SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

GOP-0819 a 24 Outubro de 2003

Uberlândia - Minas Gerais

GRUPO IX GRUPO DE ESTUDO DE OPERAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS – GOP

CURVA DE CAPABILIDADE: MONITORAÇÃO EM TEMPO-REAL DO PONTO DE OPERAÇÃO DAS UNIDADES DE ITAIPU

Jorge Habib Hanna El Khouri* Alberto de Araújo Bastos Antônio Reinaldo Sertich Itaipu Binacional Itaipu Binacional Itaipu Binacional

RESUMO Este aplicativo está integrado ao conjunto SCADA/EMS de Itaipu [1][2], possuindo interface com o Sistema Especialista - G2, e com o CAG, o qual utiliza os limites calculados pelo MSE para compor a faixa de operação da unidade geradora, e no controle de intercâmbio a fim de não superar a capacidade de transmissão dos setores. A operação de Itaipu, a partir desta ferramenta, passa a dispor de um mecanismo adicional para melhorar a eficiência na produção de energia. PALAVRAS-CHAVE Curva de Capabilidade. Capacidade de Transmissão. Limite Térmico. Usina hidrelétrica. SCADA. Supervisão e controle.

1.0 - INTRODUÇÃO O aplicativo MSE – Monitoramento do Sistema Elétrico [3][4][5] tem como principal objetivo implementar funcionalidades que podem ser resumidas nos seguintes processamentos:

• Cálculo de Limites Térmicos de: • Linhas; e • Trafos

• Obtenção da Curva de Capabilidade das Unidades Geradoras

• Cálculo da Capacidade de Transmissão dos Setores

A tela principal do MSE se apresenta da seguinte forma:

FIGURA 1: TELA PRINCIPAL DO MSE.

Além de permitir a navegação para as telas de limites, é neste diagrama que são fornecidas informações sobre as condições ambientais, como condição do vento, condição do sol e temperatura (adquirida em tempo-real, porém com possibilidade de entrada manual). O aplicativo MSE é composto por dois programas:

• CALIMT: Implementa o cálculo dos limites de trafos, linhas e capacidade de transmissão;

* Usina Hidrelétrica de Itaipu - CEP 85866-900 - Foz do Iguaçu - PR - BRASIL Tel.: (45) 520-3471 - Fax: (45) 520-3500 - E-MAIL: habib@itaipu.gov.br

2

• CALGUC: Implementa o cálculo da curva de capabilidade de cada unidade geradora;

Na tela principal são definidos os parâmetros de execução e disparo destes programas, ou seja:

• Periodicidade de execução em segundos (T);

• Iniciar o disparo periódico de T em T segundos;

• Suspender o disparo periódico; • Executar o módulo uma vez;

O usuário deve certificar o correto ajuste destes dados, sendo normalmente T = 4 segundos; e execução periódica. Estando ajustado desta forma, a confirmação é feita através dos campos na tela:

• Período de Exec./Ejec. 4 segundos • Estado do/del disparo: On

Segue uma descrição detalhada das interfaces e de cada uma das principais funcionalidades do ESM.

2.0 - INTERFACES EXTERNAS O seguinte diagrama ilustra a relação entre o MSE e outros módulos do sistema SCADA/EMS:

ESM

• Calcular limites, normal e deemergência, de linhas e trafos;

• Calcular a capacidade detransmissão de cada setor, levandoem conta o fator de potência;

• Calcular as curvas de capabilidadedas UG’s e os limites deMVA/MVar, em função da tensãoterminal

MEASUREMENTSYSTEM

EVALUATION

SCADA

AUTOMATICGENERATIONCONTROL

Lim

ites t

érm

icos

de li

nhas

e tr

afos

kV Linhas e Trafos,estado de equip. devent. e circulação forçada, e temp amb.

Limites térmicosde linhas e trafos

• Restriç

ões de o

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devido Curva d

e

Capab

ilidad

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• Capaci

dade d

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issão

.

DESPACHOOPERAÇÃO

Mensagens, A

larmes

limites térm

icos delinhas/trafosC

apabilidade das UG

’s

Condições do am

biente.

DISTURBANCEANALYSISSYSTEM

• Indica

ção de v

iolação

de lim

ites

FIGURA 2: INTERFACES DO MSE

A interface com o G2 é feita através do Banco de Dados de Tempo-Real, onde o MSE grava flags

indicando se a linha ou trafo se encontram ou não com sobrecarga. Um alarme para o SCADA também é emitido no caso de violacão de limite e de retorno ao normal. O CAG utiliza os limites calculados pelo MSE para compor a faixa de operação da unidade geradora, e no controle de intercâmbio a fim de não superar a capacidade de transmissão dos setores.

3.0 - LIMITES TÉRMICOS DE LINHAS O MSE calcula os limites térmicos das linhas para condição normal e de emergência. O processamento desta funcionalidade requer como entrada os seguintes dados: • Condição do Vento • Condição do Sol • Temperatura Ambiente Externa • Curva com limites normal e de emergência em

função deste parâmetros;

A seguinte figura ilustra algumas curvas para as linhas de 220kV – ACY

0100200300400500600700800900

1000

15 24 26 28 30 32 34 36 38 40Temperatura

MW

NORM-SN NORM-SS NORM-NNNORM-NS EMER-SN EMER-SS

FIGURA 3: CURVAS PARA AS LINHAS DE 220KV

Por exemplo, para conhecer o limite normal sabendo-se que a temperatura ambiente é de 15oC, com Sol (Sim) e sem Vento (Não), toma-se a curva NORM-SN. Neste caso obtém-se o valor de 550 MW. Desejando-se o limite de emergência toma-se a curva EMER-SN cujo gráfico indica um valor de 735 MW. Estas curvas foram fornecidas para cada tipo de linha sob a forma de tabelas (SOCIRP) com 10 pontos de quebras para cada combinação (Emergência/Normal x com Sol/sem Sol x com Vento/sem Vento). O programa do MSE, responsável pela obtenção dos limites, faz as interpolações necessárias para fornecer os valores que correspondam as condições atuais.

3

FIGURA 4: TELA DE LIMITES DE LINHAS.

Esta tela ilustra a saída do módulo de cálculo de limites de linhas, onde são apresentadas as informações com valores Normal e de Emergência, o fluxo atual, e quando necessário um flag indicando o estado válido ou inválido do cálculo.

4.0 - LIMITES TÉRMICOS DE TRAFOS O limite térmico normal de um transformador é obtido em função do número de estágios de ventilação ou trocadores de calor em funcionamento, enquanto que o limite de emergência depende da carga atual e da temperatura ambiente. Uma tabela (SOTRNR) contém até quatro valores para limites normais, correspondendo cada limite a nenhum, 1, 2 ou 3 estágios de ventilação em funcionamento. O limite de emergência é dado sob a forma de uma curva MW Atual x Limite para várias medidas de temperatura. A seguinte figura ilustra um gráfico para o trafo T01-R01:

360

380

400

420

440

460

480

500

185 220 255 295 330 375

MW Atual

Lim

ite E

mer

gênc

ia

15ºC20ºC25ºC30ºC

Assim, supondo uma condição de carga de 352 MW e temperatura ambiente de 27,5o, o limite de emergência pode ser obtido como segue:

• Na curva de 25o interpolar 352 entre 330 e 375 ==> 430 MW

• Na curva de 30o interpolar 352 entre 330 e 375 ==> 412 MW

• Utilizando (25O, 430) e (30o, 412) interpolar 27,5o ==> 421 MW

Todo este procedimento matemático esta embutido na lógica do aplicativo MSE. O usuário deverá estar atento que como em todo cálculo, se alguma das medidas necessárias para o processamento estiver inválida, então o limite calculado irá ser apresentado com o flag “I”. Mesmo não dependendo diretamente do sistema de ventilação, a validade do cálculo do limite de emergência irá depender da qualidade da informação sobre as condições destes sistemas. Além disso, o limite de emergência terá validade somente se TODOS os trocadores estiverem ligados. Seguem as telas que sintetizam os limites normal e de emergência, bem como o estado dos estágios do sistema de resfriamento

FIGURA 5: TELA DE LIMITES DOS TRAFOS DE

50HZ.

No caso dos transformadores de unidade, por exemplo TU-06, temos a seguinte relação entre estágios de resfriamento e pontos SCADA: Estágios Ponto SCADA

1 U06 TU CAMBIADOR CALOR PRINC AGUA FLUJO

2 U06 TU CAMBIADOR CALOR PRINC AGUA FLUJO

3 U06 TU CAMBIADOR CALOR SUPLEM AGUA FLUJO

Observe que o 1o e 2o estágios estão associados ao mesmo ponto de supervisão (trocador principal) e o 3o estágio esta associado ao trocador suplementar, proporcionando desta forma as seguintes combinações para efeito de limites, uma vez que o aplicativo leva em consideração apenas a quantidade de trocadores de calor:

Trocador Principal

Trocador Suplementar

Quantidade de Estágios

Limite Normal

Off Off 0 0.00

4

Off On 1 387.75On Off 2 701.25On On 3 825.00

Com o trocador principal ligado conta-se como dois estágios e será apresentado o limite normal de 701,25 MW. Teoricamente o limite normal de 387,75 MW seria aplicado com apenas o trocador suplementar ligado.

FIGURA 6: TELA DE LIMITES DOS TRAFOS DE

60HZ.

Os transformadores TB-01 e TB-02 dos serviços auxiliares não dispõem de medidas em tempo-real. Assim, o fluxo atual é obtido através do estimador de estado.

5.0 - CURVA DE CAPABILIDADE DAS UNIDADES GERADORAS O módulo de cálculo da curva de capabilidade apresenta as seguintes funcionalidades: • a curva que delimita a área de operação da

unidade geradora; • ponto (P,Q) de operação em relação a curva de

capabilidade; • a faixa de alta carga em função da queda bruta

para todas as unidades geradoras; • a faixa de baixa carga para as unidades

geradoras 01, 02 e 03; • fator de potência atual; • a folga de MW mantendo-se o atual valor de

MVar; e seu respectivo fator limitante; • a folga de MVar mantendo-se o atual valor de

MW; e seu respectivo fator limitante; O seguinte quadro ilustra uma tela com os dados da capabilidade da unidade U01.

FIGURA 7: TELA COM A CURVA DE

CAPABILIDADE DA U01.

Para obter a curva de capabilidade para uma dada tensão da máquina, partiu-se de um conjunto de curvas para vários níveis de tensão (0.90, 0.95, 1.00, 1.05 pu) tanto para máquinas de 50 Hz quanto para as de 60 Hz. Cada uma destas curvas foram convertidas em tabelas com 14 segmentos de reta informando valores para (Pi, Qi) ==> (Pj, Qj) e Fator Limitante. Os seguintes desenhos ilustram as curvas fornecidas para cada nível de tensão para as máquinas de 50 Hz.

FIGURA 8: CURVA DE CAPABILIDADE PARA 0.90

PU

FIGURA 9: CURVA DE CAPABILIDADE PARA 1.05 PU

A função de cálculo da curva de capabilidade considera o valor atual de tensão de cada máquina e calcula sua respectiva envoltória. Isto é feito através de um processo de interpolação de curvas. Supondo um valor atual de 16.6 kV (0.922 pu), a curva resultante é uma combinação da curva de 0.9 e 0.95 pu, como mostra a seguinte figura:

5

FIGURA 10: INTERPOLAÇÃO ENTRE 0.90 E 0.95 PU

Após obter a curva de capabilidade (vários segmentos de retas) para a tensão atual, o programa calcula as folgas de P e Q. Para processar estas folgas é utilizada a interpolação na curva resultante, que permite obter os valores (Pmax, Lp) e (Qmax, Lq) , que são:

• Máximo P para o Q atual e seu correspondente fator limitante (Lp);

• Máximo Q para o P atual e seu correspondente fator limitante (Lq).

FIGURA 11: DIAGRAMA COM FOLGAS.

Com estes valores obtém-se ∆P = Pmax – P; e ∆Q = Qmax – Q, como ilustra a figura anterior. Os fatores limitantes aparecem sob a forma de números, cuja codificação é dada por:

1) Máxima corrente de excitação; 2) Capacidade teórica do estator; 3) Estabilidade prática; 4) Estabilidade teórica; 5) Limitador de corrente negativa de

excitação; 6) Limitador de subexcitação; 7) Limitador do ângulo de carga; 8) Mínima corrente de excitação; 9) Máxima potência ativa (alta carga); 10) Mínima potência ativa (alta carga); 11) Máxima potência ativa (baixa carga); 12) Mínima potência ativa (baixa carga);

O display apresentado na FIGURA 710 sintetiza todas estas informações.

6.0 - CAPACIDADE DE TRANSMISSÃO DOS SETORES O seguinte diagrama destaca as conexões entre os setores que recebem energia de Itaipu. A capacidade de transmissão é um dado relevante no planejamento da operação e se constitui fator importante na programação de intercâmbio e de geração. Os módulos anteriormente descritos efetuam os cálculos dos limites de cada linha e trafo levando em consideração diferentes fatores. Combinando todos estes dados com o estado operacional da linha ou trafo chega-se a um valor que indica o MVA máximo que pode ser transferido entre dois setores.

CASA DE FORÇA 60 Hz CASA DE FORÇA 50 Hz

SEMD 500 kV

SEMD 220 kV

ANDE

SEMD 66 kV

FURNAS - 60Hz

COPEL

69

410

5

7

11

81

3

2

FURNAS - 50 Hz

6a 6b

FIGURA 12: DIAGRAMA DE CONEXÕES ENTRE

SETORES.

Com isto em mãos é possível obter a máxima potência transferível para FURNAS ou ANDE em cada setor levando em conta circuitos alternativos de transmissão. A seguinte tela ilustra as informações que serão apresentadas ao usuário.

FIGURA 13: TELA COM A CAPACIDADE MÁXIMA

DE TRANSMISSÃO.

O setor de 60 Hz pode transmitir diretamente energia para COPEL ou FURNAS. A interligação com a COPEL (11) é utilizada em condições especiais. A

6

interligação ITAIPU-FURNAS 60 Hz (10) é feita apenas por um caminho, sendo sua capacidade máxima dada pela somatória dos limites normais de cada linha em operação. Os circuitos 6a e 6b indicam respectivamente a linha para Furnas e para Ande no caso de máquina separada. De modo semelhante o setor de 50 Hz pode transmitir energia para ANDE e FURNAS. Para o caso de máquina separada para a ANDE a capacidade de transmissão associada ao setor de 50 Hz difere da forma de cálculo para condição normal, enquanto que o setor de 60 Hz não sofre alteração. A seguinte tabela resumo a forma de cálculo: De forma geral, as capacidades de transmissão são dadas por: CONDIÇÃO NORMAL 66 kV para ANDE: A = Menor (1,2)

220 kV para ANDE B = Menor (3,4) X = Menor [(A+3), 4]

66 + 220 kV para ANDE

C1 = Menor (X , 6) C2 = Menor (5, 7, X)

=≠

=Circ#seCCirc#seC

C0606

2

1

500 kV para FURNAS/ 50 Hz

D1 = 5 + Menor [(6 – X), 7 ] D2 = 5 - Menor (7, X)

=≠

=Circ#seDCirc#seD

D0606

2

1

Total do setor de 50 Hz Total_50 = C + D

Total do setor de 60 Hz Total_60 = 10 + 11

A Lógica para detectar máquina separada leva em consideração os resultados fornecidos pelo Estimador de Estados, comparando as ilhas a que pertencem as linhas IPU-MD1, IPU-MD2, MD-FI1, MD-FI2, IPU-FI1 e IPU-FI2. Um resultado com ilha igual a zero indica circuito "out-of-island".

7.0 - CONCLUSÃO A disponibilidade da função de acompanhamento em tempo-real dos limites térmicos de linhas e trafos, da capacidade de transmissão entre setores, e do ponto de operação das máquinas dentro da curva de capabilidade, agrega valor e subsidia decisões operacionais. Algumas melhorias podem ser incorporadas ao sistema, tal como a mudança na representação da curva de capbilidade, passando a ser modelada pelas equações de cada restrição, em vez de simplficar por segmentos de retas.

8.0 - REFERÊNCIAS (1) Technical Specifications of the SCADA/EMS

System (2) Statement of work for the ITAIPU Hydroelectic

Power Plant

(3) Eletrical System Monitoring – SYSTEM TASK SPECIFICATION

(4) Eletrical System Monitoring – SUBSYSTEM

DESIGN DOCUMENT

(5) Eletrical System Monitoring – FACTORY ACCEPTANCE TEST PROCEDURE