Title: PLATAFORMA DE EMBARQUE PARA IMPLEMENTA
1PLATAFORMA DE EMBARQUE PARA IMPLEMENTAÇÃO DE
FUNÇÕES DE CONTROLE DE TEMPO REAL EM REGULADORES
DE TENSÃO UTILIZADOS EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA.
PPgEE - UFRN
Tese de Doutorado
- Doutorando
- José Alberto Nicolau de Oliveira
- Orientador
- Prof. Dr.-Ing. Manoel Firmino de Medeiros Jr.
- Co-orientador
- Prof. Dr. Ivan Saraiva Silva
2Proposta
- Desenvolvimento de uma plataforma de embarque
para automação e controle, em tempo real, de
equipamentos reguladores de tensão, usados em
redes de distribuição de energia elétrica. - Implementação de um circuito que, a partir do
ajuste das tensões de saída de um banco regulador
trifásico, forneça níveis adequados de tensão em
determinados nós de um alimentador.
3Sumário
- Introdução contextualização do problema
- Regulação de tensão
- Sistemas embarcados de tempo real
- Projetos Baseados em Plataforma
- Definição da Plataforma Alvo
- Definição das tensões de regulação baseada na
linearização de parâmetros de sensibilidade
4Sumário
- Avaliação dos efeitos causados, em redes de
distribuição trifásicas, por variações de tensões
impostas nas saídas dos reguladores. - Implementação e teste da Plataforma Alvo
- Conclusão
- Trabalhos publicados
- Dedicatórias e agradecimentos
5Introdução contextualização do problema
- O objetivo primário de qualquer sistema de
distribuição de energia elétrica é garantir
qualidade do fornecimento de energia aos seus
consumidores. - Principais fatores que prejudicam a qualidade
- a regulação da tensão no ponto de entrega de cada
consumidor fora de padrões estabelecidos. - os centelhamentos causados pelas repetitivas e
rápidas mudanças de tensão na rede de
distribuição. - os desbalanceamentos de cargas - responsáveis
pelos desequilíbrios nas tensões entre as fases.
6Introdução contextualização do problema
- Como atenuante a estes problemas, as fornecedoras
de energia elétrica optam por incluir reguladores
de tensão ou bancos de capacitores ao longo do
alimentador. - No entanto, a distribuição destes equipamentos é
fortemente dependente da topologia da rede e
totalmente orientada por exaustivas análises de
fluxos de carga. - Análises estas feitas em suas unidades de
planejamento onde, são consideradas regras
cotidianas previsíveis e mudanças sazonais de
carregamento. - Em geral, carregamentos fixados em todas as
seções do alimentador seguindo padrões similares.
7Introdução contextualização do problema
- No caso do uso de reguladores, ainda são
premissas do engenheiro de planejamento definir - sobre a melhor localização do regulador no
alimentador - que tensão deverá ser mantida em sua saída
- que ajustes devem ser feitos no circuito LDC do
regulador para que se tenha a tensão desejada em
um determinado ponto remoto. - Ressalva o modelo do LDC é o de um circuito
estático simplificado (r jx), definido por
suposições de cargas uniformemente distribuídas,
continuamente violadas e, em curto prazo, não
mais representativas da rede.
8Esquema elétrico de um regulador de tensão
9Regulação de tensão
- Princípios de regulação de tensão
- Modelagem do regulador de tensão
- Lógica de controle dos reguladores de tensão
atuais - Procedimentos atuais de controle dos reguladores
de tensão - Ajustes do LDC em sistemas com regulação remota
- Avaliação dos procedimentos de ajuste do LDC
- Proposições para ajustes da regulação de tensão
em tempo real
10Princípios de regulação de tensão
- Padrões internacionais de regulação de tensão
exigem que os sistemas de distribuição atendam a
seus consumidores com uma tensão dentro de uma
faixa prescrita de valores. - A ANEEL, através da resolução no 505, que dispõe
sobre a conformidade dos níveis de tensão de
energia elétrica em regime permanente, define
que, em condição normal - a tensão de atendimento deve situar-se entre 95
e 105 da tensão nominal de operação do sistema
no ponto de entrega ou de conexão.
11Modelagem do regulador de tensão
V2 V1 IsZs Vs Vd V2 IdZd Vref Vs
Vd / n IL Is Id S1 V1 .Is S2 V2 . IL
ANSI Tipo B
12Lógica de controle dos reguladores de tensão
atuais
- Os controles atuais dos reguladores de tensão
incorporam lógica digital e tecnologia
microprocessada, normalmente de 8 bits,
associadas a um conversor A/D. - A lógica de controle de operação é disparada
sempre que a tensão medida no TP do regulador
apresentar um valor fora de uma faixa
pré-estabelecida de tensões de ajuste. - Por exemplo, entre 119 V e 121 V para uma tensão
de base 120 V e uma largura de faixa de 2 V
13Procedimentos atuais de controle dos reguladores
de tensão
- 1. se a tensão no TP mover-se para um nível fora
da faixa, a amostra do sinal, em formato digital,
é fornecida ao ?P - 2. o ?P, reconhecendo esta condição de tensão,
dispara um circuito de tempo de retardo (tr) de
30 s - 3. durante o tr, a tensão continua sendo medida.
Se mover-se para a faixa, a operação de ajuste é
encerrada. - 4. persistindo a condição fora de faixa, ao
término do tr, uma mudança de tap é iniciada - 5. após a mudança de tap, é feita uma pausa de 2
s. Após essa pausa, se a tensão ainda estiver
fora da faixa, outra mudança de tap é iniciada.
Este procedimento se repete até que a tensão
volte para a faixa.
14Ajustes do LDC em sistemas com regulação remota
- Fórmulas sugeridas pela Cooper Power System, para
ajuste de R e X do LDC - Onde
- Rs e Xs são a resistência e a reatância do LDC em
Volts - RL e XL são a resistência e a reatância da linha
em Ohms - Ict é a corrente nominal primária do TC em
Ampères e - ntp é a relação de transformação do TP
15Avaliação dos procedimentos de ajustes do LDC
- Influencia negativamente no desempenho do
regulador já que leva em conta apenas as quedas
de tensão resistiva e reativa do regulador até o
ponto de regulação. - Pressupõe o sistema equilibrado e que os
transformadores presentes no alimentador
funcionam em sua capacidade nominal. - Como não utiliza um fluxo de carga, faz uma
aproximação considerando a carga total em um
ponto médio, o que na prática, leva a erros de
dimensionamento.
16Proposições para ajustes da regulação de tensão
em tempo real
- O ajuste de tensão ideal seria aquele que fizesse
com que todas as tensões do alimentador, a
jusante do regulador, se igualassem as suas
tensões nominais, mas, tecnicamente inviável. - Entretanto, segundo Medeiros e Pimentel, será
possível, através da otimização de uma função
objetivo, elevar o perfil de tensão,
aproximando-o do perfil regular nominal. - Para tal, torna-se necessário embarcar, no
regulador, todas as informações da rede que
viabilizem, em tempo real, a execução de cálculos
de fluxo de carga e de estimação de estado. Opção
imaginada, a priori, com sérias restrições
espaciais e temporais.
17Proposições para ajustes da regulação de tensão
em tempo real
- A alternativa apresentada é de se obter, off
line, a partir de cálculos de fluxos de cargas,
dados que caracterizem o comportamento de um
alimentador, quando submetido a variações de
tensão ou de carga, que possam ser relacionados a
parâmetros de sensibilidade das grandezas da rede
e que viabilizem o embarque, no regulador, de um
algoritmo de ajuste de tensão em tempo real. - Embora os reguladores possam fornecer medições de
corrente e tensão em tempo real, buscou-se
controlar o perfil de tensão da rede a partir,
apenas, de medições de tensão.
18Sistemas embarcados de tempo real
- Conceitos gerais
- Requisitos e definição do RTOS
- Quadros comparativos de RTOS
19Conceitos gerais
- Um sistema de tempo real (RTS) se caracteriza por
interagir continuamente com o seu ambiente,
enviando respostas, em prazos específicos, a
estímulos de entrada (sistema computacional
reativo). - O atendimento desses prazos exige que um RTS e o
seu RTOS apresentem requisitos precisos de
natureza temporal onde, o seu funcionamento
dependa não só da integridade dos resultados
obtidos, precisão lógica, como também do tempo em
que eles são produzidos, precisão temporal. - Uma reação que ocorra além do prazo especificado
pode ser sem utilidade ou até representar uma
ameaça iminente.
20Requisitos e definição do RTOS
- Na escolha do RTOS considerou-se, principalmente,
requisitos que garantissem que a aplicação se
comportasse como um sistema de tempo real crítico
seguro a falhas, onde, o mais importante era a
previsibilidade e não a rapidez de cálculo. - Outras funcionalidades, tais como escalonamento
de tarefas e threads, tipo de scheduler,
mecanismos de comunicação e sincronização entre
tarefas, tratamento otimizado de interrupções e
ports p/ processadores alvo reconfiguráveis
influenciaram fortemente na escolha do RTOS. - Os RTOS analisados foram o eCos, o Salvo, o µC/OS
II e o CMX-RTX. Optando-se pelo µC/OS II.
21Quadros exemplos, comparativos de RTOS
Custo de Desenvolvimento Custo de Desenvolvimento Principais processadores alvo Principais processadores alvo
eCos 0 US 5,000 eCos Intel x86, ARM, MIPS, ...
Salvo 0 US 800 Salvo Intel x86, PIC, TMS
µC/OS-II US 75 µC/OS-II Intel x86, ARM, MIPS, PIC, ... NIOS, MicroBlazer (reconfig.)
CMX-RTX Varia, inicia em 2,000 CMX-RTX Sim (ARM)
Quantidade de ROM para o Kernel (min, max) Quantidade de ROM para o Kernel (min, max) Quantidade de RAM para o Kernel (min, max) Quantidade de RAM para o Kernel (min, max)
eCos 1.250 bytes, 300 kbytes eCos 600 bytes, dep. da aplicação
Salvo 1 kbyte, 2 kbytes Salvo 50 a 100 bytes
µC/OS-II 5 kbytes, 20 kbytes µC/OS-II 300 bytes, 2 Kbytes
CMX-RTX 1 kbyte, 6 kbytes CMX-RTX 512 bytes, 2 kbytes
22Projetos Baseados em Plataforma (PBP)
- Conceito e orientações gerais
- Estratégias de Projetos Baseados em Plataforma
- Metodologia de PBP centrada no meio de
comunicação Avalon - Definição da Plataforma Alvo
23Conceitos e orientações gerais
- Pelas orientações atuais, para se ter alta
produtividade e atender tempo de mercado, um
projeto dedicado, para um certo domínio de
aplicações, deve ser um PBP. - Surge aí o dilema da 1ª geração onde, uma
plataforma está sendo pensada para um conjunto
futuro de aplicações às quais, possam ser
consideradas baseadas nesta plataforma. - Um 1º PBP não se limita a escolher e mapear IPs.
Ele inclui o estudo da arquitetura e dos seus
módulos construtivos onde, o comportamento
global, a modelagem e as garantias de desempenho
são críticos e devem ser bem avaliadas.
24Conceitos e orientações gerais
- A metodologia de PBP propõe uma arquitetura de
co-design específica para um certo domínio de
aplicações, que - abstraia do projetista seus detalhes
construtivos - que seja altamente parametrizável
- que permita elevado grau de personalização
- e que enfatize o reuso de blocos previamente
projetados e validados, denominados de ip cores
(núcleos de propriedade intelectual).
25Estratégias de Projetos Baseados em Plataforma
- Dentre as estratégias de PBP destacam-se
- a baseada em padrões de barramentos, centrada no
meio de comunicação (bus-centric) - a baseada na interface de comunicação
(core-centric) e - a baseada na adaptação da interface por uso de
wrappers. - Estas duas últimas, não dependentes do
barramento. - Optou-se pela 1ª estratégia e os padrões de
barramentos analisados foram o CoreConnect, o
AMBA e o Avalon. Optando-se pelo Avalon.
26Metodologia de Projeto Baseado em Plataforma
centrada no meio de comunicação Avalon
- O padrão Avalon é uma arquitetura simples, de
barramento único, o Avalon Switch Fabric, de alta
performance, projetado para acomodar
processadores da família NIOS e periféricos
on-chip ou externos, em um ambiente SOPC. - Suas especificações definem transferências de
dados entre componentes mestres e escravos onde,
qualquer periférico mestre pode se conectar a
qualquer periférico escravo e a largura dos dados
é feita automaticamente (podendo chegar até 128
bits).
27Metodologia de Projeto Baseado em Plataforma
centrada no meio de comunicação Avalon
28Definição da Plataforma Alvo
29Definição das tensões de regulação baseada na
linearização dos parâmetros de sensibilidade
- Análise das tensões de regulação baseada na
linearização dos parâmetros de sensibilidade - Cálculo dos parâmetros de sensibilidade
- Validação dos parâmetros de sensibilidade
- Algoritmo proposto para ajuste da tensão de
regulação com o uso dos parâmetros de
sensibilidade - Validação do algoritmo de ajuste da tensão de
regulação com o uso dos parâmetros de
sensibilidade - Interface gráfica GUI_DdAjuste
- Módulo digital para simulação e ajuste da tensão
de saída de um regulador monofásico
30Análise das tensões de regulação baseada na
linearização dos parâmetros de sensibilidade
- A partir de cálculos de fluxos de carga
realizados em alimentadores radiais de
distribuição de energia elétrica reais
constatou-se que - para condições fixas de carga, uma variação na
tensão de saída de um regulador se reflete,
linearmente, para todos os nós localizados a
jusante. Ou seja - Neste caso, a tensão estimada em um nó regulado
j, em decorrência de uma medição de tensão no nó
regulador i, será dada por
31Análise das tensões de regulação baseada na
linearização dos parâmetros de sensibilidade
- para uma condição fixa de tap de um regulador
(?Vit 0) e excursões de carregamento no
intervalo usual da curva de carga diária, as
tensões nos nós, variam linearmente com a carga.
Ou seja e - Também neste caso, relacionando a tensão estimada
em um nó j, em decorrência de uma medição de
tensão no nó regulador i, se obtém - ou seja
32Análise das tensões de regulação baseada na
linearização dos parâmetros de sensibilidade
- Constata-se portanto que
- com o monitoramento apenas da tensão de saída do
regulador, através da medição da tensão fornecida
pelo TP, será possível estimar a tensão em
qualquer nó a jusante - a estimativa da tensão em um nó remoto pode ser
obtida levando-se em conta apenas o parâmetro de
sensibilidade que relaciona as tensões no nó
remoto e no nó regulador - é dispensável a presença de qualquer circuito
compensador de queda de linha.
33Análise das tensões de regulação baseada na
linearização dos parâmetros de sensibilidade
34Análise das tensões de regulação baseada na
linearização dos parâmetros de sensibilidade
35Cálculo dos parâmetros de sensibilidade
- A derivada parcial da tensão em um nó j, em
relação à tensão em outro nó i, situado à
montante, foi calculada isolando-se a tensão Vj
na equação biquadrada - e derivando-a em relação a Vi
- onde
36Cálculo dos parâmetros de sensibilidade
- A derivada parcial da tensão em um nó j, em
relação ao fator de carregamento foi calculada, a
partir das equações - representativas das potências-somas nos nós,
- derivando-as em relação a Fc
- obtendo-se
37Validação dos parâmetros de sensibilidade
- Para validar o uso dos parâmetros de
sensibilidade, na definição do novo perfil de
tensão de um alimentador, em resposta a uma
variação de tensão ou de carregamento, foram
feitas algumas análises em alimentadores reais - Num primeiro exemplo de análise, foram levantados
os perfis de tensão após uma elevação de tensão. - Num segundo exemplo de análise, foram levantados
os perfis de tensão, depois de determinados
aumentos de carga.
38Validação dos parâmetros de sensibilidade
O erro máximo foi de 0,7 para uma elevação
aproximada de 15
39Validação dos parâmetros de sensibilidade
O erro máximo foi de 3,0 para um aumento do
carga de 50,0
40Algoritmo para ajuste da tensão de regulação com
o uso dos parâmetros de sensibilidade
- Monitorizar a tensão de saída do regulador até
perceber uma variação de tensão superior a um
degrau de tensão - Estimar a tensão de saída do regulador para que a
condição anterior à variação seja obtida - Estimar os degraus, relativos a posição atual do
tap, a elevar ou rebaixar - Analisar o impacto de uma mudança de tap no
perfil de tensão do alimentador - Enviar comando para uma mudança de tap, caso
nenhuma restrição tenha sido violada - Redefinir o perfil de tensão da rede
- Voltar a executar o procedimento 1.
41Validação do algoritmo de ajuste da tensão de
regulação com o uso dos parâmetros de
sensibilidade
- Para validar o algoritmo de ajuste da tensão de
regulação, com os parâmetros de sensibilidade,
foram implementados - uma interface gráfica, projetada no ambiente do
MatLab com o nome de GUI_FdAjuste - um módulo digital, no ambiente de desenvolvimento
Simulink MatLab, com o DSP Builder, que permite
ajustar a tensão de saída de um regulador e
simular o seu comportamento em tempo de operação.
42Interface gráfica GUI_FdAjuste
43Interface gráfica GUI_FdAjuste
44Diagrama de blocos do módulo digital para
simulação e ajuste da tensão de saída de um
regulador monofásico
45Implementação do módulo digital para simulação e
ajuste da tensão de saída de um regulador
monofásico
46Implementação do módulo digital para simulação e
ajuste da tensão de saída de um regulador
monofásico
47Implementação do módulo digital para simulação e
ajuste da tensão de saída de um regulador
monofásico
48Implementação do módulo digital para simulação e
ajuste da tensão de saída de um regulador
monofásico
49Implementação do módulo digital para simulação e
ajuste da tensão de saída de um regulador
monofásico
50Avaliação dos efeitos causados por variações de
tensões impostas nas saídas dos reguladores.
- Em um banco regulador trifásico, em configuração
Estrela Aterrada a amostra da tensão é sobre uma
tensão de fase e a atuação do regulador é sobre
uma tensão de fase. - Em bancos reguladores em Delta ou em Delta
Aberto, o mesmo não acontece, a amostra da tensão
é sobre uma tensão de linha, e a atuação é sobre
uma tensão de fase.
51Banco regulador trifásico em configuração Estrela
Aterrada.
Obs para simplificar a figura, o controle é
mostrado em apenas uma das derivações.
52Bancos reguladores trifásicos em configurações
Delta e Delta Aberto.
Delta
Delta Aberto
Obs para simplificar as figuras, os controles
são mostrados em apenas uma das derivações.
53Avaliação dos efeitos causados por variações de
tensões impostas nas saídas dos reguladores.
- Como reflexo desta 2ª constatação, foi feito um
estudo do comportamento apresentado por um
alimentador real quando submetido a ações de um
banco regulador trifásico. - Como condições de operação se considerou o
alimentador - com uma carga ativa de 50 de potência constante
e 50 de impedância constante - com uma carga reativa de 100 de impedância
constante - e sendo regulado por um banco regulador trifásico
em configuração Delta. - Nas análises foram realizados cálculos exatos de
fluxo de carga considerando diferentes
modalidades de atuação do banco regulador.
54Modalidades de atuação do banco regulador
- Caso base, com tap 0, para o alimentador
equilibrado, com carregamento nominal 50 do
carregamento nominal e 150 do carregamento
nominal. - Atuação de um degrau de tensão nos três
reguladores para as mesmas situações colocadas em
1. - Atuação de um degrau de tensão em apenas um
regulador para as mesmas situações colocadas em
1. - Atuação em tap livre, em apenas um regulador para
as mesmas situações colocadas em 1. - Caso base, tap 0, para o alimentador
desequilibrado, com carregamento nominal, 50 do
carregamento nominal e 150 do carregamento
nominal. - Atuação em tap livre, em apenas 1 regulador para
as mesmas situações colocadas em 5.
55Avaliação dos efeitos causados por variações de
tensões impostas nas saídas dos reguladores.
- Alguns resultados obtidos para o nó 10, onde
existe um transformador trifásico para
fornecimento de energia em baixa tensão, podem
ser vistos nas tabelas - 1 (para 50 do carregamento nominal)
- 2 (para carregamento nominal) e
- 3 (para 150 do carregamento nominal).
56Tabela 1.
Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10
Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal Carregamento 50 do nominal
Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões no secundário de baixa (V) Tensões no secundário de baixa (V) Tensões no secundário de baixa (V) Desequilíbrio entre fases Desequilíbrio entre fases Desequilíbrio entre fases
Ref Fases AB Fases BC Fases CA Fase A Fase B Fase C B-A C-B A-C
1 12,7922 12,8662 12,824 203,3715 204,5475 203,8768 1,176 -0,6707 -0,5053
2 12,9106 12,9854 12,9422 205,2544 206,4421 205,7559 1,1877 -0,6862 -0,5015
3 12,8704 12,8686 12,8618 204,615 204,5854 204,4779 -0,0296 -0,1075 0,1371
4 13,2229 12,879 13,0365 210,2186 204,7526 207,2543 -5,466 2,5017 2,9643
5 12,4853 13,0474 12,991 198,4953 207,4262 206,531 8,9309 -0,8952 -8,0357
6 12,9919 13,064 13,2268 206,5479 207,6932 210,2784 1,1453 2,5852 -3,7305
7 0 0 0 0 0 0
8 0,0092556 0,0092646 0,0092171 0,0092584 0,0092624 0,0092168
9 0,0061131 0,0001865 0,0029476 0,0061144 0,0001853 0,0029483
10 0,0336690 0,0009949 0,0165705 0,0336679 0,0010027 0,0165664
11 0 0 0 0 0 0
12 0,040576 0,001272 0,018151 0,040568 0,001287 0,018144
57Tabela 2.
Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10
Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal Carregamento nominal
Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões no secundário de baixa (V) Tensões no secundário de baixa (V) Tensões no secundário de baixa (V) Desequilíbrio entre fases Desequilíbrio entre fases Desequilíbrio entre fases
Ref Fases AB Fases BC Fases CA Fase A Fase B Fase C B-A C-B A-C
1 10,5737 10,7715 10,6338 182,8011 185,0892 183,5046 2,2881 -1,5846 -0,7035
2 10,6826 10,8811 10,7416 184,5056 186,81 185,1964 2,3044 -1,6136 -0,6908
3 10,6434 10,7794 10,6647 183,9128 185,1778 184,0044 1,265 -1,1734 -0,0916
4 11,6136 10,8797 11,1211 199,4204 186,3135 191,3888 -13,1069 5,0753 8,0316
5 9,7135 11,1877 11,1652 172,7983 190,1915 189,2706 17,3932 -0,9209 -16,4723
6 10,9563 11,3309 11,6226 192,4214 191,797 197,1487 -0,6244 5,3517 -4,7273
7 0 0 0 0 0 0
8 0,010299 0,010175 0,010137 0,009324 0,009297 0,009219
9 0,006592 0,000733 0,002906 0,006081 0,000479 0,002724
10 0,098348 0,010045 0,045826 0,090915 0,006615 0,042965
11 0 0 0 0 0 0
12 0,127946 0,0128 0,040967 0,113561 0,008441 0,041623
58Tabela 3.
Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10 Análise no nó 10
Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal Carregamento 150 do nominal
Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões de linha do alimentador (kV) Tensões no secundário de baixa (V) Tensões no secundário de baixa (V) Tensões no secundário de baixa (V) Desequilíbrio entre fases Desequilíbrio entre fases Desequilíbrio entre fases
Ref Fases AB Fases BC Fases CA Fase A Fase B Fase C B-A C-B A-C
1 9,9369 10,1577 9,9993 157,9783 161,4897 158,9759 3,5114 -2,5138 -0,9976
2 10,0305 10,252 10,0918 159,4629 162,9856 160,4414 3,5227 -2,5442 -0,9785
3 9,9939 10,169 10,0241 158,8838 161,6681 159,3686 2,7843 -2,2995 -0,4848
4 11,8088 10,4707 10,8683 187,7352 166,4622 172,7866 -21,273 6,3244 14,9486
5 8,6263 10,5688 10,6444 137,1461 168,0303 169,2157 30,8842 1,1854 -32,0696
6 10,4662 10,8538 11,1126 166,3984 172,5602 176,6608 6,1618 4,1006 -10,2624
7 0 0 0 0 0 0
8 0,0094194 0,0092836 0,0092507 0,0093975 0,0092631 0,0092184
9 0,0057362 0,0011125 0,0024802 0,0057318 0,0011047 0,0024702
10 0,1883787 0,0308141 0,0869061 0,0532991 0,0685524 0,1112426
11 0 0 0 0 0 0
12 0,2132896 0,0269662 0,0439856 0,213293 0,0269588 0,0439977
59Avaliação dos efeitos causados por variações de
tensões impostas nas saídas dos reguladores.
- O que de mais importante se observou foi que
- ao ser constatada a necessidade de mudança de tap
em 1 regulador, caso se atue igualmente em todos
os reguladores do banco, as condições
diferenciais ou relativas das tensões de linha e
das tensões de fase atuais se mantêm. - Ou seja, se o sistema está equilibrado ele se
manterá equilibrado, se estiver desequilibrado,
ele se manterá igualmente desequilibrado. - Percentualmente, não existem alterações
significativas nas condições de operação (como se
pôde ver na linha Ref 9).
60Avaliação dos efeitos causados por variações de
tensões impostas nas saídas dos reguladores.
- O que de mais importante se observou foi que
- ao ser constatada a necessidade de mudança de tap
em 1 regulador, caso se atue apenas nele as
condições diferenciais ou relativas das tensões
de linha e das tensões de fase atuais de operação
do sistema, são imprevisíveis. - Pode-se ou não melhorar as condições de
equilíbrio e de diferenças entre fases embora, na
maioria das vezes, existam maiores tendências de
melhora.
61Estratégia para atuação no ajuste das tensões de
saídas dos reguladores.
- Proposição
- estando operando em tempo real, se obtêm os
melhores resultados se a atuação no banco
regulador for regida numa visão de otimização do
nível de tensão e do melhor equilíbrio de tensão
entre as fases
62Implementação e teste da plataforma alvo
- Projeto do núcleo de ajuste das tensões de saída
de um banco regulador trifásico - Incorporação do núcleo de ajuste de tensão no
SOPC Builder - Projeto e desenvolvimento da unidade complementar
de controle - Compilação, síntese e análise da unidade
complementar de controle - Programações usadas para teste da unidade de
controle - Programação do ?C PIC
- Programação da CPU NIOS II
63Projeto do núcleo de ajuste das tensões de saída
de um banco regulador trifásico
64Projeto do núcleo de ajuste das tensões de saída
de um banco regulador trifásico
65Projeto do núcleo de ajuste das tensões de saída
de um banco regulador trifásico
66Projeto e desenvolvimento da unidade complementar
de controle
67Unidade complementar de controle construída no
SOPC Builder
68Compilação, síntese e análise da unidade
complementar de controle
69Compilação, síntese e análise da unidade
complementar de controle
70Esquemático da Unidade Complementar de Controle
71Circuito RTL, da Unidade Complementar de
Controle, gerado pelo RTL Viewer
72Programações usadas para teste da unidade de
controle
- Optou-se por uma estratégia de programação com
divisão de tarefas entre o ?C PIC e a CPU NIOS
II. - No ?C PIC foram executadas as tarefas de
- amostra dos sinais analógicos de tensão presentes
na saída da interface TP/MicrocontroladorPIC - conversão destes sinais analógicos em sinais
digitais - cálculo do somatório do quadrado das tensões
instantâneas amostradas durante cada meio-ciclo - colocação dos valores calculados à disposição da
unidade complementar de controle e de gerar um
pedido de interrupção a CPU NIOS II após cada
finalização de cálculo.
73Programação do microcontrolador PIC.
vmax
Tensão vAB
Tensão vBC
Tensão vCA
T7
T1
T2
T3
T4
T5
T6
Para cada meio-ciclo são feitas 122 amostras.
- Na conversão A/D de 10 bits considerou-se que
- uma tensão de 5 V equivaleria a uma excursão
máxima da tensão de - linha de 537,4 V (valor de pico de um sinal de
tensão de 380 Vrms) - 5 V equivaleriam a um valor digital igual a
1.023 (11 1111 11112).
74Programação do microcontrolador PIC.
- O cálculo deste somatório
- viabiliza que a comunicação do ?C PIC com o NIOS
II só venha a ocorrer a cada 11,11 ms e que o
tempo de execução de qualquer programa crítico no
NIOS II possa ser de até 33,33 ms, que é o tempo
de 3 conjuntos de amostras - simplifica o cálculo do valor rms, a ser feita
pelo NIOS, dado por - ou, tratando-se de sinais digitalizados, dado por
onde, N é o número de
amostras na janela de
cálculo e vi é a tensão amostrada no instante i.
75Formatação da palavra enviada pelo
Microcontrolador PIC.
Pino Pinos Pinos Pinos Pinos Pinos Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0
RA2 RA5 e RA4 RA5 e RA4 RE2 a RE0 RE2 a RE0 RE2 a RE0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RD7 a RD0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RC7 a RC0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0 Pinos RB7 a RB0
Sinal 01 vAB 01 vAB 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo
Int 10 vCA 10 vCA 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo
11 vBC 11 vBC 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo 27 bits para armazenamento do somatório das tensões amostradas em cada meio ciclo
76Programação da CPU NIOS II
- O programa escrito para o NIOS II teve como
objetivos - criar as tarefas de tempo real, definindo pilhas,
prioridades e semáforos necessários as operações
de tempo real - declarar as variáveis de dados requisitadas pelo
módulo de ajuste de tensão ou pelo hardware de
acesso ao kit de desenvolvimento utilizado
(Cyclone Edition da Altera) - permitir acompanhar a execução do programa
residente no FPGA através do microcomputador, via
interface JTAG
77Programação da CPU NIOS II
- O programa escrito para o NIOS II teve como
objetivos - reconhecer pedidos de interrupção na borda de
subida de sinais gerados a partir do kit de
desenvolvimento - implementar o algoritmo de ajuste das tensões de
saída de um banco regulador trifásico,
controlando a passagem de semáforos entre as
tarefas de tempo real - enviar comandos de simulação de ajuste de taps.
- atualizar variáveis representativas dos novos
perfis de tensão.
78Algoritmo para teste da Unidade Complementar de
Controle
- aguarda até que ocorra pedido de interrupção de
hardware - lê somatório das tensões amostradas (vAB, vCA ou
vBC) - complementa o cálculo do seu valor eficaz.
- se as condições de tensões estiverem fora da
faixa de regulação ótima, executa o procedimento
5, se não volta ao procedimento 1. - inicia contagem do tempo de retardo
- aguarda novos pedidos de interrupção
- busca novos valores das amostras das tensões
- complementa o cálculo dos seus valores eficazes.
79Algoritmo para teste da Unidade Complementar de
Controle
- se as tensões voltarem a faixa de regulação
ótima, encerra o tempo de retardo, encerra o
processo de ajuste e volta a 1. Caso contrário,
enquanto não termina o tempo de retardo, volta a
6. Após o tempo de retardo, vai para 10 - estima quantos degraus devem ser elevados ou
rebaixados - simula, para as mudanças de taps, novos perfis de
tensão, verificando, no ponto de regulação, quais
as posições de taps que garantem tensões dentro
da faixa e melhores condições de equilíbrio entre
as tensões de fase. - envia, com base nas simulações feitas em 11,
comandos para mudanças de taps. Aguarda 2 s.
Durante este tempo recalcula e armazena o novo
perfil de tensão do alimentador. Após os 2 s,
volta a 6
80Conclusão
- Resultados e produtos obtidos
- Ressalvas
- Trabalhos futuros
81Resultados e produtos obtidos
- Comprovação da eficácia do ajuste das tensões de
regulação em um alimentador, com base na
linearização dos parâmetros de sensibilidade - Controle, em tempo real, da tensão em um nó
qualquer de um alimentador a partir da amostra da
tensão de saída do regulador e dos parâmetros de
sensibilidade que definem as derivadas parciais
da tensão de cada nó a jusante, em relação à
tensão de saída do regulador. - Correção, em tempo real, de desequilíbrios de
tensão no ponto de regulação.
82Resultados e produtos obtidos
- Desenvolvimento de uma interface gráfica no
ambiente de programação do MatLab, para
simulações das tensões de regulação e do perfil
de tensão de alimentadores - Implementação de um módulo digital, no ambiente
de desenvolvimento Simulink/MatLab com o DSP
Builder, para simulação do comportamento dinâmico
de reguladores de tensão monofásicos - Eliminação do bloco LDC, possibilitando a redução
dos custos de construção, de operação e de
manutenção dos reguladores de tensão
83Resultados e produtos obtidos
- eliminação de custos e eventuais transtornos com
deslocamentos de pessoal - redução nos indesejáveis desligamentos da rede e
freqüentes operações periculosas - Desenvolvimento e implementação de uma plataforma
de embarque para reguladores de tensão - Implementação de um núcleo embarcado para ajuste
das tensões de saída de bancos reguladores
trifásicos - Incorporação de saídas de transferência de dados
padrões e de cartão de memória flash.
84Ressalvas
- A falta de uma bancada de testes com reguladores
impediu fazer algumas avaliações que pudessem
apontar conclusivamente para a sua aplicabilidade
prática e de implementação em escala industrial - A plataforma foi desenvolvida pensando-se
exclusivamente no seu embarque em reguladores,
no entanto, ela é adaptável a qualquer
equipamento de potência que possua ou que permita
a inclusão de transformadores de potencial
85Ressalvas
- Embora não tenha sido possível acessar dados da
memória flash externa, a inclusão de um cartão
compact flash permitirá que se atualize, com uma
simples troca de cartão, por exemplo, as
características de um alimentador - Embora a concepção do Núcleo de Ajuste de Tensão
tenha sido pensada para que, no final do
trabalho, ele fosse disponibilizado como um
núcleo de propriedade intelectual, entende-se,
que a sua descrição, validação e normalização
ainda não sejam suficientes para caracterizá-lo
como um IP
86Ressalvas
- Nos ajustes de tensão foram utilizados tempos de
espera iguais aos utilizados pelas
concessionárias de energia elétrica, mantendo a
atuação do regulador ainda muito lenta. - A comparação do tempo de espera, que é de 30 s,
com o tempo máximo de execução do algoritmo de
ajuste, que é de 33,33 ms, aponta para a
necessidade de uma revisão na política de
operação do regulador - Recursos adicionados à plataforma, como o RTOS e
o NIOS II, parecem estar além dos objetivos
requeridos pela aplicação mas, suas presenças são
plenamente justificadas, quando avaliadas na
perspectiva da pesquisa científica.
87Trabalhos futuros
- Substituição do algoritmo de ajuste com
parâmetros de sensibilidade por um programa de
cálculo de fluxo de carga - Embarque de rotinas de programas ou núcleos
dedicados, especificamente projetados para
monitorizar grandezas relativas à operação do
equipamento, indispensáveis a uma avaliação da
sua vida útil - Desenvolvimento de novos núcleos funcionais para
a plataforma, tais como transmissores e
receptores de dados e/ou IP GPS.
88Trabalhos futuros
- Implementação de uma bancada de testes que
permita se avaliar, na prática, o comportamento
de bancos reguladores trifásicos, após ajustes de
tensão e de carregamento - Implementação de um sistema, com comunicação com
o TOpReDE, que permita simular, no ambiente
Matlab/ Simulink, o comportamento de bancos
reguladores trifásicos, usando, segundo a
topologia, 2 ou 3 módulos de ajuste.
89Publicações
- MEDEIROS JÚNIOR, M. F. de et al. Análise
tecno-econômica da correção do perfil de tensão
de alimentadores de média tensão. In II CITENEL.
2003. Salvador. - OLIVEIRA, J. A. N. de et al. IP core for
regulation voltage adjustment in electric energy
distribution systems. In IP-SOC 2005. Grenoble. - OLIVEIRA, J. A. N. de et al. Embedded platform
and Ip Core for adjustment off regulation voltage
in electric energy distribution systems. In VII
INDUSCON. 2006, Recife. - OLIVEIRA, J. A. N. de et al. A system to simulate
the behavior of distribution system voltage
regulators with embedded software IP control. In
IEEE PES. Caracas 2006.
90Publicações
- PIMENTEL FILHO, M. C. et al. Linearização dos
parâmetros de sensibilidade tensão X tensão e
tensão X carregamento para regulação remota em
alimentadores de média tensão. In VII INDUSCON.
Recife. 2006. - PIMENTEL FILHO, M. C. et al. Three-phase models
of voltage regulators for the power summation
load flow. In VI INDUSCON. Joinville. 2004. - RAMOS, K. D. N. et al. Projeto baseado em reuso
implementação de um IP de processador didático em
FPGA com interface OCP. In X IBERCHIP.
Cartagena de Indias, Colombia. 2004.
91? ... !
92Dedico este trabalho
- a minha esposa Célia, uma grande mulher e uma
companheira maravilhosa - ao meu pai Nicolau, in Memoriam, um homem
extraordinariamente bom - a minha mãe Maria, uma mulher de fibra
- ao meu irmão Ivo, por alguns anos, um segundo
pai - a minha irmã Socorro, uma pilastra nos momentos
mais difíceis - a minha irmã Vanda, sempre uma grande amiga e
- com muito carinho, aos meus filhos Leonardo,
Leandro e Mariana na esperança de que lhes possa
servir de exemplo e incentivo futuro.
93Agradecimentos
- A Deus, por me proporcionar tantos momentos, como
este, de regozijo, esperança e felicidade. - Aos meus familiares, com um pedido de perdão
pelos momentos em que estive ausente. Sem eles eu
não realizaria este sonho. - Ao professor, parceiro e amigo Manoel Firmino por
este tema de tese maravilhoso, pelas orientações
precisas e pela oportunidade dada de compartilhar
de sua integridade e de sua competência
profissional. - Ao professor e amigo Ivan Saraiva, por todo apoio
e ajuda prestada.
94Agradecimentos
- Ao amigo Marcos Dias, pelo apoio e pelos
inestimáveis esclarecimentos. - Ao meu amigo e colega Max Chianca, cuja ajuda
permitiu que muitas barreiras fossem
ultrapassadas. - Aos amigos professores do DEE e do DCA pela
motivação e pelo carinho demonstrado em toda esta
minha trajetória. Em particular, agradeço aos
amigos das muitas sextas-feiras, aos quais, dou
um grande e afetuoso abraço. - In Memoriam, a Bimbo, amigo, colega e
incentivador de todas as horas.
95Agradecimentos
- Aos funcionários do DEE, do DCA e do PPgEE pelo
apoio recebido. - Aos alunos do curso de graduação e de
pós-graduação em Eng. Elétrica e, em particular,
aos da base, pela ajuda recebida e pelo amigável
convívio e exercício acadêmico. - A Soraya, secretaria da base de pesquisa pelas
traduções realizadas. - Aos funcionários da Biblioteca Central e a
professora Rildeci Medeiros pelas orientações e
disponibilidade na normalização deste texto. - Enfim, a todos que, direta ou indiretamente,
contribuíram com a realização deste trabalho.