Sistema localizador de defeitos por ondas viajantes para linhas de transmissão

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0805742-7 A2
  • Data do depósito:
  • 19/12/2008
  • Data da publicação:
  • 28/09/2010
Inventores:
  • Classificação:
  • G01R 31/08
    Disposi??es para teste das propriedades el?tricas; Disposi??es para localiza??o de defeitos el?tricos; Disposi??es para teste el?trico caracterizados pelo que est? sendo verificado, n?o inclu?da em outro local; / Localiza??o de falhas em cabos, linhas de transmiss?o, ou redes;
    ;
    H02H 7/26
    Sistemas de circuitos de prote??o de emerg?ncia especialmente adaptados a tipos espec?ficos de máquinas ou aparelhos el?tricos ou para prote??o parcial de sistemas de cabos ou linhas, efetuando tamb?m uma liga??o autom?tica no caso de uma mudan?a indesej?vel das condi??es normais de funcionamento; / Prote??o parcial de sistemas de cabo ou linha, p. ex. para desligar uma se??o na qual ocorreu um curto circuito, um defeito de liga??o ? terra ou uma descarga de arco;
    ;
    G01S 11/00
    Sistemas para determina??o da dist?ncia ou da velocidade sem o uso da reflex?o ou da reirradia??o;
    ;

O SISTEMA LOCALIZADOR DE DEFEITOS POR ONDAS VIAJANTES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO, notadamente de energia elétrica, o qual localiza pontos de falha em linhas de transmissão através de teoria dos fenômenos das ondas viajantes. Esse sistema utiliza tecnologia distribuída baseada em módulos independentes conectados por cabos de fibra óptica a uma central de análise. Essa instalação é mais imune a ruídos e problemas de compatibilidade eletromagnética, em geral, mais simples, mais segura e de menor custo de instalação. Implementa um sistema de leitura de ondas viajantes de baixo custo e alta precisão, viabilizado pelo uso de relógio oscilador (cristal) de baixo custo e por um sistema simplificado de detecção de ondas viajantes associado a um mecanismo preciso de gravação de sinais no tempo. É capaz de localizar defeitos de alta impedância (que são de difícil detecção) e oferece um erro de localização inferior a 500 metros.

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Documento

“SISTEMA LOCALIZADOR DE DEFEITOS POR ONDAS VIAJANTES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO”

Refere-se a presente invenção, a um Sistema Localizador de Defeitos por Ondas Viajantes para Linhas de Transmissão, notadamente de energia elétrica; sistema este que determina a distância de um defeito que ocorra em uma linha de transmissão, a partir de dois equipamentos instalados em um ou dois pontos nos extremos da linha de transmissão monitorada.

Atualmente, a literatura caracteriza um localizador de ondas viajantes como um equipamento que registra, no tempo, as chegadas de ondas viajantes em uma subestação. Essas ondas viajantes são captadas por transdutores especiais (Transdutor de Ondas Viajantes), conectados aos secundários dos TCs (Transformadores de Correntes) que monitoram a corrente elétrica na linha. Por apresentarem um largo espectro de freqüência, 100 kHz a 1 MHz, os sinais de ondas viajantes são amostrados em alta freqüência, (acima de 1 MHz), tendo como base uma referência de tempo extremamente precisa. Isto possibilita que sinais de ondas viajantes amostrados, por dois equipamentos que estejam devidamente sincronizados no tempo, possam ser processados para gerar informações que conduzam a localização do ponto de defeito na linha de transmissão.

O Transdutor de Ondas Viajantes, ligado ao circuito secundário do transformador de corrente, possui duas funções, a saber: compatibilizar o nível de sinal de Ondas Viajantes com o nível de entrada do circuito de aquisição e medição e atenuar os sinais de baixa freqüência.

O Sistema Localizador de Defeitos por Ondas Viajantes para Linhas de Transmissão de Energia Elétrica é composto por:

-    Módulo transdutor de ondas viajantes;

-    Módulo de aquisição (condicionamento, filtragem e digitalização) de sinais de ondas viajantes;

-    Módulo de processamento, controle e sincronismo de tempo.

O três módulos citados acima são instalados no pátio da substação, especificamente na casa de relés.

Quando ocorre um defeito em uma linha de transmissão, sinais elétricos de alta freqüência são gerados e propagam-se, a partir do ponto de defeito, para as duas extremidades da linha. Estes sinais são denominados Ondas Viajantes e “trafegam” com velocidades próximas a da luz. O registro exato da chegada das Ondas Viajantes nas duas subestações, duas extremidades da linha, possibilita inferir a distância do defeito tendo como ponto de referência as subestações.

Além dos três módulos citados acima, o sistema também é composto por um pacote de programas (softwares), sendo um embarcado executado continuamente no módulo de processamento e controle e os outros localizados remotamente na Central de Análise, normalmente na casa de controle. Eles são denominados:

-    Software embarcado ldov.exe;

-    Software de configuração LdovConfig.exe;

-    Software de comunicação e análise LdovLink.exe;

-    Software de manutenção LdovMan.exe.

Estes softwares são utilizados pelo usuário do sistema para a configuração dos equipamentos, leitura de registros, computo das localizações e publicação de resultados.

Atualmente, encontra-se no mercado equipamentos similares para os mesmos fins, constituídos, basicamente, por um módulo microprocessador que controla um conjunto de placas de aquisição de dados analógicos em alta freqüência, que é responsável pela leitura das ondas viajantes. Além disso, o módulo microprocessador possui uma placa relógio de alta precisão sincronizado por receptor GPS (Global Position System). Cada placa de aquisição recebe os sinais dos Transdutores de Ondas Viajantes e do receptor GPS, o qual está conectado a uma antena externa e recebe sinais da constelação de satélites do sistema GPS.

O módulo microprocessador é normalmente composto por uma placa CPU industrial, ou por uma placa dedicada que contém um micro controlador ou um processador DSP (digital signal processing). O módulo microprocessador também possui memórias para armazenamento de dados e programeis, além de se comunicar com a Central de Análise através de interfaces de comunicação tais como: interface serial, modem ou interface de rede local.

Como os sinais de ondas viajantes possuem uma banda de freqüência de interesse na faixa de 100 kHz a 1 MHz, a placa de aquisição deve operar com uma taxa de amostragem de no mínimo 1 MHz. Os sinais amostrados pela placa aquisição devem ser continuamente lidos e processados pelo módulo microprocessador a fim de detectar a presença de uma onda viajante.

Quando uma Onda Viajante é detectada, é gerado um registro seqüencial de dados que por sua vez são associados a um valor específico de tempo extraído do relógio do sistema. Esta placa é continuamente sincronizada pelo sinal do receptor GPS que garante uma resolução de tempo absoluto da ordem de 100 nanosegundos.

Apesar da aparente simplicidade do localizador de ondas viajantes genérico, sua realização tecnológica é desafiadora. Um bom localizador deve apresentar baixo erro no cálculo da distância do defeito, o que demanda solução para uma série de problemas técnicos relacionados principalmente ao fato das ondas viajantes estarem trafegando na linha com velocidades muito próximas a da luz. O desafio principal está em garantir um exato sincronismo entre o sinal analógico da onda viajante aquisicionada com a medida de tempo proveniente da placa receptora GPS, assim como o perfeito sincronismo entre os sistemas instalados em ambas as extremidades da linha. Caso isso não seja obtido, o erro associado ao cálculo da distância do defeito assume valores impraticáveis.

Outra dificuldade técnica diz respeito aos erros inerentes a cadeia de medição, tais como, ruídos, compatibilidade eletromagnética, comprimento do cabo do secundário do TC, comprimento do cabo do transdutor de ondas viajantes. Cabos muito longos, tanto no transformador de corrente como no Transdutor de Onda Viajante, podem captar ruídos e também retardar o tempo da chegada das ondas viajantes.

Para o usuário típico do sistema de localização de defeitos por ondas viajantes, o erro máximo de localização desejável, é inferior a 500 metros. Pois essa é, normalmente, a distância típica entre duas torres em uma linha de transmissão de energia elétrica de alta tensão. Desta forma, um equipamento que forneça erro inferior a 500 metros permitirá identificar a torre de transmissão mais próxima ao ponto de defeito. Para alcançar um erro total inferior a 500 metros, cada equipamento deve ter um erro máximo da ordem de 250 metros. Este erro depende da precisão no tempo do sistema de aquisição e da velocidade de propagação das ondas viajantes. Considerando a velocidade de propagação igual a velocidade de luz, para um erro de 250 metros é necessário uma resolução mínima de 833 nanosegundos na aquisição, o que implica em uma taxa de aquisição de ondas viajantes de pelo menos 1,2MHz por canal.

Quando uma onda viajante chega aos terminais do transdutor e é detectada pelo módulo de aquisição, é gerado um disparo (trigger) de onda viajante e o sistema registra o instante do trigger tendo como base um relógio sincronizado através do sistema GPS. A técnica utilizada pelo Sistema de Localização de Defeitos por Ondas Viajantes em Linha de Transmissão é a de gerar contagens de tempo, disparos consecutivos, assim, quando uma onda viajante é detectada a informação do contador de tempo é congelada, permitindo a identificação do momento exato da chegada da onda viajante.

Para monitoração de uma dada linha de transmissão, um equipamento localizador é instalado em cada terminal da linha. Neste equipamento encontra-se instalado um software que comanda a detecção, leitura e gravação das ondas viajantes e comunica-se com a central de análise. Quando ocorre um defeito na linha, os equipamentos nos dois extremos registram as ondas viajantes e enviam a informação para a central de análise. Na central de análise as duas ondas são comparadas, e a distância é calculada considerando as diferenças entre os dois tempos associados aos instantes dos disparos dos registros das duas ondas viajantes. O resultado assim obtido é informado para a equipe de manutenção da linha. Como o sistema opera em tempo real, a distância do defeito pode ser informada logo após a ocorrência do defeito.

O ‘Sistema Localizador de Defeitos por Ondas Viajantes em Linha de Transmissão de Energia Elétrica’- LDOV, diferencia-se dos equipamentos já existentes, principalmente pela arquitetura modular distribuída, significando que cada módulo de aquisição, num total de oito módulos, pode ser instalado distante do módulo de processamento, distribuindo o mesmo dentro da casa de relés de tal forma que cada módulo possa monitorar uma linha de transmissão. Desta forma, em uma Subestação típica, que possui diversas linhas conectadas, será necessário utilizar um número igual de módulos de aquisição. Em um equipamento com arquitetura “não distribuído”, as diversas placas de aquisição são reunidas todas num mesmo módulo instalado em um único painel dentro da casa de relé da subestação. Neste caso os sinais de corrente, provenientes dos TCs, das diversas linhas monitoradas devem ser todos levados para este mesmo painel podendo gerar um problema de instalação e baixa confiabilidade pelo fato de agrupar todos os sinais importantes em um único local.

E um sistema com arquitetura distribuída, cada módulo de aquisição opera de forma independente, estando acondicionado em sua própria caixa, que pode ser instalada em qualquer local, tanto no pátio da subestação junto do transformador de corrente, quanto em painel disponível na sala relés.

Na arquitetura distribuída do LDOV, cada módulo de aquisição usa um canal de comunicação por fibra-óptica para se comunicar com o módulo central de processamento. O uso de fibras ópticas é a base da instalação distribuída do ‘Sistema Localizador de Defeitos por Ondas Viajantes em Linha de Transmissão’; a comunicação por fibra-óptica permite que os módulos de aquisição sejam instalados próximos as fontes dos sinais monitorados, os quais se conectam ao módulo de processamento, instalado em local estratégico, por meio de um cabo composto por duas fibras ópticas, um para a transmissão e o outro para a recepção de dados. Este esquema, além de garantir uma grande imunidade a ruídos elétricos, e evitar problemas de compatibilidade eletromagnética, permite compensar os atrasos de propagação dos sinais, pois as distâncias são conhecidas. Além disso, a instalação distribuída gera benefícios operacionais, facilita a instalação e a manutenção, tem maior isolação elétrica, diminui o número de cabos e permite o aproveitamento de painéis existentes.

Entretanto, na implementação de um sistema distribuído com a característica do LDOV, os dados amostrados referentes às ondas viajantes e o sinal de sincronismo de tempo (pulso PPS) devem compartilhar o mesmo cabo, canal, de fibra óptica. Este compartilhamento do canal óptico garante a precisão do sincronismo de tempo. Essa filosofia de instalação distribuída representa um grande diferencial do DOV em relação aos outros equipamentos existentes no mercado, pois são todos com arquitetura centralizada, ou seja, não distribuída.

Além de operar de forma distribuída, o LDOV traz como inovação duas estratégias de implementação do sistema de aquisição que permitem uma redução da complexidade técnica final da solução com conseqüente redução de custos de hardware.

A primeira estratégia consiste na implementação de uma aquisição de dados com freqüência variável sincronizado por GPS. Normalmente, em um sistema de aquisição de boa precisão, deseja-se que a freqüência de aquisição de dados se mantenha em um valor fixo e pré-determinado, isto é obtido através do emprego de osciladores estáveis e de boa resolução, muitas vezes com compensação de temperatura utilizando câmeras térmicas, objetivando uma freqüência exata de operação. O sistema implementado no LDOV é inovador pois utiliza um oscilador de baixa precisão e baixo custo, cuja freqüência de saída varia no tempo, podendo assumir um valor qualquer dentro de certa faixa de erro. A precisão do sistema é garantida pelo fato das variações de freqüência do oscilador serem lentas e pode ser considerada constante para um intervalo de tempo curto. Assim, o LDOV utiliza o sinal de PPS - pulso por segundo, para determinar o valor de freqüência do oscilador a cada segundo, e este valor é também armazenado junto com os dados que compõem um registro de ondas viajantes. Com essa estratégia, uma boa precisão é obtida, pois a base de medição de tempo é dada pelo sistema de monitoração da freqüência do cristal, através do sinal proveniente do receptor GPS que possui um erro da ordem de 100 nanosegundos.

A segunda estratégia consiste em abandonar o conceito de “tempo de disparo”, que define o momento da chegada da onda viajante no transdutor. Normalmente existe um dispositivo de detecção de onda viajante, que percebe o início desta e gera um disparo que “congela” o relógio do sistema, determinando assim o instante de tempo conhecido como ‘tempo de disparo’. Os tempos de disparo de cada registro são utilizados como base de comparação para a chegada da onda viajante em cada terminal, possibilitando o cálculo da distância do defeito. Esta estratégia, entretanto, pode ser ineficiente, pois o nível do sinal no início da onda é muito baixo, impondo que o sistema de detecção, que funciona em tempo real, opere com limite muito pequeno e seja afetado pela presença de ruídos na linha.

O Sistema LDOV utiliza um limite de disparo com valor elevado e que de fato não caracteriza o tempo de início da onda viajante, mas serve apenas para detectar a existência de uma onda viajante. Nesta estratégia o tempo para cada ponto de aquisição do registro da onda é gravado de forma muito precisa, sendo armazenado o tempo absoluto do último ponto do registro e também a freqüência exata de aquisição. Assim, o tempo de disparo utilizado para calcular a distância é determinado posteriormente na central análise, onde são aplicados algoritmos que comparam as duas ondas viajantes relacionadas a um mesmo defeito, e identificam com boa precisão o ponto de início de cada onda e calculam a seguir a distância do defeito na linha.

O Sistema Localizador de Defeitos por Ondas Viajantes em Linhas de Transmissão - LDOV é caracterizado por uma arquitetura distribuída baseada em comunicação óptica e por um sistema de aquisição de Ondas Viajantes de alta performance e baixo custo.

A invenção poderá ser melhor compreendida através da seguinte descrição detalhada, em consonância com as figuras em anexo, onde:

A FIGURA I mostra a arquitetura básica do sistema desenvolvido onde podem ser observados modulo processador (1), módulos de aquisição de Ondas Viajantes (2), transdutores de ondas viajantes (3), cabos de fibra óptica (4), antena do receptor GPS (5).

A FIGURA 2 apresenta um diagrama de tempos dos sinais de transmissão do canal óptico usado na comunicação entre o módulo de processamento e um

módulo de aquisição de ondas viajantes, onde são observados: sinal 1 pulso/segundo gerado no receptor GPS (1); sinal representando dados que transitam no canal óptico de comunicação (2); janela de 999ms na qual os dados são transmitidos (3); janela de lms na qual o sincronismo de tempo é transmitido 5    (4); pulso de sincronização de tempo (5); dados em formato serial (6).

A FIGURA 3 mostra o diagrama em blocos do sistema de medição de freqüência instantânea e de tempo de final de registro implementado no LDOV, onde podem ser observados os elementos: oscilador de baixo custo que gera uma onda quadrada de 50 MHz (1); sinal de 1 pulso/segundo(PPS) (2); circuito de controle 10 de medição de freqüência (3); contador de 24 bits (4); contagem de freqüência instantânea (5); contagem de final de registro (6); divisor de freqüência (7); conversor analógico digital dos sinais de ondas viajantes (8); transdutores de ondas viajantes (9); circuito de detecção de ondas viajantes e gravação de registros na memória local (10); sinal de reset do contador (11); sinal de registro 15 de final de contagem (12); sinal de saída do oscilador (50MHz) (13); sinal de controle de início de conversão e gravação na memória (2MHz) (14); dados de conversão gerados pelo conversor (12bits) (14); e sinal de armazenamento de contagem de final de registro (15).

A FIGURA 4 mostra o diagrama em blocos do sistema de medição e 20 armazenamento de dados sincronizado no tempo implementado no Localizador de Defeitos por Ondas Viajantes em Linha de Transmissão- LDOV, onde podem ser observados: o oscilador de baixo custo que gera uma onda quadrada de 50 MHz (1); divisor de freqüência (divide por 24) (2); sinal de saída do oscilador (50 MHz) (3); contador de 24 bits (4); conversor analógico digital que lê os sinais de 25 ondas viajantes (5); memória para armazenamento de registros (6); sinal de controle de início de conversão e gravação na memória (2 MHz) (7); contagem de freqüência instantânea (8); endereço de escrita na memória (bits do contador) (9); dados de conversão gerados pelo conversor (12bits) (10); e seleção de bloco de memória onde o registro será gravado (11).

REIVINDICAÇÃO:

1 - SISTEMA LOCALIZADOR DE DEFEITOS POR ONDAS VIAJANTES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO, caracterizado por ser composto de módulo transdutor de ondas viajantes, módulo de aquisição de sinais de ondas viajantes e módulo de processamento, controle e sincronismo de tempo, aliados a um pacote de programas (softwares) de gerenciamento, sendo um embarcado e executado continuamente no módulo de processamento, controle e sincronismo de tempo, e outros localizados remotamente nos locais onde for instalado o equipamento, permitindo a localização de falhas em linhas de transmissão de energia elétrica por meio do fenômeno das ondas viajantes, com baixo custo e alta precisão, uma vez que sua implementação conta com uma tecnologia de instalação distribuída, baseada em comunicação de dados, sincronismo de tempo e freqüência por fibra óptica.

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RESUMO:

O SISTEMA LOCALIZADOR DE DEFEITOS POR ONDAS VIAJANTES PARA LINHAS DE TRANSMISSÃO, notadamente de energia elétrica, o qual localiza pontos de falha em linhas de transmissão através da teoria 5 dos fenômenos das ondas viajantes. Esse sistema utiliza tecnologia distribuída baseada em módulos independentes conectados por cabos de fibra óptica a uma central de análise. Essa instalação é mais imune a ruídos e problemas de compatibilidade eletromagnética, em geral, mais simples, mais segura e de menor custo de instalação. Implementa um sistema de leitura de ondas viajantes de baixo 10 custo e alta precisão, viabilizado pelo uso de relógio oscilador (cristal) de baixo custo e por um sistema simplificado de detecção de ondas viajantes associado a um mecanismo preciso de gravação de sinais no tempo. E capaz de localizar defeitos de alta impedância (que são de difícil detecção) e oferece um erro de localização inferior a 500 metros.