Modelagem de novos nós lógicos baseados na IEC 61850 através da concepção dos módulos de diagnóstico da degradação e de ações corretivas para aplicação em sistemas de gestão de transformadores de potência

Abstract

Resumo: O avanço tecnológico no desenvolvimento dos circuitos integrados possibilitou o surgimento de novos sistemas de automação em subestações. A automação na geração, distribuição e transmissão de energia avançou, passando de uma abordagem semi-automatizada para totalmente autônoma. A realidade governante é a de que cada vez mais os sistemas de geração, transmissão e distribuição do setor elétrico buscarão a minimização da intervenção humana e a maximização da automação remotamente supervisionada. Integrar os sistemas de monitoramento aos dispositivos eletrônicos inteligentes, desenvolvidos por diferentes fabricantes, tem sido um dos principais desafios das concessionárias de energia elétrica. A carência de integração entre estes sistemas contribui para o aumento significativo do retrabalho profissional que, por sua vez, implica em uma deficiência na qualidade do fornecimento de energia elétrica. Os dispositivos inteligentes, capazes de integrar os sistemas de automação da subestação, comunicam-se através de regras de sintaxe e semânticas chamadas de protocolos de comunicação. Tais protocolos, também foram evoluindo até que se chegou à norma IEC 61850 que objetiva padronizar as comunicações entre dispositivos em subestações e garantir a interoperabilidade dos mesmos. Esta tese (que é parte integrante do projeto de pesquisa e desenvolvimento, entre Copel e USP - P&D Aneel PD 6491-0247/2012) apresenta algumas das implementações de um modelo de monitoramento de transformadores de transmissão e distribuição para a criação de um sistema de gestão destes ativos, cuja topologia foi elaborada com base na IEC 61850. Foram identificados na lista da norma a inexistência de alguns Nós Lógicos LN's e também a carência de novos Grupos de LN's que, podem contribuir de maneira mais prática (sem a utilização de objetos genéricos da norma - GGIO's) e que contribuem de maneira expressiva para o monitoramento do estado deste tipo de ativo, possibilitando para que este trabalho acadêmico contribua para a revisão do capítulo da norma que versa sobre monitoramento e supervisão de transformadores (IEC 61850-7-4) e inaugurando modelos de Diagnostico e Expectativa de sua Vida Útil. Além do mais, propõe novas funcionalidades normatizadas para modelagem de sistemas de gestão de ativos com base na IEC 61850, uma vez que, o grupo de grandezas destes novos LN's tem relevante importância no impacto da degradação do ativo e afetando a sua vida útil. A implementação piloto incorpora camadas de diagnóstico e ações corretivas indicadas pelos prognósticos do sistema integrado de medições (formando uma plataforma de gestão de ativos), pela criação de dois novos Grupos de LN's, baseados no padrão IEC 61850: (B) - Diagnóstico da Degradação do Sistema de Isolamento de Transformadores; (E) - Expectativa de Vida Útil do Sistema de Isolamento de Transformadores, pós ação de recuperação do ativo. Para subsidiar a estrutura dos novos Grupos de LN's foi implementado um sistema piloto de gestão de ativos para dois transformadores da Copel Transmissão e Distribuição (Subestação do Pilarzinho em Curitiba no Paraná), onde utiliza-se uma técnica não invasiva, de exatidão de avaliação da degradação do sistema de isolamento dos transformadores, a chamada Espectroscopia Dielétrica por Corrente de Polarização e Despolarização (PDC) e a Medida de Condutividade do Óleo Isolante (LCM). Também para subsidiar as novas propostas de nós lógicos. Foi implementado também o processo de secagem da parte ativa baseado em filtros moleculares que consiste na remoção seletiva da molécula de água do óleo isolante provocando um desequilíbrio entre a umidade dos materiais isolantes, papel/óleo. Nesta tese foram propostos também dois novos LN's para os grupos (B) e (E) respectivamente: "Degradação do Sistema de Isolamento de Transformadores (papel-óleo) - BIOP", que agrupa Data Objects (novos e existentes) para o monitoramento da degradação sinérgica do meio de isolamento sólido (ex.: papel kraft) e do meio isolante líquido (ex.: óleo mineral, óleo vegetal); e "Vida Útil Remanescente do Sistema de Isolamento de Transformadores - ELTR", que agrupa Data Objects (novos e existentes) para o monitoramento, diagnóstico e gestão da vida útil remanescente do isolamento de transformadores pelo envelhecimento proveniente da ação térmica e da umidade na parte ativa. Tais LN's foram utilizados nos dispositivos eletrônicos inteligentes (IED's) da área piloto do projeto, de forma experimental (utilizando a Unidade Terminal Remota Hadrom Xtorm - da ALTUS, IEC 61850 compatível) e, avaliados e validados, em campo. Esta pesquisa poderá ser submetida ao comitê normativo da IEC de forma que no futuro, os novos grupos de LN's e novos LN's possam ser reutilizados em IEDs, de qualquer fabricante, para sistemas de monitoramento e supervisão de transformadores de potência. Foi utilizada no desenvolvimento desta tese a ferramenta Master Tool Xtorm, também da ALTUS, como ferramenta para a configuração, programação, simulação, depuração e parametrização das funções de monitoramento desenvolvidos. O sistema de gestão de ativos com monitoramento e supervisão baseados no padrão IEC 61850 permite integrar diferentes sistemas, que em conjunto com as novas aplicações apresenta uma evolução na abrangência da aplicação da norma e, portanto, possibilitando sistemas mais completos e que aumentam a eficácia e confiabilidade dos diagnósticos com base no monitoramento de estado e consequentemente, podendo impactar na melhoria da qualidade do gerenciamento de ativos e aumento da eficácia nas ações de manutenção. Palavras-chave: IEC 61850, Nós Lógicos, BIOP, ELTR, Grupos de Nós Lógicos, Monitoramento, Diagnóstico, Vida Útil de Transformadores, Gestão de Ativos, Transformadores de Potência.

Abstract: The technological advance in the development of the integrated circuits allowed the emergence of new automation systems in substations. Automation in distribution, transmission and power generation has advanced from a semi-automated to fully autonomous approach. The reality nowadays is that more and more systems of generation, transmission and distribution of the electric sector will seek to minimize human intervention and maximize remotely supervised automation. Integrating monitoring systems with intelligent electronic devices developed by different manufacturers has been one of the main challenges of electric utilities. The lack of integration between these systems contributes to a significant increase in professional rework, which, in turn, contributes to a deficiency in the quality of electric power supply. Smart devices capable of integrating substation automation systems communicate through syntax rules and semantics called communication protocols. These protocols have also evolved until the IEC 61850 standard has been reached, which aims to standardize communications between devices in substations and ensure their interoperability. This thesis (which is an integral part of the research and development project between COPEL and USP - Aneel P&D - PD 6491-0247 / 2012) presents some of the implementations of a transmission and distribution transformer monitoring model for the creation of a Management of these assets, whose topology was elaborated based on IEC 61850. The lack of some Logical Nodes LN 's and the lack of new LN' s Groups, which can contribute in a more practical way (without the use of generic objects of the standard - GGIO 's), have been identified in the standard list and contribute significantly to The monitoring of the state of this type of asset, enabling this academic work to contribute to the revision of the chapter of the standard regarding monitoring and supervision of transformers (IEC 61850-7-4) and inaugurating models of Diagnosis and Expectation of its Useful Life. In addition, it proposes new standardized functionalities for modeling asset management systems based on IEC 61850, since the group of values of these new LN's has relevant importance in the impact of asset degradation and affecting its useful life . The pilot implementation incorporates diagnostic layers and corrective actions indicated by the prognostics of the integrated measurement system (forming an asset management platform), through the creation of two new LN Groups based on the IEC 61850 standard: Diagnosis of the Degradation of the Isolation System of Transformers; (E) - Life Expectancy of the Isolation System of Transformers, after asset recovery action. In order to subsidize the structure of the new LN's Groups, a pilot asset management system was implemented for two transformers from Copel Transmission and Distribution (Pilarzinho Substation in Curitiba, Paraná), where a non-invasive technique, Degradation of the transformer insulation system, called the Polarization and Depolarization Current Spectroscopy (PDC) and the Insulating Oil Conductivity Measure (LCM). In order to support the structure of new proposals for logical nodes. It was also implemented the drying process of the active part based on molecular filters which consists of the selective removal of the water molecule from the insulating oil causing an imbalance between the moisture of the insulating materials, paper / oil. In this thesis were also proposed two new LN's for groups (B) and (E) respectively: "Degradation of the Transformer Isolation System (paper-oil) - BIOP", which groups Data Objects (new and existing) to monitor the synergistic degradation of the solid insulation medium (eg kraft paper) and the liquid insulation medium ( Mineral oil, vegetable oil); And the "Remaining Lifespan of the Transformer Isolation System - ELTR", which groups Data Objects (new and existing) for the monitoring, diagnosis and management of the remaining life of the transformer insulation by the aging caused by thermal action and humidity in the part Active These LNs were used in the experimental electronic area (IEDs) of the pilot area of the project, using the Hadrom Xtorm Remote Terminal Unit (ALTUS, IEC 61850 compatible) and evaluated and validated in the field. This research can be submitted to the normative committee of the IEC so that in the future, new groups of LN's and new LN's can be reused in IEDs, from any manufacturer, for systems of monitoring and supervision of power transformers. The tool Master Tool Xtorm, also from ALTUS, was used in the development of this thesis as a tool for the configuration, programming, simulation, debugging and parameterization of the monitoring functions developed. The system of asset management with monitoring and supervision based on the IEC 61850 standard allows the integration of different systems, which together with the new applications presents an evolution in the scope of the application of the standard and, therefore, enabling more complete systems that increase the efficiency and Reliability of diagnostics based on state monitoring and consequently, which may impact on improving the quality of asset management and increasing the effectiveness of maintenance actions. Keywords: IEC 61850, Logical Nodes, BIOP, ELTR, Logical Node Groups, State Monitoring, Diagnostics, Life of Transformers, Asset Management, Power Transformers.