a execução das tarefas do instrumento apresentado no
trabalho. A Fig. 2, descreve a estrutura de gerenciamento.
Inicialização dos
Registradores
A
1
n
Ocorreu
Interrupção?
Acumulador
Igual a Zero
s
n
s
2
s
Taref. 1?
Atualizar
registradores
Sub. Rotina
Tarefa 1
2
s
Taref. 2?
1
Sub. Rotina
Tarefa 2
2
1
Estado
Bloqueado
2
Estado Pronto
s
Taref. 3?
Sub. Rotina
Tarefa 3
2
Taref. 4?
Estado
Executando
s
Sub. Rotina
Tarefa 4
A
Fig. 2 - Estrutura do Executivo em tempo real utilizado no protótipo
A utilização desta técnica, apresenta duas vantagens:
A duração das tarefas pode ser escalonada de tal forma
que seja diminuído o tempo de ociosidade da CPU do
microcontrolador;
Possibilita adicionar tarefas futuras sem comprometer o
funcionamento das tarefas originais.
As tarefas associadas ao programa correspondem à
obtenção de variáveis ou detecção de eventos indicativos da
qualidade de energia, quais sejam.
A. Tarefa 1 – valor eficaz verdadeiro da tensão (vrms)
Embora uma grande quantidade de métodos seja usado
para determinar o valor RMS, os três mais utilizados para
este tipo de cálculo são:
!
Método de pico (Peak method).
!
Método da média (Averaging method.
!
RMS verdadeiro (True rms).
Todos estes métodos fornecem o mesmo resultado para
3
uma onda senoidal limpa, ou seja, sem distorção. No entanto
podem fornecer resultados muito diferentes para uma onda
senoidal distorcida. Neste caso o melhor método é o do
RMS Verdadeiro, por não haver a necessidade do sinal ser
uma onda senoidal pura. Este método foi empregado no
Analisador QE.
B. Tarefa 2 – Avaliação de ocorrência de interrupção
sustentada de tensão.
De posse dos valores da tensão (VRMS), fornecidos pela
tarefa 1, é realizada a monitoração destes níveis, sendo
caracterizado, de acordo com a ANEEL, como interrupções
sustentadas de tensão, os valores abaixo de 0.1 p.u., que
persistirem por mais de 1 minuto.
C. Tarefa 3 - Avaliação das variações sustentadas de tensão.
As variações sustentadas de tensão são variações do seu
valor RMS que ultrapassam certos limites preestabelecidos e
mantém este desvio por um período acima de 1 minuto. No
Brasil, a ANEEL definiu que estes limites, nos sistemas de
distribuição (na tensão nominal de 127 V), não deveriam
extrapolar a faixa entre 116V a 132V por um período
superior a 5 minutos.
O valor da tensão RMS verdadeira é utilizado para a
análise da violação dos limites de tensão. Inicialmente, este
valor é comparado com o limite superior de tensão (132
Volts para o caso de redes de tensão nominal de 127 Volts).
Caso a tensão seja maior que o limite superior, é acionado
um contador do tempo de duração da perturbação, que será
incrementado de 1(um) a cada segundo. Adicionalmente ao
valor de contagem, é guardado o valor máximo da tensão no
momento da ocorrência. No segundo caso, se o valor da
tensão for menor que o limite mínimo de tensão (116 Volts
para tensão nominal de 127 volts), semelhantemente ao
anterior, será acionado um contador de tempo de
perturbação, incrementado de 1 (um) a cada segundo. Neste
caso, é guardado o valor mínimo de tensão registrado no
momento da ocorrência. Finalmente, caso o nível de tensão
esteja normal, dentro da faixa de 116 a 132 Volts, será
analisado se no momento anterior, a tensão estava acima ou
abaixo dos limites estabelecidos. Caso afirmativo é testado
se o tempo é superior que 5 minutos, e caso seja verdadeiro,
este registro é gravado em memória. Se o contador for
inferior a 5 minutos ou se anteriormente a tensão estava
dentro da faixa normal (entre 116 e 132 Volts), o programa
retorna ao escalonador, dando continuidade a monitoração.
D. Tarefa 4 – Avaliação da distorção harmônica
Realiza a amostragem de um período do sinal de tensão da
rede elétrica, armazenando uma posição de memória do
instrumento. Em seguida, é iniciada a transferência destas
amostras para o Computador Central a fim de que o
Software residente no mesmo realiza os cálculos referentes à
distorção harmônica.
IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Para validar o desempenho da unidade de monitoramento
foi montada uma bancada de teste em laboratório ilustrada
na Fig. 3.
Fig. 3. Bancada de testes em laboratório
A Fig. 4 mostra registros de violações e interrupções de
tensão.
4
satisfatório, podendo servir de base para sistemas de
monitoramento em larga escala. Suas funções constituem-se
em ferramentas prontas que poderão ser incorporadas a
outras aplicações na área da qualidade de energia. Testes
realizados preliminarmente em projeto piloto da REDECELPA apontam para resultados dentro das expectativas da
Concessionária.
VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
[2]
[3]
Fig. 4. Registros de ocorrências violações e ocorrências de tensão
[4]
V. CONCLUSÃO
Este artigo apresentou a metodologia empregada para
desenvolvimento de um instrumento para monitoramento da
qualidade de energia para atendimento das resoluções
impostas por órgãos reguladores. O instrumento de baixo
custo, mostrou em testes de laboratório desempenho
[5]
AGÊNCIA Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, resolução nº 24,
de 27 de Janeiro de 2000
DUGAN, R. C.; MCGRANAGHAN, M. F.; BEATY, H. W.
Electrical Power Systems Quality. Ed. McGraw-Hill. 1996. 260 p.
LIMA, W.J.F. Desenvolvimento do protótipo de um instrumento para
monitoração da qualidade em sistemas autônomos com energia
renovável. Belém, 1999, 61p. Dissertação (Mestrado em Engenharia
Elétrica). Universidade Federal do Pará, Centro Tecnológico.
NETO, J. S. R. Aquisição de dados e controle de processos com
microcontroladores. Laboratório de Instrumentação Eletrônica e
Controle/ UFPB. Paraíba, 1999.
MACIEL, J. H. M; et. al. Sistema para o Monitoramento da
Qualidade de Energia Elétrica em Consumidores de Baixa Tensão –
Anais do IV SBQEE. Porto Alegre, agosto 2001.