GUILHERME PIAZENTINI COLNAGO

DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO EM TEMPO REAL DA TENSO DA REDE COM

ACESSO REMOTO

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica do Centro Tecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, como requisito parcial para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Eltrica. Orientador: Prof. Dr. Jos Luiz F. Vieira. Co-orientador: Prof. Dr. Gilberto C. D. Sousa.

VITRIA 2009

Dados Internacionais de Catalogao-na-publicao (CIP) (Biblioteca Central da Universidade Federal do Esprito Santo, ES, Brasil)

Colnago, Guilherme Piazentini, 1980- C717d Desenvolvimento e implementao de um sistema de monitoramento

em tempo real da tenso da rede com acesso remoto / Guilherme Piazentini Colnago. 2009.

146 f. : il. Orientador: Jos Luiz de Freitas Vieira. Co-orientador: Gilberto Costa Drumond Sousa. Dissertao (mestrado) Universidade Federal do Esprito Santo,

Centro Tecnolgico. 1. Medidores eltricos. 2. Sistemas de energia eltrica - Controle de

qualidade. 3. Energia eltrica - Falhas. 4. Acesso remoto. I. Vieira, Jos Luiz de Freitas. II. Sousa, Gilberto Costa Drumond. III. Universidade Federal do Esprito Santo. Centro Tecnolgico. IV. Ttulo.

CDU: 621.3

GUILHERME PIAZENTINI COLNAGO

DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAO DE UM SISTEMA DE MONITORAMENTO EM TEMPO REAL DA TENSO DA REDE COM

ACESSO REMOTO Dissertao submetida ao programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica do Centro Tecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, como requisio parcial para a obteno do Grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

Aprovada em 05 de outubro de 2009.

COMISSO EXAMINADORA Prof. Dr. Jos Luiz de Freitas Vieira Universidade Federal do Esprito Santo Orientador Prof. Dr. Gilberto Costa Drumond Sousa Universidade Federal do Esprito Santo Co-orientador Prof. Dr. Domingos Svio Lyrio Simonetti Universidade Federal do Esprito Santo Prof. Dr. Fernando Pinhabel Marafo Universidade Estadual Paulista UNESP Sorocaba

Aos meus pais, minha irm, Joyce e minha av (em memria).

AGRADECIMENTOS

s vrias pessoas que colaboraram diretamente neste trabalho.

MTS Engenharia pela liberao no meu horrio de trabalho para cumprir a carga

horria das aulas do curso, assim como pelo suporte material e tcnico para o

desenvolvimento do projeto; aos meus colegas de l, que me ajudaram tanto em questes

tericas e tcnicas; ao Eduardo, que trabalhou na elaborao do sistema servidor no

computador; ao Marquinhos e Ben, que participaram de parte do desenvolvimento.

Ao Prof. Jos Luiz por oferecer a oportunidade de realizar este projeto e dissertao.

Ao Prof. Gilberto pelas horas dispensadas para esclarecimento de dvidas e pelas

discusses; aos seus conselhos de como ser objetivo.

s pessoas que participaram indiretamente deste trabalho, principalmente meus pais,

minha irm e Joyce, que me apoiaram em um momento difcil e que toleram meus momentos

de mau humor e, s vezes, total falta de humor. A eles dedico isto.

EPGRAFE

O timo inimigo do bom.

O Diabo so os detalhes.

Ditados populares

In theory there is no difference between

theory and practice, but in practice there is.

Murphy's technology laws

SUMRIO

1 Motivaes .........................................................................................................................18 2 Introduo...........................................................................................................................20

2.1 Qualidade da Energia Eltrica ..................................................................................20 2.1.1 Definio de Qualidade da Energia Eltrica.....................................................20 2.1.2 Distrbios .........................................................................................................22

2.2 Situao Atual da rea de Medio de QEE.............................................................23 2.3 Concluso .................................................................................................................25

3 Viso Geral .........................................................................................................................26 3.1 Objetivos...................................................................................................................26 3.1 Mercado....................................................................................................................26 3.2 Mdulo 8 do PRODIST............................................................................................27 3.2 Medidor Proposto .....................................................................................................28 3.3 Medidor Implementado ............................................................................................31 3.4 Concluso .................................................................................................................35

4 Especificaes e Desenvolvimento do Medidor.................................................................36 4.1 Hardware ..................................................................................................................36

4.1.1 Bloco de Transformao e Fonte de Alimentao............................................36 4.1.2 Bloco do Circuito da Bateria ............................................................................37 4.1.3 Bloco de Adequao de Tenso .......................................................................39 4.1.4 Bloco de Filtragem ...........................................................................................41 4.1.5 Bloco de Converso Analgico-digital ............................................................44 4.1.6 Bloco dos Microcontroladores .........................................................................45 4.1.7 Bloco Memria no-voltil...............................................................................46 4.1.8 Bloco do Circuito de Comunicao..................................................................46 4.1.9 Sistema de Telefonia Mvel .............................................................................47 4.1.10 Rede GPRS.......................................................................................................49

4.2 Metodologia de Clculos ..........................................................................................49 4.2.1 Tenso em Regime Permanente .......................................................................49 4.2.2 Harmnicos.......................................................................................................52 4.2.3 Desequilbrio de Tenso ...................................................................................55 4.2.4 Flutuao de Tenso .........................................................................................57 4.2.5 Modelo da IEC .................................................................................................60 4.2.6 Medio da cintilao.......................................................................................66 4.2.7 Variao de Tenso de Curta Durao .............................................................67

4.3 Sistema Servidor.......................................................................................................70 4.4 Resumo das descries tcnicas ...............................................................................72

4.4.1 Instalao..........................................................................................................72 4.4.2 Hardware ..........................................................................................................72 4.4.3 Medio ............................................................................................................73

4.5 Concluso .................................................................................................................75 5 Medies e Resultados .......................................................................................................76

5.1 Resultados e Anlise do Circuito de Filtragem ........................................................77 5.2 Resultados da medio da Tenso Eficaz e dos Harmnicos...................................79 5.3 Resultados da medio de Cintilao .......................................................................86 5.4 Resultados da medio do Desequilbrio de Tenso ................................................99 5.5 Concluso ...............................................................................................................100

6 Consideraes Finais ........................................................................................................102 Referncias Bibliogrficas......................................................................................................105 Apndice A Anlise matemtica do espectro do sinal de flutuao....................................111 Apndice B Recarga de Bateria...........................................................................................116

1. Efeito Memria...........................................................................................................116 2. Recarregador...............................................................................................................116 3. Fim de carga: deteco de variao negativa de tenso .............................................117 4. Procedimento adotado ................................................................................................118

Apndice C Padres IEC e IEEE para Harmnicos ............................................................119 Apndice D Telas da Interface do Usurio..........................................................................122 Apndice E Diagramas dos Circuitos do Medidor ..............................................................132 Glossrio.................................................................................................................................145

RESUMO

No Brasil, at pouco tempo atrs, a qualidade da energia eltrica estava relacionada,

basicamente, com interrupes do fornecimento de energia e a certas cargas especiais da

indstria. Porm, nos ltimos anos, sob a direo da agncia reguladora do setor, a ANEEL

(Agncia Nacional de Energia Eltrica), juntamente com especialistas, a rea de qualidade da

energia eltrica passou a receber uma ateno significativa, sendo legislada e adquirindo suas

regulamentaes iniciais. A rea de Qualidade da Energia Eltrica passou, ento, a

formalmente existir e abranger um conjunto maior de fenmenos e eventos da rede eltrica.

Em funo dessa recente regulamentao, este trabalho apresenta o projeto de um medidor da

qualidade da energia eltrica. Um dos focos do medidor ser de baixo custo, tornando-o

vivel para o uso em grande escala. Este medidor um sistema eletrnico que processa

digitalmente os sinais de tenso da rede eltrica, extraindo os dados relacionados qualidade

da energia eltrica; tais dados so armazenados localmente e, posteriormente, acessados

remotamente e enviados para um banco de dados, de forma que possam ser analisados.

Palavras-chave: sistema de monitoramento em tempo real da tenso da rede eltrica,

interrupo no fornecimento de energia eltrica, qualidade da energia eltrica, acesso remoto.

ABSTRACT

Some years ago in Brazil the power quality was related, basically, with interruption of

supplied energy and certain special loads of industry. In recent years, however, under

controls of the regulating agency ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica) and with

specialists, the power quality area received the due attention and was legislated and acquired

regulations. So, finally, the area of Power Quality was formally created and now it embraces

several electrical phenomena and events. Because of the new regulations, this work presents a

project of a power quality meter. One of meters focuses is to be a low cost system and

becomes able to be used in large scale. This power quality meter is an electronic system that

processes the voltage signal of electrical network and extracts data related to power quality;

the data are locally stored and after they are remotely accessed and transmitted to a data base

to be analyzed.

Keywords: voltage real-time monitoring system, electric energy supply interruption, power

quality, remote access.

LISTA DE ILUSTRAES

Fig. 3.1 Diagrama de blocos do medidor...............................................................................29 Fig. 3.2 Diagrama de blocos geral do sistema.......................................................................30 Fig. 3.3 Medidor final em sua caixa. .....................................................................................31 Fig. 3.4 Imagem do medidor aberto. .....................................................................................31 Fig. 3.5 Medidor aberto sem a placa principal. .....................................................................32 Fig. 3.6 Vista superior da placa principal do medidor. .........................................................32 Fig. 3.7 Vista inferior da placa principal do medidor............................................................33 Fig. 3.8 Vista da placa fonte do medidor...............................................................................33 Fig. 3.9 Foto do medidor operando. ......................................................................................34 Fig. 4.1 Bloco de Transformao e Fonte de Alimentao. ..................................................37 Fig. 4.2 Bloco do Circuito da Bateria....................................................................................38 Fig. 4.3 Circuito adequador (redutor) de tenso de fase........................................................39 Fig. 4.4 Circuito da topologia Sallen-Key. ............................................................................42 Fig. 4.5 Circuito de filtragem. ...............................................................................................43 Fig. 4.6 Resposta do filtro em Magnitude (dB) e Fase (graus) x Frequncia (Hz) ...............44 Fig. 4.7 Diagrama de blocos geral do dsPIC33. ....................................................................45 Fig. 4.8 reas com cobertura GSM.......................................................................................47 Fig. 4.9 Nmero de operadoras de telefonia mvel por regio no ES...................................48 Fig. 4.10 reas com cobertura GPRS no pas. ......................................................................48 Fig. 4.11 Grfico para exemplificao de expurgao de intervalo. .....................................50 Fig. 4.12 Faixas de classificao de tenso. ..........................................................................51 Fig. 4.13 Distribuio acumulada complementar da sensao de cintilao.........................59 Fig. 4.14 Diagrama de Blocos do modelo de medidor de cintilao de tenso.....................61 Fig. 4.15 Nvel de amplitude do sinal de cintilao no tempo. .............................................65 Fig. 4.16 Grfico da Funo de probabilidade cumulativa x Classes. ..................................66 Fig. 4.17 Curva para VTCD da CBEMA. .............................................................................69 Fig. 4.18 Curva para VTCD da ITIC.....................................................................................70 Fig. 4.19 Diagrama de blocos de todos os componentes do sistema e suas conexes. .........71 Fig. 5.1 Curva de ganho do circuito de filtragem..................................................................77 Fig. 5.2 Resultado da filtragem do sinal de 840Hz (14 harmnico). ...................................78 Fig. 5.3 Resultado da filtragem do sinal de 2280Hz (38 harmnico). .................................79 Fig. 5.4 Resultado da filtragem do sinal de uma fase da rede. ..............................................79 Fig. 5.5 Forma de onda do sinal DST01................................................................................81 Fig. 5.6 Forma de onda do sinal DST10................................................................................82 Fig. 5.7 Forma de onda do sinal DST11................................................................................83 Fig. 5.8 Forma de onda do sinal DST16................................................................................84 Fig. 5.9 Forma de onda do sinal DST21................................................................................85 Fig. 5.10 Circuito para simulao de flutuao de tenso. ....................................................87 Fig. 5.11 Formas de onda para flutuao com 1.620 variaes/minuto. ...............................92 Fig. 5.12 Forma de onda para flutuao em 8,8Hz e e Sf 518pu. ......................................96 Fig. 5.13 Formadas de onda para flutuao em 40Hz e Sf 36............................................98 Fig. A.1 Espectro do sinal de entrada..................................................................................111 Fig. A.2 Diagrama de Bode do filtro sino: Magnitude (dB) x Frequncia (Hz)..............113 Fig. A.3 Curvas tpicas de flutuao de tenso. ..................................................................113 Fig. A.4 Curva do limiar de irritao e curva de Pst = 1,0 de um medidor de cintilao. ..114 Fig. A.5 Exemplo de grfico de ocorrncia de Pst durante uma medio...........................115

Fig. B.1 Grfico do processo de finalizao de recarga por pequena queda de tenso.......117 Fig. D.1 Aba de configurao Geral da interface. ...............................................................123 Fig. D.2 Aba de configurao Regime Permanente. ...........................................................123 Fig. D.3 Aba de configurao de VTCD e Interrupo.......................................................124 Fig. D.4 Aba de Status.........................................................................................................125 Fig. D.5 Aba de Agendamento. ...........................................................................................125 Fig. D.6 Aba de listagem dos Relatrios do medidor..........................................................126 Fig. D.7 Janela de relatrio da medio: aba Geral dos resultados. ....................................126 Fig. D.8 Janela de relatrio da medio: aba do..................................................................127 Fig. D.9 Janela de relatrio da medio: aba do grfico .....................................................127 Fig. D.10 Janela de relatrio da medio: aba do grfico das DTTs...................................128 Fig. D.11 Janela de relatrio da medio: aba para.............................................................128 Fig. D.12 Janela de relatrio da medio: aba do grfico ...................................................129 Fig. D.13 Janela de relatrio da medio: aba do grfico de barras....................................129 Fig. D.14 Janela de relatrio da medio: aba da................................................................130 Fig. D.15 Parte inicial do arquivo de relatrio gerado com dados da medio...................130 Fig. D.16 Parte final do arquivo de relatrio gerado com dados da medio. ....................131 Fig. E.1 Diagrama de Unio dos circuitos da Placa Principal.............................................133 Fig. E.2 Diagrama do Circuito de Converso A/D..............................................................134 Fig. E.3 Diagrama do Circuito dos Microcontroladores Parte 1/4. ..................................135 Fig. E.4 Diagrama do Circuito dos Microcontroladores Parte 2/4. ..................................136 Fig. E.5 Diagrama do Circuito dos Microcontroladores Parte 3/4. ..................................137 Fig. E.6 Diagrama do Circuito dos Microcontroladores Parte 4/4. ..................................138 Fig. E.7 Diagrama do Circuito da Memria Carto SD. ..................................................139 Fig. E.8 Diagrama do Circuito de Comunicao.................................................................140 Fig. E.9 Diagrama do Circuito de Adequao e de Filtragem Parte 1/2. .........................141 Fig. E.10 Diagrama do Circuito de Adequao e de Filtragem Parte 2/2. .......................142 Fig. E.11 Diagrama do Circuito da Placa Fonte Parte 1/2................................................143 Fig. E.12 Diagrama do Circuito da Placa Fonte Parte 2/2................................................144

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Distrbios comuns tenso. ................................................................................23 Tabela 4.1 Faixas de classificao de tenso.........................................................................52 Tabela 4.2 Valores de referncia globais das DTTs..............................................................53 Tabela 4.3 Nveis de referncia para as DITs........................................................................54 Tabela 4.4 Valores de referncia para a flutuao de Tenso. ..............................................60 Tabela 4.5 Valores das constantes da funo de transferncia..............................................63 Tabela 4.6 Relao entre seletor de faixa e nveis de sensibilidade. .....................................65 Tabela 4.7 Classificao das VTCDs. ...................................................................................67 Tabela 5.1 Resultado da filtragem: entrada x sada e atenuao do filtro. ............................78 Tabela 5.2 Comparao de resultados entre os medidores para a forma de onda DST01.....82 Tabela 5.3 Comparao de resultados entre os medidores para a forma de onda DST10.....83 Tabela 5.4 Comparao de resultados entre os medidores para a forma de onda DST11.....84 Tabela 5.5 Comparao de resultados entre os medidores para a forma de onda DST16.....85 Tabela 5.6 Comparao de resultados entre os medidores para a forma de onda DST21.....86 Tabela 5.7 Resposta normalizada do medidor para flutuaes de modulao quadrada. .....89 Tabela 5.8 Teste de desempenho do medidor de cintilao. .................................................89 Tabela 5.9 Pst para 1 variao/minuto. .................................................................................90 Tabela 5.10 Pst para 2 variaes/minuto. ..............................................................................90 Tabela 5.11 Pst para 7 variaes/minuto. ..............................................................................90 Tabela 5.12 Pst para 39 variaes/minuto. ............................................................................90 Tabela 5.13 Pst para 110 variaes/minuto. ..........................................................................91 Tabela 5.14 Pst para 1.620 variaes/minuto. .......................................................................91 Tabela 5.15 Pst para 4.800 variaes/minuto. .......................................................................91 Tabela 5.16 Pst de 1 minuto para sinal sem flutuao...........................................................92 Tabela 5.17 Pst de 1 minuto para Fm = 8,8Hz e Sf 3,5pu...................................................93 Tabela 5.18 Pst de 1 minuto para Fm = 8,8Hz e Sf 14pu....................................................93 Tabela 5.19 Pst de 1 minuto para Fm = 8,8Hz e Sf 33pu....................................................94 Tabela 5.20 Pst de 1 minuto para Fm = 8,8Hz e Sf 87pu....................................................94 Tabela 5.21 Pst de 1 minuto para Fm = 8,8Hz e Sf 230pu..................................................94 Tabela 5.22 Pst de 1 minuto para Fm = 8,8Hz e Sf 400pu..................................................95 Tabela 5.23 Pst de 1 minuto para Fm = 8,8Hz e Sf 518pu..................................................95 Tabela 5.24 Pst de 1 minuto para Fm = 8,8Hz e Sf 1.530 (1.510 a 1.550)pu. ....................96 Tabela 5.25 Pst de 1 minuto para Fm = 23Hz e Sf 28pu.....................................................97 Tabela 5.26 Pst de 1 minuto para Fm = 0,5Hz e Sf 41pu....................................................97 Tabela 5.27 Pst de 1 minuto para Fm = 40Hz e Sf 36 (35 a 38)pu. ....................................97 Tabela 5.28 Comparao dos resultados dos FDs do medidor e do aferidor. .....................100 Tabela C.1 Limites de distoro de tenso. .........................................................................121

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

A/D Analgico-digital.

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica.

CA Corrente Alternada.

CA/D Converso ou Conversor Analgico-digital.

CBEMA Computer Business Equipment Manufacturers Association.

CC Corrente Contnua.

CEI Vide IEC.

CEPEL Centro de Pesquisas da Eletrobrs.

CI Circuito Integrado.

CIGR Conseil International des Grands Rseaux lectriques, ou em ingls

International Council on Large Electric Systems.

DFT Discrete Fourier Transform ou Transformada Discreta de Fourier.

DIT Distoro harmnica Individual de Tenso.

DRC Durao Relativa para transgresso para tenso Crtica.

DRP Durao Relativa para transgresso para tenso Precria.

DSP Processador digital de sinais.

DTT Distoro harmnica Total de Tenso.

EMI Electromagnetic Interference ou Interferncia Eletromagntica.

EMC Electromagnetic Compatibility ou Compatibilidade Eletromagntica.

ESCELSA Esprito Santo Centrais Eltricas S.A.

FD Fator de Desequilbrio.

FFT Fast Fourier Transform ou Transformada Rpida de Fourier.

IEC International Eletrotechnical Comission ou Comisso Internacional de

Eletrotcnica.

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ou Instituto de Engenheiros

Eletricistas e Eletrnicos.

ITIC Information Technology Industry Council.

GPRS General Packet Radio Service, que uma tecnologia celular de comunicao

de dados atravs da diviso da informao em pacotes.

GSM Global System for Mobile Communications, que tecnologia de telefonia

mvel digital baseada na tecnologia de acesso mltiplo por diviso de tempo.

LCD Liquid Crystal Display, ou tela ou visor de cristal lquido.

MATLAB MATrix LABoratory, um ambiente de programao/programa interativo de

alta performance voltado para o clculo numrico. Integra anlise numrica,

clculo com matrizes, processamento de sinais e construo de grficos.

NA Normalmente Aberto (referente a um dos contatos do rel).

NF Normalmente Fechado (referente a um dos contatos do rel).

OSI Open Systems Interconnections, que uma arquitetura formada por sete

camadas que define a conexo entre computadores.

PAC Ponto de Acoplamento Comum.

PRODIST Resoluo para regulamentar o Procedimentos de Distribuio de Energia

Eltrica no Sistema Eltrico Nacional.

QEE Qualidade da Energia Eltrica.

RAM Random Access Memory ou memria de acesso aleatrio, tipo de memria

voltil que armazena dados enquanto o dispositivo est energizado.

SD Secure Digital card, tipo de carto de memria flash.

SIM Subscriber Identity Module, um carto responsvel pela identificao do

mdulo de celular na rede de telefonia mvel e pelo armazenamento de

dados do usurio.

SPI Serial Peripheral Interface, um tipo popular de interface para comunicao

serial.

TC Transformador de Corrente.

TCP-IP Transmission Control Protocol-Internet Protocol, que um pacote de

protocolos que organiza a conexo de dispositivos na Internet.

VTCD Variao de Tenso de Curta Durao.

LISTA DE SMBOLOS

C1 e C2 Capacitores genricos do modelo do filtro de topologia Sallen-Key.

DITh% Distoro harmnica Individual de Tenso de ordem h, em percentual.

DTT% Distoro harmnica Total de Tenso, em percentual.

V Variao de tenso, relativa tenso eficaz no processo de flutuao.

Fator Q Fator de Qualidade ou seletividade de um filtro. Responde a uma faixa de

frequncia determinada e rejeita as outras.

fc Frequncia de corte.

FD% Fator de desequilbrio, em percentual.

FD% FD mdio final, em percentual.

FT Fator de Transferncia (associado flutuao de tenso no barramento).

H(s) Funo de Transferncia do filtro de topologia Sallen-Key.

i1 a i4 Correntes instantneas do circuito de adequao.

Njan Nmero de janelas no intervalo de medio.

Pi Percentil i, usado no clculo do Pst.

Plt Indicador de severidade de cintilao de longa durao.

PltD95% Valor dirio do indicador Plt que superado por apenas 5% dos registros

obtidos no perodo de 24 horas.

Pst Indicador de severidade de cintilao de curta durao.

PstD95% Valor dirio do indicador Pst que superado por apenas 5% dos registros

obtidos no perodo de 24 horas.

R1 a R6 Resistncias genricas dos circuitos de adequao ou filtragem.

Rshunt Resistor shunt para aferio da corrente de recarga pelo CI de recarga.

s Varivel complexa de Laplace.

Sf Valor instantneo de cintilao, produzido na sada do bloco 4 do modelo

digitalizado do medidor de cintilao da IEC.

Tint Perodo mnimo no qual se determina uma interrupo.

V Tenso eficaz.

v+ e v- Tenses instantneas nos terminais positivo e negativo, respectivamente. do

amplificador operacional de adequao.

V+ Tenso da sequncia positiva do sinal de tenso da rede.

V- Tenso da sequncia negativa do sinal de tenso da rede

V1 Tenso da componente fundamental (em 60Hz).

VAB Tenso eficaz de linha entre as fases A e B;

Vbateria Tenso CC nominal da bateria do medidor.

VBC Tenso eficaz de linha entre as fases B e C;

VCA Tenso eficaz de linha entre as fases C e A;

VCC Tenso CC originada de tenso retificada dos transformadores ou da bateria.

vi Tenso instantnea na entrada do circuito do amplificador operacional.

Vh Tenso harmnica de ordem h.

vo Tenso instantnea na sada do circuito do amplificador operacional.

Vref Tenso CC regulada igual a 4,096V que usada como referncia pelo CA/D.

Vretificada Tenso CC retificada fornecida pelos secundrios dos transformadores.

Vin Tenso CC retificada fornecida por um transformador extra (ligado a uma

das fases). Fornece a tenso de alimentao para o circuito de recarga.

Vn Tenso nominal (ou contratada) do barramento.

wc Frequncia de ressonncia do filtro de topologia Sallen-Key.

18

1 Motivaes

No incio de 1999, visando estabelecer normas para disciplinar o relacionamento entre as

distribuidoras de energia eltrica e os demais agentes (unidades consumidoras e empresas

geradoras) conectados aos sistemas de distribuio (que incluem redes e linhas de tenso

inferiores a 230kV), a Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) contratou o CEPEL

para elaborar a verso inicial dos Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica no

Sistema Eltrico Nacional, o PRODIST. Depois de exaustivo trabalho e inmeras interaes

com agentes do setor eltrico e a sociedade em geral (incluindo processo de Audincia

Pblica), o PRODIST foi aprovado pela 49 Reunio Pblica Ordinria da Diretoria de 2008

[1], pela Resoluo Normativa n 345, de 16 de dezembro de 2008, publicada no Dirio

Oficial da Unio DOU em 31 de dezembro de 2008. O PRODIST composto de 8 mdulos:

1. Introduo;

2. Planejamento da expanso do sistema de distribuio;

3. Acesso ao sistema de distribuio;

4. Procedimentos operativos dos sistemas de distribuio;

5. Sistemas de medio;

6. Informaes requeridas e obrigaes;

7. Clculos de perdas na distribuio;

8. Qualidade da energia eltrica.

O mdulo 8 do PRODIST trata da qualidade da energia eltrica e tem como objetivo [2]:

a) Definir os procedimentos relativos Qualidade da Energia Eltrica (QEE), abordando

a qualidade do produto e do servio prestado;

b) Definir, para a qualidade do produto, os conceitos e os parmetros para o

estabelecimento de valores-limite para os indicadores de QEE;

c) Estabelecer, para a qualidade dos servios prestados, a metodologia para apurao dos

indicadores de continuidade e dos tempos de atendimento, definindo limites e

responsabilidades, alm da metodologia de monitoramento automtico dos indicadores

de qualidade.

19

Com a elaborao do PRODIST e, especificamente, do Mdulo 8, tornou-se necessrio

que as concessionrias ampliassem o acompanhamento da qualidade da energia eltrica das

suas redes, o que implicaria no aumento do uso de sistemas medidores de QEE.

Dessa demanda nasceu o presente projeto (e dissertao), com o objetivo de desenvolver

um medidor de QEE de baixo custo, e possvel produto, para o monitoramento do

fornecimento da tenso das redes de distribuio de energia eltrica, de forma a viabilizar seu

uso em larga escala. Este sistema seria um contraponto aos atuais medidores de qualidade da

energia eltrica, que em geral apresentam custo elevado. A ampliao do uso no sistema dos

atuais medidores seria onerosa e implicaria em um investimento considervel. Existem ainda

medidores de custo relativamente menor, mas se focam em poucos parmetros de qualidade,

i.e., no possuem a abrangncia da proposta do PRODIST.

20

2 Introduo

2.1 Qualidade da Energia Eltrica

O sistema eltrico mundial consolidou suas bases no incio do sculo XX e foi evoluindo

gradativamente com o passar dos anos, respondendo sua demanda, que foi sendo formada,

basicamente, de cargas lineares. Nas dcadas seguintes, entretanto, outras reas ligadas

eletricidade como a de semicondutores, as mquinas eletromecnicas com acionamento

eletrnico e os dispositivos eletro-eletrnicos, tiveram grandes avanos. Vrios desses

sistemas tm como caractersticas o fato de serem cargas no-lineares. Nesse mesmo perodo,

o aumento da populao e das indstrias implicou em crescimento significativo do uso desses

sistemas e dos efeitos de suas caractersticas no-lineares. Isso imps certos problemas ao

setor eltrico como, por exemplo, gerao de tenses com frequncias harmnicas e inter-

harmnicas, flutuaes de tenso e variaes de tenso de curta ou longa durao. Esses

problemas, alm de outros provocados por fenmenos naturais ou pelo prprio sistema (e.g.

comutao de equipamentos), afetam ambos os lados do sistema eltrico (concessionrias e

consumidores) e implicaram na criao de uma nova rea, que se relacionaria com a qualidade

da energia eltrica.

2.1.1 Definio de Qualidade da Energia Eltrica

Fenmenos associados qualidade da energia eltrica so conhecidos quase que desde o

incio do sistema eltrico. Os problemas com interrupes, obviamente, nasceram junto

com o sistema. Fenmenos mais complexos de se observar, como o caso da potncia reativa

na rede, por exemplo, j seria descrita em 1927 por Budeanu1 [3].

Apesar disso, pode-se dizer que a rea da qualidade da energia eltrica ainda est na sua

juventude, pois ela comeou a ser formalmente tratada nas ltimas duas dcadas

principalmente a partir dos meados da dcada de 90 [4]. Como muitas coisas na juventude, ela

tem suas ambiguidades, que vo desde sua terminologia e definio ao estabelecimento

quantitativo e qualitativo de seus fenmenos.

1 Antes mesmo dessa publicao, j no fim do sculo XIX, o tema j era estudado.

21

O termo Qualidade da Energia Eltrica deriva do termo ingls Power Quality. A primeira

referncia ao termo aparece em 1968, em um artigo da marinha norte-americana sobre o

estudo realizado nas especificaes de alimentao dos aparelhos eletrnicos do sistema. O

termo Power Quality recebeu crtica de vrios especialistas, pois, argumentam que no se

possvel falar da qualidade de uma quantidade fsica como a energia (power). Nas

publicaes, diversos termos so usados [4]:

Voltage Quality: trata das alteraes da tenso em relao sua caracterstica ideal, uma onda senoidal de frequncia nica, sendo a frequncia, a amplitude e a fase

constantes. Limitado, o termo negligencia distores de corrente;

Uma definio complementar seria Current Quality (termo sem referncia em publicaes), que trataria dos mesmos pontos do termo anterior, mas direcionado

corrente. Teria limitaes similares;

Power Quality: seria ento uma combinao de Voltage Quality e Current Quality, tratando dos desvios de tenso e/ou corrente das suas caractersticas ideais2;

Quality of Supply (Quality of Power Supply): inclui a parte tcnica de Voltage Quality e algumas partes do que se pode referir-se como Qualidade do Servio. Como

limitao, o termo supply (fornecimento) exclui a responsabilidade do consumidor na

qualidade, pois o mesmo pode ter contribuio ativa sobre alguns fenmenos;

Quality of Consumption: que seria termo complementar ao citado anteriormente. Ele conteria Current Quality e mais a ao do consumidor;

Electromagnetic Compatibility (EMC): termo anteriormente usado nas normas da IEC (que viria, posteriormente, a adotar tambm o termo Power Quality), trata da interao

mtua entre equipamentos e entre equipamentos e as fontes de energia. Est

relacionado, principalmente, com dois termos: a emisso de poluio

eletromagntica e a imunidade do equipamento com essa poluio.

O termo Power Quality tem vrias definies formais. Segundo o dicionrio do IEEE [5]:

power quality is the concept of powering and grounding sensitive equipment in a matter that is suitable to the

operation of that equipment.

2 Deve-se observar que Power Quality no tem nenhuma relao com alterao do produto (multiplicao) entre tenso e corrente (potncia) de qualquer formato grfico ideal.

22

Essa definio limita o conceito a casos em que ocorre alterao do desempenho do

aparelho. Por exemplo, a distoro harmnica de tenso s ser associada qualidade da

energia eltrica se interferir no funcionamento do dispositivo. J a definio praticada pelo

IEC (que pode ser encontrada, por exemplo, na norma IEC 61000-4-30) [5] no est

relacionada com o desempenho do dispositivo, mas com a possibilidade de se medir e

quantificar o desempenho do sistema de energia, como afirma a citao abaixo:

Characteristics of the electricity at a given point on an electrical system, evaluated against a set of reference

technical parameters.

Mesmo no apresentando uma perfeita descrio dos fenmenos, este trabalho assume que

o melhor termo seria o Power Quality, ou melhor, Qualidade da Energia Eltrica (QEE), que

uma combinao dos distrbios na Qualidade da Tenso e Corrente. Tais termos se tornaram

predominantes nas publicaes internacionais e nacionais, respectivamente. Devido aos

objetivos do projeto, tratados posteriormente, h um foco na qualidade da tenso eltrica e em

seus indicadores de conformidade. So includos ainda fenmenos associados aos indicadores

de continuidade (relacionados s ocorrncias de interrupes), que no so necessariamente

includos em QEE (como feito por [5]).

2.1.2 Distrbios

Diversos so os distrbios associados QEE. A prpria potncia reativa pode ser tratada

como tal, pois, como fenmeno, no uma potncia realizadora de trabalho. Idealmente, seria

interessante que o sistema operasse apenas com potncia ativa (realizadora de trabalho). A

existncia de elevada potncia reativa na rede implica no aumento estrutural (robustez) do

sistema de distribuio.

No caso deste trabalho, devido a seu foco, os distrbios de corrente no so descritos.

Deve-se esclarecer, entretanto, que a observao dos distrbios de corrente tambm

necessria para a completa anlise da qualidade da energia eltrica.

Com o foco no monitoramento da qualidade da tenso, esta dissertao apresenta um

conjunto de distrbios mais comuns associados tenso, exemplificado na Tabela 2.1:

23

Tabela 2.1 Distrbios comuns tenso. Tipo de Distrbio Descrio Exemplo de Causas

Surto (ou impulso): pulso rpido, com rpida subida e decaimento oscilatrio amortecido ou exponencial; de 50V a 6kV, com 0,5us a 2ms de durao.

Chaveamento de cargas, chaveamento de equipa-mentos da rede, raios.

EMI: distrbios repetitivos de baixa energia na faixa de 10kHz a 1GHz, com 100mV a 100V de amplitude.

Equipamentos operando (fontes chaveadas, etc), interferncia de sinais das transmisses em radio-frequncia.

Afundamentos: reduo da tenso por mais de um perodo.

Partida de cargas pesadas, chaveamento de equipa-mentos da rede.

Elevao: elevao da tenso por mais de um perodo.

Reduo de carga, chave-amento de equipamentos da rede.

Flutuao: flutuaes repetitivas no nvel de tenso, causando uma modulao da tenso da rede.

Cargas pulsantes, como forno a arco, compressores e laminadores.

Notches: repetitivos afundamentos da tenso de curta durao.

Comutao de corrente em retificadores trifsicos (controlados ou no).

Distoro da forma de onda: distoro na forma da onda de tenso devido presena de harmnicas e inter-harmnicas.

Retificadores e outras cargas no-lineares e/ou intermitentes.

Variao de Frequncia: desvio da frequncia nominal.

Equipamentos da rede de fraco desempenho, problemas na gerao.

Interrupo: tenso nula em uma ou mais fases.

Curto-circuito, falha de equipamentos da rede, aci-dentes, raios, fenmenos naturais.

2.2 Situao Atual da rea de Medio de QEE

Com o nascimento da rea de QEE os sistemas para medio dos indicadores de qualidade

da energia eltrica comearam a ser desenvolvidos no cenrio nacional. No Brasil, congressos

24

especficos sobre o tema vm se tornando comuns, assim como a associao de

concessionrias, rgos pblicos e iniciativa privada para o desenvolvimento de sistemas para

a medio e avaliao da QEE.

As caractersticas tcnicas dos diversos medidores de qualidade da energia eltrica

existentes foram consultadas para o levantamento do atual estado tecnolgico da rea. Alguns

dos medidores ainda esto no estgio de prottipo (fora de linha de produo), outros j

esto disponveis no mercado e, apesar disso, vrios deles apresentam restries devido ao

algoritmo implementado ou com a comunicao [6]. Os medidores nacionais apresentam

caractersticas comuns tais como: serem microprocessados, usarem converso analgico-

digital com resoluo mnima de 12 bits (especificao da norma do PRODIST [7]), terem

taxa de amostragem entre 64 e 256 amostras por ciclo3, usarem memria no-voltil para

armazenar dados processados. Como meio de comunicao so usados modems, mdulos de

telefonia celular, comunicao serial, fibra tica e Internet [6][8][9][10][11][12].

Grande parte dos medidores consultados trata apenas de poucos indicadores estabelecidos

pelo PRODIST. Alguns monitoram a variao da tenso, sendo capazes de identificar e

registrar as ocorrncias de interrupes de energia e variaes de tenso de curta durao

(VTCD) [10]. Outros permitem a avaliao da distoro harmnica da tenso da rede e

flutuao da tenso [6] ou a avaliao da tenso em regime permanente [9]. Existem ainda

sistemas que agrupam conjuntos de diferentes medidores de forma a se obter flexibilidade na

obteno dos dados para os usurios finais [13].

Existem medidores nacionais e importados mais completos e de maior capacidade de

processamento de dados, evidentemente, com custo maior. O uso de tais medidores implicaria

em um custo total elevado para o uso em grande escala. Apesar das capacidades desses

medidores, alguns homologados pela ANEEL, ainda assim so encontradas discrepncias

entre os resultados das suas medies [14]. Isso se d pela forma como so implementados os

algoritmos de medio e a certas lacunas nas normas que permitem diferentes

interpretaes e implementaes no processamento dos dados, produzindo resultados

diferentes no final.

3 Ciclo da rede eltrica brasileira, que de 1/60s (frequncia igual a 60 Hz).

25

2.3 Concluso

S quase aps um sculo do estabelecimento do sistema eltrico, os governos e as

instituies ligadas rea de eletricidade comearam a regulamentar as questes relativas

QEE. O crescimento do sistema e sua demanda fizeram que se notasse a necessidade se

estudar a qualidade e de se melhorar um sistema que se tornara enorme. Outro ponto,

intrnseco ao anterior, a maior sensibilidade dos sistemas e equipamentos QEE do sistema

eltrico que os abastece; tais sistemas dependem de uma qualidade mnima para um

desempenho adequado.

No se deve esquecer, ainda, um conceito relativamente novo tambm, que o direito do

consumidor. Nascido no sculo passado, os pases passaram a legislar sobre a qualidade dos

produtos e servios fornecidos aos consumidores. A QEE entra nesse aspecto como produto e

servio fornecidos, sendo que sua m qualidade pode interferir ou danificar os equipamentos

eletro-eletrnicos do consumidor, ou mesmo afetar a qualidade da vida da populao, visto

que a energia eltrica est ligada diretamente ao cotidiano das pessoas. A interferncia nos

processos industriais devido aos distrbios na energia eltrica tambm notvel: as

paralisaes das plantas, as perdas de matrias-primas e de produtos implicam em um alto

custo. Devido a esses fatores, impe-se uma necessidade de qualidade mnima do servio e

produto fornecido. O inter-relacionamento desses pontos acabou por determinar um

movimento das instituies em direo da criao da rea de QEE.

26

3 Viso Geral

3.1 Objetivos

A presente dissertao de mestrado nasceu de um projeto de Pesquisa & Desenvolvimento

formado pela concessionria local, a ESCELSA, a Universidade Federal do Esprito Santo

(UFES) e a ANEEL. O objetivo do projeto foi o desenvolvimento de um medidor de QEE de

baixo custo, para ser usado em escala e no que implicasse em um alto custo. Outro objetivo

foi o de apresentar resultados satisfatrios e dentro das restries da norma vigente, mesmo

com as limitaes impostas por uma meta de ser de baixo custo (que implica em um projeto

enxuto e com elementos de custo baixo).

3.1 Mercado

Como os valores dos medidores no so informados de forma direta pelos fabricantes (e

seus representantes) em seus catlogos ou sites na Internet, fez-se uma consulta informal

concessionria local (ESCELSA) para o levantamento dos custos aproximados desses

aparelhos. Uma observao feita foi que a quantidade de aparelhos a ser comprada e a

relao entre a concessionria e o fabricante/representante implica em uma variao

considervel no preo final do medidor. Medidores mais simples apresentam o custo de

algumas centenas de reais, mas suas capacidades de monitoramento so limitadas, medindo

poucos parmetros. J os medidores mais completos, com monitoramento de corrente,

apresentam valores da ordem de uma dezena de milhar de reais. H ainda aparelhos que

monitoram apenas tenso, mas abordam de forma desejvel, vrios parmetros de QEE. Esses

medidores apresentam um custo em torno de alguns milhares de reais. Constatou-se, ento, a

existncia de basicamente trs tipos de medidores de QEE nos mercado: os de baixo custo,

que no atenderiam a norma, os de mdio e os de alto custo, os quais atenderiam a norma,

mas seriam onerosos e inviveis, respectivamente, para o uso em larga escala. Os medidores

de mdio e alto custo apresentam valores superiores a alguns milhares de reais (custo de

mercado) podendo chegar a dezenas de milhares de reais, como o caso de alguns medidores

do tipo Classe A. Com essa perspectiva de valores de mercado dos aparelhos, foi estabelecida

para o projeto uma meta de custo de produo de algumas centenas de reais para o medidor,

de forma que, como produto, ficasse com o custo em torno de um milhar de reais.

27

Como mencionado anteriormente, o medidor volta-se para a qualidade da tenso. H uma

razo para isso: o alto custo do Transformador de Corrente (TC). Para se realizar a medio

de corrente necessrio um TC adequado; este elemento apresenta custo bastante

significativo. Transformadores de corrente de preciso do tipo braadeiras (que podem ser

colocados em volta dos cabos da rede) tm custo alto, da ordem de centenas de reais deve-se

lembrar que so usados trs TCs devido rede ser trifsica. Mesmo os transformadores fixos

de preciso, apesar de mais baratos, tm um custo considervel, alm de implicarem na

necessidade de insero na rede (abertura da ligao do cabo) que no um processo

interessante, principalmente se o medidor no for usado de forma fixa. Deve-se observar que

o valor de um conjunto de TCs pode ser maior que o valor do medidor sem ele. Conforme

dados levantados com uma concessionria, o valor do conjunto de transformadores pode ser

de 3/4 do valor do medidor. Sem os TCs, alguns medidores tm seu valor reduzido a 1/4 do

custo do sistema completo.

Em funo do no monitoramento de corrente, o processamento do indicador de fator de

potncia (que depende da medio de corrente) no realizado. A anlise da variao da

frequncia da tenso tambm no realizada, pois no houve interesse do monitoramento

desse indicador pelas partes envolvidas no projeto. Deve-se observar que alguns indicadores

so relativamente mais importantes para a agncia reguladora, pois os dados levantados sobre

eles sero usados em regulamentaes futuras. Na seo 8.3 do PRODIST Disposies

Transitrias [7], a agncia reguladora expe seu interesse no planejamento do processo de

implantao dos indicadores de qualidade do produto energia eltrica para os fenmenos

harmnicos, desequilbrio de tenso, flutuao de tenso e variao de tenso de curta

durao, de forma que aps um perodo de testes realizado pelas concessionrias, sero

estabelecidos valores limites para esses parmetros. Todos esses indicadores so abordados

pelo medidor.

3.2 Mdulo 8 do PRODIST

O Mdulo 8 do PRODIST dividido em duas partes [7]: Qualidade do Produto e

Qualidade do Servio. A parte referente Qualidade do Servio busca estabelecer

procedimentos relativos qualidade do servio prestado pelas concessionrias aos

28

consumidores, sendo que entre seus focos est a Continuidade do Servio, i.e., indicadores

associados ocorrncia de interrupes do fornecimento da energia eltrica. A Qualidade do

Produto, relacionada com a conformidade do produto, aborda os seguintes indicadores:

Tenso em Regime Permanente; Fator de Potncia; Harmnicos; Desequilbrio de Tenso; Flutuao de Tenso; Variao de Tenso de Curta Durao; Variao de Frequncia.

O mdulo especifica as caractersticas para o desenvolvimento de um medidor de QEE,

definindo a instrumentao e metodologias de medies mnimas:

Taxa de amostragem: 16 amostras/ciclo; Converso analgico-digital: 12 bits; Preciso: 1% da leitura.

O medidor desenvolvido tem como proposta o atendimento das propostas e das

especificaes do PRODIST. Monitora em tempo real os principais indicadores de qualidade

do produto e de qualidade de servio (interrupes de energia), com o armazenamento local

de informaes, assim como a transmisso das mesmas para um servidor central, que ter o

objetivo de montar uma base de dados.

3.2 Medidor Proposto

O medidor monitora e registra (armazenando localmente) as informaes sobre as

interrupes ocorridas, os valores eficazes da tenso em regime permanente, os desequilbrios

de tenso (no caso das instalaes trifsicas), os componentes harmnicos da tenso, as

variaes de tenso de curta durao e a flutuao da tenso. O diagrama de blocos do

medidor pode ser observado na Fig. 3.1.

29

O medidor instalado em um Ponto de Acoplamento Comum (PAC). Ele foi projetado

para ser instalado em redes trifsicas do tipo estrela aterrada, mas permite instalaes em

redes monofsicas ou bifsicas (nesses casos, o monitoramento do indicador de desequilbrio

de tenso automaticamente desabilitado). As conexes para medio so do tipo fase-neutro.

Sua tenso nominal de trabalho de 127V 25%, com frequncia da rede igual a 60Hz.

Permite monitorar indiretamente mdias tenses, sendo necessrio o uso de transformadores

de potencial para a reduo das tenses para a faixa adequada e a configurao do parmetro

de multiplicao, no qual se informa a relao de transformao realizada, e dos valores de

tenso das faixas de conformidade. Para o uso do medidor em sistemas de baixa tenso

diferente da nominal, pode-se usar a soluo anterior.

Fig. 3.1 Diagrama de blocos do medidor.

A alimentao do sistema obtida diretamente da rede. O bloco 1 (Fig. 3.1) realiza a etapa

de Transformao e reduz a tenso da rede para nveis adequados para a Fonte de

Alimentao do medidor (bloco 2). A fonte de alimentao apresenta uma bateria, para

manter o sistema em funcionamento durante as interrupes ou afundamentos severos de

Rede de BT

2. Fonte de Alimentao

1. Transformao

3. Circuito da Bateria

4. Adequao da Tenso 5. Filtragem

6. Converso Analgico-Digital

7. Microcontroladores

9. Circuito de comunicao

Canal de comunicao

Medidor

Concessionria

Consumidor

Servidor

8. Memria no-voltil

30

tenso. Ao bloco 2 est ligado o bloco 3, denominado Circuito da Bateria, responsvel por

recarregar a bateria.

A parte de processamento de sinal e dos indicadores do circuito composta pelos blocos

4, 5, 6 e 7. O bloco 4 realiza a Adequao da Tenso da rede (ligao do tipo fase-neutro)

para nveis adequados ao circuito (faixa entre 0 e 5V). Aps a adequao, os sinais passam

pelo bloco 5 (Filtragem), que composto por filtros passa-baixas (um para cada fase) que

ajustam a banda de frequncia dos sinais frequncia de amostragem e elimina o efeito do

aliasing [15]. O bloco 6, chamada Converso Analgico-Digital realiza a leitura e a

converso A/D do sinal de tenso. Este sinal digital enviado ao bloco 7, o dos

Microcontroladores, no qual h dois microcontroladores. Um deles trabalha

especificamente com o processamento dos sinais e a extrao dos dados; ele quem recebe os

sinais digitais e os processa. O segundo microcontrolador responsvel por controlar o

medidor: define as tarefas do primeiro microcontrolador, recebe os dados processados, grava-

os em uma Memria no-voltil (bloco 8) e realiza a comunicao com o sistema

Servidor, atravs do bloco 9, o Circuito de Comunicao.

O Circuito de Comunicao tem um mdulo de celular e um carto SIM (para se conectar

na rede de telefonia mvel) e usa o sistema GSM/GPRS para se conectar ao Servidor,

localizado na concessionria. O diagrama de conexo do sistema est exposto na Fig. 3.2.

Como se poder ver, um conjunto de medidores se conecta no Servidor atravs da rede de

telefonia celular, usando o sistema GPRS como caminho, passando, em seguida, pela

Internet at chegar ao Servidor. O Servidor tem como funo comandar os medidores e

agregar os dados enviados. Ele ainda realiza um ps-processamento desses dados e os

armazena em um banco de dados. A partir da eles esto disponveis aos usurios na

concessionria.

Fig. 3.2 Diagrama de blocos geral do sistema.

Servidor

Medidor n

Rede GPRS/GSM

Medidor 1

TCP-IP Internet

31

3.3 Medidor Implementado

Aps a definio dos circuitos bsicos do projeto, o primeiro prottipo foi construdo e

foram realizados testes para verificar a sua funcionalidade. Com a aprovao do hardware do

prottipo, a verso final do medidor foi definida. Com a fabricao das placas e a montagem

dos componentes, foram produzidas unidades do medidor. A Fig. 3.3 apresenta o medidor

final em sua caixa.

Fig. 3.3 Medidor final em sua caixa.

O medidor mostrado aberto na Fig. 3.4, com suas placas expostas: A a placa

principal e B a placa fonte. A letra C indica a antena do mdulo de celular que fica

dentro da caixa (de material plstico) e D o cabo de conexo do medidor rede eltrica,

com garras do tipo jacar para serem fixados nos cabos das fases e terra.

Fig. 3.4 Imagem do medidor aberto.

32

A Fig. 3.5 apresenta o medidor aberto com sua placa principal removida. Nela est

indicada a placa fonte pela letra A e sua bateria (usada no caso de corte de energia),

indicada por B. O conjunto de trs transformadores, conforme o diagrama da Fig. 4.1, est

indicado por D. O transformador indicado por C alimenta o circuito da bateria e fornece a

tenso para recarreg-la.

Fig. 3.5 Medidor aberto sem a placa principal.

A parte superior da placa principal apresentada na Fig. 3.6. A letra A indica o

microcontrolador que controla a placa e realiza a comunicao com o sistema servidor. A letra

B indica os circuitos de adequao, filtragem e converso A/D, conforme indicado nos

blocos 4, 5 e 6, respectivamente, do diagrama de blocos da Fig. 3.1.

Fig. 3.6 Vista superior da placa principal do medidor.

33

A letra C indica o carto de armazenamento de dados; D o mdulo de celular para

comunicao; E so botes para comando local da placa; e F so LEDs indicadores. A

Fig. 3.7 exibe a parte inferior da placa, sendo que o microcontrolador responsvel pelo

processamento dos sinais est indicado pela letra A; o carto SIM, necessrio para a

conexo do mdulo rede GSM/GPRS, est indicado por B.

Fig. 3.7 Vista inferior da placa principal do medidor.

A placa de fonte exibida na Fig. 3.8. A regio indicada por A responsvel pela

alimentao do medidor; B indica as protees do sistema, composta por fusveis e

varistores; e a regio indicada pela letra C o circuito da bateria, responsvel por recarreg-

la.

Fig. 3.8 Vista da placa fonte do medidor.

34

Ainda so indicados na imagem os conectores da placa:

1 o conector das fases, que est ligado as fases da rede, alm do terra; 2 o conector dos transformadores, que liga a eles as fases, para que a tenso

seja reduzida e depois retificada para alimentar a fonte do circuito;

3 o conector da placa principal, no qual esto ligadas as tenses das fases (para a medio), as tenses de alimentao e os sinais de comando;

4 o conector da bateria, na qual est ligada a bateria e o transformador que alimenta o circuito de recarga.

Por fim, a Fig. 3.9 apresenta a foto do medidor operando no laboratrio e realizando o

monitoramento da rede. Por simplicidade, foi montada uma caixa composta pelas fases da

rede (na qual o medidor est ligado por fios comuns), indicada por A.

Fig. 3.9 Foto do medidor operando.

35

3.4 Concluso

A partir da anlise dos medidores de QEE existentes no mercado, na qual foram

observadas suas capacidades, limitaes e custos, e das exigncias e necessidades do

PRODIST, foi projetado um medidor de QEE que atingisse os objetivos de baixo custo e a

obteno de informaes sobre a QEE da tenso da rede, conforme os requisitos da norma.

Neste captulo foi dada uma viso geral do medidor, analisando-se seu diagrama de blocos

e suas funcionalidades. A partir do desenvolvimento e teste de um prottipo, pde-se definir a

verso final do medidor, que foi exibida neste captulo. Os diagramas eltricos dos circuitos

do medidor podem ser vistos no Apndice E Diagramas dos Circuitos do Medidor.

36

4 Especificaes e Desenvolvimento do Medidor

Com o projeto, a implementao e a realizao de testes do prottipo, pde-se observar

seu desempenho e funcionalidade, permitindo, ento, a definio da verso final do medidor.

4.1 Hardware

O hardware idealizado para o medidor no diagrama de blocos da Fig. 3.1 foi

implementado e na sua verso final, o medidor foi dividido em duas partes (placas): placa de

alimentao e placa de processamento. Dessa forma, isolou-se a parte de potncia do

sistema (alimentao e as suas protees) da parte voltada ao processamento. Isso deu

modularidade ao sistema, no sentido de que caso ocorra algum problema na placa de

alimentao, por exemplo, basta que apenas ela seja substituda e a outra pode ser mantida.

Em um sistema com uma placa nica, um determinado defeito pode significar a perda

completa do medidor, mesmo que as outras partes estejam funcionando adequadamente.

A placa de alimentao contm os blocos 1, 2 e 3 do diagrama da Fig. 3.1. Ela

responsvel pela alimentao do medidor, pelo sistema de recarga da bateria e pelas protees

eltricas. A placa de processamento tem os blocos restantes, que esto associados medio e

ao processamento de dados, alm da comunicao com o Servidor.

4.1.1 Bloco de Transformao e Fonte de Alimentao

Primeiramente, um cabo externo traz para a caixa do medidor os fios das fases e do

neutro. Internamente, este cabo conectado na placa de alimentao e passa pelas protees

(fusveis e varistores). Depois as fases e o neutro so levados para um banco de

transformadores, como mostrado na Fig. 4.1. Atravs de outra conexo, as fases e o neutro

tambm so levados para a placa de processamento para a amostragem das tenses da rede

eltrica , junto com as tenses reguladas para a alimentao (3,3V e 5V).

O medidor usa um conjunto de trs transformadores com ligao monofsica nos

primrios (um para cada fase); no secundrio feita retificao monofsica de onda completa

37

usando o center tap ligado ao neutro4. Deve-se notar que esta no uma topologia trifsica,

mas sim uma topologia monofsica que usa trs transformadores. A ideia bsica de ter uma

redundncia de transformadores, ou seja, se uma ou duas fases so interrompidas ou sofrem

afundamentos severos, o sistema continua sendo alimentado sem problemas pela outra fase.

Esta topologia permite que a bateria seja usada somente quando ocorre um problema nas trs

fases. Com a reduo do uso da bateria, aumenta-se a sua vida til.

Fig. 4.1 Bloco de Transformao e Fonte de Alimentao.

No diagrama da Fig. 4.1 pode ser visto que a tenso retificada dos secundrios, Vretificada,

forma a tenso VCC, que energiza o bloco Regulao. Esse bloco contm os reguladores

lineares que alimentam o circuito do medidor. No caso de falha nas trs fases (interrupes ou

afundamentos severos), o sistema comanda a comutao de um rel e a bateria, com sua

tenso Vbateria, passa a alimentar o circuito.

4.1.2 Bloco do Circuito da Bateria

O bloco do Circuito da Bateria responsvel pela recarga da bateria. basicamente um

conversor buck controlado pelo BQ2000, um circuito integrado (CI) da Texas Instruments. 4 Devido medio do tipo fase-neutro e forma de transformao, o neutro (ou terra) compartilhado por todo o circuito como referncia.

Fase A

Fase B

Fase C

Bateria

Rel

VCC

VbateriaVretificada

5V

3,3V Regulao

NF NA

38

Ele capaz de trabalhar com diferentes tipos de bateria, como NiCd, NiMH e Li-Ion, sendo

possvel ser programado atravs da combinao de componentes passivos (resistores e

capacitores) ligados a seus terminais. Dessa forma, pode-se definir o nmero de clulas da

bateria, tempo de carga e o valor da corrente, por exemplo.

O diagrama do circuito pode ser observado de forma simplificada na Fig. 4.2. O CI

controlador realiza amostragens do valor de tenso da bateria e identifica seu estado. Ele usa

um resistor de baixa resistncia (Rshunt) para monitorar (e limitar) a corrente de recarga da

bateria e controlar a frequncia de chaveamento do transistor. O controle de fim recarga

feito por tempo ou variao de tenso (o que ocorrer primeiro) [16]. A bateria usada do tipo

NiMH e no Apndice B Recarga de Bateria trata-se dos aspectos bsicos de como deve ser

feita a recarga das baterias baseadas em Nquel.

Fig. 4.2 Bloco do Circuito da Bateria.

O circuito de recarga alimentado por um quarto transformador, no qual realizada

retificao monofsica de onda completa e produz uma tenso superior ao valor de tenso da

bateria. O primrio do transformador ligado de forma monofsica em uma das fases sem

definio de preferncia. Como a recarga realizada por um perodo de tempo relativamente

curto (algumas horas) em relao ao perodo de medio, no h maiores problemas no caso

de interrupo na fase usada.

Bateria

CI controlador

Vin

Rshunt

39

4.1.3 Bloco de Adequao de Tenso

Para o processamento dos sinais de tenso da rede eltrica necessrio sua reduo para

os nveis de tenso de trabalho dos CIs utilizados. O uso de transformadores para esse tipo de

processo foi descartado, pois transformadores simples introduziriam distores e afetariam a

preciso do sistema, que restrita pela norma; transformadores de preciso e adequados

apresentariam custo elevado e seriam incompatveis com os objetivos do projeto o uso de

outros tipos de elementos para isolao implicaria no mesmo problema. A soluo adotada foi

o uso de amplificadores operacionais, sem isolao, configurados para reduo dos sinais,

como ilustrado na Fig. 4.3.

Fig. 4.3 Circuito adequador (redutor) de tenso de fase.

O circuito da Fig. 4.3 basicamente um amplificador inversor com soma de offset. Sua

funo reduzir o sinal de tenso CA da rede eltrica a uma faixa de excurso em torno de

2V e som-lo a um offset de tenso para que o sinal se torne CC e varie entre de 0 a 4V. O

amplificador operacional usado foi o MCP6004, que um CI composto de quatro

amplificadores operacionais de baixo offset interno e corrente de polarizao, alimentao

unipolar (5V) e que pode operar por toda faixa de alimentao (0 a 5V) [17].

Fazendo-se as devidas consideraes, pode se equacionar facilmente o circuito e se obter a

tenso de sada vo. No caso, desprezando-se as correntes de polarizao de entrada dos

terminais positivo e negativo do CI (insignificantes e da ordem de nA) e se considerando os

terminais em um curto-circuito virtual, ou seja, com mesma tenso (v+ = v-). Tem-se que vi a

40

tenso de fase na entrada e Vref uma tenso usada para gerar o offset. Ela proveniente do

MCP1541, que um CI com funo especfica de fornecer tenso de referncia [18] igual a

4,096V, valor convenientemente mltiplo de 2 e usado tambm pelo conversor A/D como

referncia de tenso para converso. Com isso, pode-se obter como equaes bsicas:

1 2 3i i i= + (1) 5

5 6ref

Rv v VR R +

= = + (2)

1 1 2 2iv i R i R= + (3) 3 4ov v i R= (4)

2 2 3 3v i R i R = (5)

Substituindo-se (1) em (3) obtm-se:

3 1 2 1 2( )iv i R i R R= + + (6)

Substituindo-se (2) em (4) e igualando-se (2) e (5) tm-se (7) e (8), respectivamente:

53

4 5 6 4( )o

refR vi V

R R R R= + (7)

52 2 3 3

5 6ref

RV i R i RR R

= + (8)

Substituindo (7) em (8) obtm-se:

5 3 4 32

2 4 5 6 2 4

( )( )

oref

R R R v Ri VR R R R R R

+= + (9)

Substituindo (7) e (9) em (6) tem-se:

5 5 3 4 31 1 2

4 5 6 4 2 4 5 6 2 4

( ) ( )( ) ( )

o oi ref ref

R v R R R v Rv V R V R RR R R R R R R R R R

+= + + + +

41

1 5 1 5 3 4 1 2 3 1 2

4 5 6 4 2 4 5 6 2 4

( )( ) ( )( ) ( )

o oi ref ref

R R R v R R R R R v R R Rv V VR R R R R R R R R R

+ + += + + +

1 2 5 1 3 5 2 3 5 1 4 5 2 4 5 1 2 1 3 2 3

2 4 5 2 4 6 2 4i ref o

R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R Rv V vR R R R R R R R

+ + + + + += +

( )( )( )2 4 1 2 5 1 3 5 2 3 5 1 4 5 2 4 5 2 41 2 1 3 2 3 2 4 5 2 4 6 1 2 1 3 2 3o ref i

R R R R R R R R R R R R R R R R R R Rv V vR R R R R R R R R R R R R R R R R R

+ + + + = + + + + +

Logo, vo = f(vi), pois Vref constante e as resistncias podem ser definidas livremente.

Para simplificar a equao, faz-se R1= R2= R3= R e R5= R6= r e se tem:

( )4 43 26 3o ref i

R R Rv V vR R+=

4 412 3 3o ref i

R Rv V vR R

= + (10)

Como se deve reduzir a tenso da rede, que tem amplitude da ordem de 200V, para

amplitude da ordem de 2V, escolheu-se R = 44,2k e R4 = 1,13k e, sendo Vref = 4,096V,

tem-se a valor instantneo da sada do adequador (CC e excursionando em torno de 2V) na

equao (11):

2,0829 0,0085o iv v= (11)

4.1.4 Bloco de Filtragem

Com a reduo das tenses de fase da rede para nveis adequados, deve-se realizar a

filtragem dos sinais para remover as altas frequncias dos espectros e eliminar os efeitos do

aliasing no processo de amostragem. O filtro Butterworth, que tem atenuao monotnica, foi

escolhido por diversos fatores, tais como: facilidade de projetar, ter resposta plana (pouco

inclinada) na sua banda passante e ganho unitrio esses aspectos melhoram com o aumento

da sua ordem e ter uma topologia simples e de fcil implementao, chamada Sallen-Key,

42

relativamente insensvel a pequenas variaes dos valores dos componentes [19]. Como

desvantagem ele no apresenta forte atenuao aps a frequncia de corte se comparado a

outros filtros de mesma ordem, havendo necessidade do uso de ordens superiores. Outro

ponto que sua fase no linear o que no um problema, conforme explicado adiante.

Dessa forma, sua caracterstica plana foi decisiva para sua escolha, pois outros filtros

apresentam ripple, o que pode produzir distores. O circuito da topologia do filtro Sallen-

Key apresentada na Fig. 4.4. Este circuito um filtro de ordem 2.

Fig. 4.4 Circuito da topologia Sallen-Key.

A funo de transferncia do circuito dada pela equao (12).

( )21 2 1 2 2 1 21( )

1H s

C C R R s C R R s= + + + (12)

A frequncia de ressonncia wc do filtro pode ser calculada atravs do coeficiente do

termo s2, conforme a equao (13); o coeficiente do termo s se relaciona com o produto

da frequncia de ressonncia com o fator Q do filtro, como na equao (14).

2

1 2 1 2

1cw C C R R= (13)

( )2 1 21

cQ w C R R = + (14)

O PRODIST determina que o medidor deve processar, no mnimo, at a 25 componente

harmnica da tenso [7]. Definiu-se, ento, a frequncia de amostragem igual a 7,68kHz, que

equivale a 128 amostras por ciclo de rede. Como a 25 componente harmnica igual a

43

1,5kHz, estabeleceu-se a frequncia de corte do filtro em 1,8kHz, que superior a ltima

harmnica de interesse. Dessa forma, foi definido o uso de um filtro ativo passa-baixas

Butterworth de 8 ordem, formado por quatro blocos em cascata de filtros de 2 ordem Sallen-

Key, e que apresenta caractersticas convenientes para o projeto. O programa FilterLab, da

Microchip [20], foi usado para projetar do filtro e determinar os valores de seus componentes.

O filtro est ilustrado na Fig. 4.5. Pode-se observar a srie de quatro blocos de filtros de 2

ordem formando o filtro final Butterworth de 8 ordem. O amplificador operacional usado o

MCP6004.

Fig. 4.5 Circuito de filtragem.

Uma simulao da resposta do filtro (ganho e fase) foi feita no MATLAB e est ilustrada

na Fig. 4.6. Na figura, a frequncia de corte de 1,8kHz indicada junto com sua atenuao de

amplitude, de aproximadamente 3dB. A frequncia de corte dos blocos do filtro pode ser

facilmente calculada a partir dos valores dos componentes escolhidos, substituindo-os na

equao (13) e fazendo fc = wc / 2, de onde se obtm aproximadamente 1,8kHz. Sendo de 8

ordem, o filtro atenua adequadamente a banda de rejeio, posterior metade da frequncia

de amostragem (3,84kHz) como requer o Teorema da Amostragem para eliminar o aliasing.

A atenuao a partir de 3,84kHz superior a 52dB.

44

Fig. 4.6 Resposta do filtro em Magnitude (dB) e Fase (graus) x Frequncia (Hz)

Deve-se notar que h uma variao da fase com a frequncia. Como os indicadores so

calculados em funo do valor eficaz, no h maiores problemas. O valor eficaz calculado

atravs de janelas de tempo que incluem vrios ciclos de rede da frequncia fundamental,

logo, para frequncias maiores existiro bem mais ciclos contidos na janela e o deslocamento

de fase em relao fundamental no far diferena para o clculo do valor eficaz. Outra

observao que para os outros indicadores, diferentemente dos harmnicos, foi adotada uma

subamostragem, feita sobre taxa principal. Na maioria deles, a taxa a metade, ou seja, 64

amostras/ciclo (3,84kHz). Para o caso do indicador de flutuao, a taxa usada de 16

amostras/ciclo (960Hz). A subamostragem tem como objetivo a reduo da carga de

processamento, visto que as taxas reduzidas produziram resultados adequados para os

indicadores.

4.1.5 Bloco de Converso Analgico-digital

O circuito de Converso A/D usa trs CIs MCP3102 [21] para a converso dos sinais

filtrados. Ele um conversor A/D com resoluo de 12 bits requisio mnima da norma.

Usa como referncia de tenso os 4,096V5 gerados pelo MCP1541 e se comunica com o

bloco dos microcontroladores atravs de um barramento SPI. As trs amostragens so

5 Deve-se observar que, trabalhando-se com um Conversor A/D em 12 bits, tem-se 212 = 4096 nveis. O uso de uma tenso de referncia igual a 4,096V permite uma converso redonda de 1mV/nvel.

45

realizadas paralelamente, de forma que o posterior clculo do fator de desequilbrio no seja

afetado.

4.1.6 Bloco dos Microcontroladores

O bloco contm dois microcontroladores dsPIC33FJ256GP710, da Microchip [22]. Seu

diagrama de blocos geral pode ser visto na Fig. 4.7.

Fig. 4.7 Diagrama de blocos geral do dsPIC33.

46

So microcontroladores de 100 terminais, 256kB de memria de programa e 30kB de

memria RAM. Esses microcontroladores apresentam um hardware hbrido: contm as

caractersticas comuns dos microcontroladores RISC e similares aos DSPs, com hardware

apropriado para processamento de sinal. Ambos trabalham numa taxa de aproximadamente 40

MIPS e usa arquitetura Harvard modificada, na qual o os barramento de dados e de instrues

(memria de programa) so separados a modificao significa que dados podem ser

mantidos na rea da memria de programa.

Deve-se notar que os microcontroladores apresentam conversores A/D, mas como a

resoluo dos mesmos de 10 bits, no podem ser usados, pois o PRODIST estabelece uma

resoluo mnima de 12 bits. Outros microcontroladores da famlia apresentam conversores

de 12 bits, mas eles s permitem amostragem sequencial. Isso significa que as fases no

poderiam ser amostradas ao mesmo tempo, s uma aps a outra. Tal fato inviabiliza o uso dos

mdulos de converso, pois implicariam em erros no processamento dos sinais.

No circuito h um microcontrolador responsvel pelo processamento dos sinais. Aps esse

processamento, os dados so enviados para o segundo microcontrolador, que os armazena.

Eles se comunicam entre si de forma serial. O segundo microcontrolador responsvel pelo

controle do medidor e por se comunicar com o Servidor, passando-lhe os dados medidos e

outras informaes pertinentes (atravs do bloco do Circuito de Comunicao).

4.1.7 Bloco Memria no-voltil

Este bloco contm um carto SD, que armazena os dados processados at que sejam

enviados ao Servidor. O carto uma memria no-voltil do tipo flash. A memria do carto

usada de forma circular, tal que depois de preenchido, os novos dados sobrescrevem os

antigos que j foram enviados ao Servidor e esto em um banco de dados. Se necessrio, os

dados podem ser lidos diretamente do carto usando-se um programa apropriado. O carto

controlado pelo microcontrolador que gerencia o medidor e se comunica com ele serialmente

via SPI [23][24]. Para que o medidor seja iniciado, o carto deve estar inserido.

4.1.8 Bloco do Circuito de Comunicao

47

Este bloco contm um mdulo de celular G24, da Motorola, e um carto SIM, para a

conexo do mdulo na rede de telefonia mvel. O G24 um mdulo GSM quadriband,

podendo operar nas bandas de 850, 900, 1800 e 1900MHz [25][26]. Ele se comunica

serialmente com o microcontrolador e faz o envio e a recepo de dados usando a rede

GPRS/Internet. Apresenta a camada de transporte do modelo OSI implementada, ou seja, tem

uma pilha TCP-IP preparada, o que simplifica o trabalho do microcontrolador para se

conectar Internet.

4.1.9 Sistema de Telefonia Mvel

Nas ltimas duas dcadas a cobertura da rede de telefonia mvel GSM tornou-se bem

ampla, cobrindo uma considervel rea no pas, como ilustrado na Fig. 4.8 [27]. A

disponibilidade da rede no Esprito Santo tambm se tornou grande, com diversas operadoras.

O mapa na Fig. 4.9 exibe a distribuio do nmero de operadoras por regies no estado.

Fig. 4.8 reas com cobertura GSM.

48

Fig. 4.9 Nmero de operadoras de telefonia mvel por regio no ES.

Com a reduo dos custos dos servios de transferncia de dados, este meio se tornou

vivel para sistemas de monitoramento remoto. Ao contrrio do padro no qual o custo da

comunicao baseia-se no tempo de uso do canal de conexo, os atuais sistemas de

transferncia de dados da rede mvel baseiam-se na quantidade de dados transferidos. E mais,

as redes de comunicao podem ser do tipo on-line, i.e., estar sempre disponvel, no sendo

necessrio realizar conexes a cada nova transferncia, tm taxa de transferncia

relativamente alta e dispensam os habituais meios fsicos de conexo, os cabos. A tecnologia

adotada para dar suporte comunicao foi o GPRS. Popular no sistema GSM, este servio

tem grande cobertura no pas e no estado, como se pode ver indicado na Fig. 4.10.

Fig. 4.10 reas com cobertura GPRS no pas.

49

4.1.10 Rede GPRS

O sistema GPRS uma tecnologia de transferncia de dados realizada atravs do sistema

de telefonia mvel GSM. A rede GPRS sempre ativa, ou seja, o usurio est sempre

conectado no necessariamente usando seu canal ou seus recursos; s os usa quando

requerido. Antes da transmisso, a informao dividida em pacotes relacionados entre si.

Essa diviso permite que pacotes de diferentes usurios trafeguem pela rede de forma

concorrente e, no importando a ordem, ao chegar ao destinatrio a informao original

remontada (esse o mesmo princpio utilizado na Internet).

4.2 Metodologia de Clculos

Para efetuar o processamento dos sinais de tenso foram seguidas as metodologias

sugeridas pela norma. Os indicadores processados foram: tenso em regime permanente,

harmnicos, desequilbrio de tenso, flutuao de tenso, variao de tenso e interrupes.

4.2.1 Tenso em Regime Permanente

Este indicador composto por um conjunto de leituras que dever compreender o registro

de 1.008 intervalos vlidos, obtidos de forma consecutiva. O perodo de integralizao de 10

minutos, salvo intervalos eventualmente expurgados. No caso de expurgao, intervalos

adicionais devem ser agregados, sempre consecutivamente, de forma que os 1.008 intervalos

vlidos sejam contabilizados. Esses 1.008 intervalos vlidos de 10 minutos correspondem a

168 horas ou 7 dias de medio. Essas so as especificaes do PRODIST. Para atender a

concessionria, o medidor tem maior flexibilidade e permite que o perodo de integralizao

dos intervalos seja configurado em 1, 5, 10 e 15 minutos6. O perodo de integralizao e as

regras de expurgao dos intervalos so aplicados de forma idntica nos outros indicadores.

A ocorrncia de interrupo de energia (em qualquer uma das fases) durante um ou mais

intervalos implicar na expurgao dos mesmos na anlise final para efeito de controle, os

intervalos expurgados so mantidos armazenados. A Fig. 4.11 exemplifica como feita a

expurgao. A faixa A representa um intervalo vlido de 10 minutos finalizado. Aps ele se 6 O medidor permite tambm que o perodo total de leitura seja configurado em 1, 3 e 7 dias.

50

inicia um novo intervalo, representado pela faixa B. Durante este intervalo ocorre um

VTCD (afundamento), com um tempo Tcic equivalente a alguns ciclos de rede os VTCDs

no interferem na validade do intervalo7. Em seguida ocorre uma interrupo. Ela

determinada quando a tenso se mantm abaixo de 0,1 pu por um perodo de tempo t maior

ou igual a Tint8. O intervalo B expurgado e dever ser substitudo por um intervalo

consecutivo de forma que a contabilizao seja de 1.008 pontos. Na sequncia a leitura

continua e intervalos vlidos, representados pelos pontos C e E, respectivamente, vo

sendo processados.

Fig. 4.11 Grfico para exemplificao de expurgao de intervalo.

O valor do intervalo representa a tenso eficaz de cada fase durante o perodo de medio.

Esses valores eficazes so calculados a partir das amostras coletadas em janelas sucessivas.

Cada janela compreende uma sequncia de doze ciclos da rede (0,2s), sendo que a taxa de

amostragem do ciclo de 64 amostras logo, uma janela composta por 768 amostras. Um

intervalo de 10 minutos composto por 3.000 janelas de 0,2s. O clculo da integralizao do

intervalo x dado por (15):

21 jani

N

x janijan

V VN

= (15) sendo: Vx: valor eficaz do intervalo x integralizado durante o perodo (usualmente 10 minutos); Njan: nmero de janelas no intervalo (3.000 janelas para um intervalo de 10 minutos); Vjan i: valor mdio quadrtico da janela i, que dado pela equao (16), onde vj o valor da amostra j da janela:

7 Revises do Mdulo 8 do PRODIST sugerem que a ocorrncia de VTCD tambm expurgue o intervalo, mas isso depender de aprovao. 8 O PRODIST estabelece que a durao de Tint igual a 3 minutos (o medidor permite o uso de 1 ou 3 minutos).

1pu

0,1pu

VTCD

t > Tint

A: t=10min B: t=10min C: t=10min D Tenso Eficaz

Tempo

Tcic

Interrupo

51

76821

768ijan jjV v= (16)

O conjunto de intervalos lidos ser usado para o clculo do ndice de durao relativa da

transgresso para tenso precria (DRP) e crtica (DRC) de acordo com as expresses (17) e

(18):

[ ]100 %1008nlpDRP =

(17)

[ ]100 %1008nlcDRC =

(18) sendo: nlp = nmero de leituras na faixa precria; nlc = nmero de leituras na faixa crtica.

As faixas de tenso adequada, precria e crtica so especificadas pela norma como na

Fig. 4.12. A tenso de referncia usada pelo medidor de 127V (fase-neutro). Idealmente,

espera-se que o sistema mantenha-se na faixa adequada a maior parte do tempo.

Fig. 4.12 Faixas de classificao de tenso [7].

sendo: a) Tenso de referncia: TR; b) Faixa Adequada de Tenso: (TR - ADINF, TR + ADINF); c) Faixas Precrias de Tenso: (TR + ADSUP, TR + ADSUP + PRSUP ou TR - ADINF - PRINF, TR - ADINF); d) Faixas Crticas de Tenso: (>TR + ADSUP + PRSUP ou

52

No Anexo I do PRODIST h um conjunto de tabelas que determina as faixas de tenso

para vrias tenses de referncia em redes de baixa, mdia e alta tenso. A Tabela 4.1 exibe as

faixas de tenso para a tenso contratada monofsica de 127V.

Tabela 4.1 Faixas de classificao de tenso [7].

Tenso de Atendimento Faixa de variao Crtica superior V > 140V

Precria superior 133 < V 140 Adequada 116 V 133

Precria inferior 109 V < 116 Crtica inferior V < 109

4.2.2 Harmnicos

O indicador de harmnicos trata da distoro harmnica sofrida pela forma de onda da

tenso em relao sua forma (idealizada) senoidal. Este fenmeno causado pela existncia

de componentes de tenso com frequncias diferentes da fundamental, que 60Hz. O

indicador levanta dois parmetros: a distoro harmnica total de tenso (DTT) e distoro

harmnica individual de tenso (DIT). Os componentes individuais so formados por

frequncias mltiplas inteiras de 60Hz e a norma exige o processamento dos 25 primeiros

componentes (no mnimo). A distores harmnicas tambm podem ser produzidas por

componentes mltiplos no inteiros de 60Hz, denominados inter-harmnicos9, mas a norma

no os aborda.

A taxa de amostragem para o clculo da distoro de 128 amostras por ciclo de rede. A

janela de clculo das distores de 8 ciclos, o que equivale a um total de 1.024 amostras.

Essas amostras so processadas usando-se a Transformada Discreta de Fourier (DFT). Na

verdade, como se pode observar, o valor de amostras mltiplo de potncia de 2. Isso permite

o uso de um algoritmo de DFT de alto desempenho, que possibilita os clculos extremamente

rpidos. Tal algoritmo chamado de Transformada Rpida de Fourier (FFT). As bibliotecas

que acompanham o ambiente de desenvolvimento do dsPIC33 oferecem tal ferramenta [28].

9 O termo inter-harmnico est bem difundido para componentes mltiplos no inteiros da fundamental, mas possvel se encontrar o termo sub-harmnicos para componentes com valores no inteiros inferiores a 1.

53

Processada a janela, so obtidos os valores de tenso dos componentes harmnicos. O

DIT de ordem h, em percentual da fundamental, deve ser calculado conforme a equao

(19).

1

% 100 hhVDITV

= (19)

sendo: Vh: tenso de componente harmnico de ordem h; V1: tenso do componente fundamental.

O valor da DTT, em percentual da fundamental, calculado conforme (20):

25

2

2

1

% 100h

iV

DTTV==

(20)

sendo: Vh: tenso de componente harmnico de ordem h, que vai do 2 at o 25 componente; V1: tenso do componente fundamental.

A norma estabelece valores de referncia globais das DTTs (em per