Os transformadores para instrumentos (TIs) são equipamentos essenciais para a realização das funções de medição e de proteção nos sistemas elétricos de potência. O mau funcionamento dos TIs nos sistemas de proteção pode provocar tanto atuações indevidas como falhas de operação e, em ambos os casos, acarretará prejuízos à concessionária ou a terceiros, podendo, ainda, serem gerados danos materiais ou pessoais. Quando os transformadores de corrente (TCs) ou de potencial (TPs) estão instalados em sistemas de medição para faturamento e não funcionam com a precisão necessária, milhares ou milhões de reais podem ser perdidos por ano, seja por quem vende a energia, seja por quem a compra. O presente estudo, analisa a viabilidade (ou possibilidade) da utilização de TIs ópticos no sistema elétrico de potência brasileiro. Foram realizados comparativos técnicos e econômicos entre os TIs convencionais e os ópticos, sendo que no aspecto econômico são analisadas situações em que maus funcionamentos (ou falhas) dos TIs convencionais podem causar prejuízos às concessionárias. São apresentados levantamentos de dados indicativos das quantidades de TIs em uso e dos preços de aquisição desses equipamentos. Também é apresentado o resultado de uma enquete que avaliou o grau de familiaridade que os engenheiros do setor elétrico brasileiro tem com a tecnologia de TIs ópticos. O trabalho apurou que os TIs ópticos demonstram superioridades técnicas e econômicas frente aos TIs convencionais, mas que, para que eles sejam utilizados mais amplamente nas subestações, além de uma maior divulgação dos mesmos por parte de seus fabricantes, ainda são necessários esforços de adaptação e/ou aplicação de novas tecnologias que facilitem a conexão dos TIs ópticos aos sistemas de proteção e medição em uso. O trabalho indica também que esse problema, no futuro, deverá ser eliminado com a natural modernização das subestações e com a implantação de redes de comunicação aderentes à norma IEC 61850-9-2. / The instruments transformers (ITs) are essential equipment to perform the measurement and protection functions in electrical power systems. The malfunctioning of ITs in protection systems can cause undue actuations as well as operation failures and, in both cases, the utilities or third parties will face financial losses and, also, personal or material damages can be generated. When current transformers (CTS) or potential transformers (PTs) are used for revenue metering applications and do not work with the necessary precision, thousands or millions of reais may be lost per year, either by those who sell energy, or by whom purchase it. This study examines the viability of optical ITs applications in brazilian electric power systems. Technical and economical comparisons between conventional and optical ITs were carried out, and economic aspects of situations in which malfunctions (or failures) of conventional ITs can cause financial losses to utilities are discussed. Data about quantities and prices of conventional ITs in use in Brazil are shown. Also, results of a research evaluating the familiarity of engineers working in electric power utilities with the optical ITs technology are presented. The study found that optical ITs have shown technical and economical superiorities over conventional ITs, but, in order to be widely used in substations there are still needed adaptation efforts and/or application of new technologies that facilitate the connection of optical ITs to protection and measurement systems already in use. The present work also indicates that this problem, in the future, should be eliminated by natural modernization of substations and the installation of communication networks compliant to the IEC 61850-9-2 standard.

Os transformadores para instrumentos (TIs) são equipamentos essenciais para a realização das funções de medição e de proteção nos sistemas elétricos de potência. O mau funcionamento dos TIs nos sistemas de proteção pode provocar tanto atuações indevidas como falhas de operação e, em ambos os casos, acarretará prejuízos à concessionária ou a terceiros, podendo, ainda, serem gerados danos materiais ou pessoais. Quando os transformadores de corrente (TCs) ou de potencial (TPs) estão instalados em sistemas de medição para faturamento e não funcionam com a precisão necessária, milhares ou milhões de reais podem ser perdidos por ano, seja por quem vende a energia, seja por quem a compra. O presente estudo, analisa a viabilidade (ou possibilidade) da utilização de TIs ópticos no sistema elétrico de potência brasileiro. Foram realizados comparativos técnicos e econômicos entre os TIs convencionais e os ópticos, sendo que no aspecto econômico são analisadas situações em que maus funcionamentos (ou falhas) dos TIs convencionais podem causar prejuízos às concessionárias. São apresentados levantamentos de dados indicativos das quantidades de TIs em uso e dos preços de aquisição desses equipamentos. Também é apresentado o resultado de uma enquete que avaliou o grau de familiaridade que os engenheiros do setor elétrico brasileiro tem com a tecnologia de TIs ópticos. O trabalho apurou que os TIs ópticos demonstram superioridades técnicas e econômicas frente aos TIs convencionais, mas que, para que eles sejam utilizados mais amplamente nas subestações, além de uma maior divulgação dos mesmos por parte de seus fabricantes, ainda são necessários esforços de adaptação e/ou aplicação de novas tecnologias que facilitem a conexão dos TIs ópticos aos sistemas de proteção e medição em uso. O trabalho indica também que esse problema, no futuro, deverá ser eliminado com a natural modernização das subestações e com a implantação de redes de comunicação aderentes à norma IEC 61850-9-2. / The instruments transformers (ITs) are essential equipment to perform the measurement and protection functions in electrical power systems. The malfunctioning of ITs in protection systems can cause undue actuations as well as operation failures and, in both cases, the utilities or third parties will face financial losses and, also, personal or material damages can be generated. When current transformers (CTS) or potential transformers (PTs) are used for revenue metering applications and do not work with the necessary precision, thousands or millions of reais may be lost per year, either by those who sell energy, or by whom purchase it. This study examines the viability of optical ITs applications in brazilian electric power systems. Technical and economical comparisons between conventional and optical ITs were carried out, and economic aspects of situations in which malfunctions (or failures) of conventional ITs can cause financial losses to utilities are discussed. Data about quantities and prices of conventional ITs in use in Brazil are shown. Also, results of a research evaluating the familiarity of engineers working in electric power utilities with the optical ITs technology are presented. The study found that optical ITs have shown technical and economical superiorities over conventional ITs, but, in order to be widely used in substations there are still needed adaptation efforts and/or application of new technologies that facilitate the connection of optical ITs to protection and measurement systems already in use. The present work also indicates that this problem, in the future, should be eliminated by natural modernization of substations and the installation of communication networks compliant to the IEC 61850-9-2 standard.

Made available in DSpace on 2014-06-12T16:00:56Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7093_1.pdf: 1266876 bytes, checksum: 4912bedf303b107e8b2b0a5654ce4d29 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O gerenciamento do estoque de sobressalentes é uma prática de grande importância para a gestão dos recursos da manutenção, uma vez que a quantidade de equipamentos reservas influencia significativamente os custos da manutenção e o tempo de restabelecimento do sistema. O planejamento de sobressalentes normalmente considera os tempos de funcionamento e reparo dos equipamentos como exponencialmente distribuídos. Isso significa que a taxa de falhas e a taxa de reparo poderão ser consideradas constantes, simplificando os cálculos. Este trabalho apresenta uma avaliação dos tempos até a falha e reparo para um determinado grupo de equipamentos do sistema elétrico da Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (CHESF), mediante análise exploratória de dados, gráficos de probabilidades e testes de aderência, avaliando a exponencialidade dos dados. Neste sentido, esta dissertação tem como objetivo a formação de uma base de dados histórica dos tempos de funcionamento e reparo de Transformadores para Instrumentos (TI) da CHESF e propor um modelo de dimensionamento de sobressalentes que pode ser aplicado a qualquer distribuição de probabilidade. O modelo abordado neste estudo é baseado na simulação Monte Carlo para avaliar índices de confiabilidade e mantenabilidade de um sistema composto por estoque de reservas. Este recurso se mostrou adequado para a natureza do problema, no qual foi desenvolvido um algoritmo do modelo utilizado neste estudo, tendo em vista a boa precisão, fácil compreensão e implementação computacional, podendo se moldar com facilidade ao cenário complexo da empresa. O modelo proposto é aplicado a um sistema composto por Transformadores para Instrumentos (TI) de 69, 230 e 500 kV e os resultados obtidos são inteiramente discutidos e comparados ao modelo baseado na distribuição de Poisson, amplamente utilizado na análise confiabilidade

[pt] Esta Dissertação de Mestrado apresenta uma metodologia para analisar transformadores para instrumentos (TI) em geral, e vários tipos de transformadores de corrente (TC-s) para medição. O funcionamento e as características dos transformadores de potencial (TP-s) e dos TC-s estão sendo analisados, usando-se as ferramentas tradicionais (circuito equivalente e representação fasorial). O tratamento generalizado facilita a comparação entre TP-s e TC-s e a análise qualitativa dos parâmetros que influenciam os erros de relação e de ângulo de fase.Após verificação geral, quatro tipos de TC-s estão sendo estudados detalhadamente. Para analisar construções eletromagnéticas mais complexas, um método não tradicional está sendo aplicado. Usando-se as representações fasoriais,realiza-se o cálculo baseando-se nas equações elétricas e nas equações magnéticas. O erro complexo do TC é o resultado das soluções destas equações, e vem expresso em função dos parâmetros de construção. Os resultados facilitam comparar o desempenho de vários tipos de TC-s existentes e/ou a serem projetados. Um programa de simulação, utilizando a linguagem C no ambiente LabWindows/CVI - C for Virtual Instrumentation (National Instruments), foi desenvolvido com base nas equações para o cálculo do erro. O programa analisa o comportamento de 4 tipos de TC-s, existentes e/ou a serem projetados, quanto ao erro de relação e ao ângulo de fase. A partir do tipo de material, da dimensão do núcleo e do tipo de enrolamentos, em modo interativo, pode-se escolher várias combinações dos parâmetros em etapas repetidas. A eficiência do método aplicado foi verificada e comprovada. Os resultados são coerentes e quando usados no programa de simulação, resultam em um novo método para analisar, projetar ou escolher um TC para uma finalidade específica. / [en] This dissertation for a master degree presents a methodology to analyse Instrument Transformers in general terms and several types of Current Transformers (CT s) for measurements, in details.At first, operation and characteristics of Potential Transformers (PT s) and thatof CT s are analysed, using traditional tools (as equivalent circuits and fasorial representation).The generalised treatment facilitates the comparison between PT s and CT s as well as a qualitative analysis of the parameters influencing the ratio and phase errors.After giving a general view, four types of CT s are studied in details. To analyse complex electromagnetic constructions, a non-traditional method is applied. By usingfasorial representations, calculus is based on defining separate groups of electrical and magnetic equations to describe a device. The result of the solution of this set ofequations is the complex error of the CT, which is being expressed exclusively in terms of parameters of the construction. The results facilitate the comparison of theperformance of various types of CT s, that exist or are to be designed. A simulation program, using language C, in the ambient of LabWindows/CVI - C for Virtual Instrumentation (National Instruments), was developed, in order tocalculate the errors, based upon the equations obtained. The program is capable of specifying the parameters and analysing the characteristics of four types of CT s,representing finally the ratio and phase errors, in terms of the variation of the current or that of the load. Characteristics of various magnet ic materials, dimensions ofstandardized toroidal cores and that of wires can be specified, stored and selected thereafter. The program facilitates experimenting with various combinations ofparameters in an interactive mode and to approximate optimised constructions in iterative steps. Efficiency of the method was verified and proved. The results are coherent and when are used in the simulation program, represent a new method to analyse anexisting CT or to design a new one, or to select the most adequate model for a specific purpose.

Desde seu lançamento, em 2002, a Norma IEC 61850 vem evoluindo para se tornar o padrão adotado nos Sistemas de Automação de Subestações. Dentre seus vários aspectos, destacam- se os serviços de tempo real, que permitem a implementação de funções de automação e de proteção dentro da subestação através da troca de mensagens específicas entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes através de um barramento digital de rede de dados. O objetivo central deste trabalho é explorar algumas das questões que envolvem a implementação de uma classe de serviços de tempo real: a transmissão de valores amostrados através de Serviços SMV, definidos pela Norma IEC 61850-9. Primeiramente, apresenta-se um breve resumo das principais características da Norma IEC 61850 que possibilitam o atendimento dos três requisitos por ela estabelecidos como base: a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, a versatilidade na configuração e reconfiguração do Sistema de Automação da Subestação, e a possibilidade de implementação de novas tecnologias. Em seguida, explora-se com maior profundidade todos os aspectos relevantes à implementação dos Serviços SMV. Devido à complexidade deste assunto, o autor propõe abordá-lo sob a ótica de cinco tópicos interdependentes: variações da Norma IEC 61850-9, confiabilidade do barramento de processo, sincronismo de tempo, análise da qualidade da medição e segurança cibernética. Com base nos resultados apresentados neste estudo, propõem-se duas plataformas, um protótipo de Transformador de Potencial Óptico e um protótipo de Relé de Proteção Diferencial para transformadores de potência, com o objetivo de explorar alguns dos aspectos pertinentes à implementação de um barramento de processo de acordo com a Norma IEC 61850-9. Também foram realizados testes de geração e transmissão de mensagens contendo valores de amostras de tensão/corrente do sistema elétrico (denominadas de SV Messages) com a finalidade de implementá-las de fato e avaliar as ferramentas de mercado disponíveis. Por fim foi proposto um modelo para a simulação do sistema de potência em conjunto com a rede de comunicação utilizando o programa Matlab/Simulink. O autor espera que este trabalho contribua para esclarecer os vários conceitos envolvidos na implementação do barramento de processo definido pela Norma IEC 61850-9, auxiliando na pesquisa e no desenvolvimento de novas ferramentas e dispositivos, e no aprimoramento da Norma IEC 61850. / Since its introduction, in 2002, the IEC 61850 Standard has been evolved to become the standard adopted in Substation Automation Systems. Among its various aspects it can be highlighted the real-time services, which allows the implementation of automation and protection functions within the substation by exchanging specific messages between Intelligent Electronic Devices via a digital data bus network. The main objective of this text is to explore some issues about the implementation of one class of real-time services: the transmission of sampled values through SMV Services, defined by IEC 61850-9 Standard. First, it is presented a brief summary of the main features of IEC 61850 Standard which allows it to meet the three main requirements on this standard: interoperability between devices from different manufacturers, versatility in configuration and reconfiguration of Substation Automation System, and possibility of implementation of new technologies. Next, it is explored, with more details, all aspects involved in the implementation of SMV Services. Due to the complexity of this subject, the author proposes approaches it from the perspective of five interdependent topics: variations of IEC 61850-9 Standard, process bus reliability, time synchronism, analysis of measurement quality, and cyber security. Based on results presented two platforms are proposed, an Optical Voltage Transformer prototype and a Differential Protection Relay prototype for power transformers, in order to explore some of aspects related to the implementation of a process bus according to IEC 61850-9 Standard. It was executed also some tests of generation and transmission of messages containing samples values of voltage/current from power system (referred as SV Messages) in order to implement them in fact, and to evaluate available market tools. At the end it is propoused a model for simulation of power system and network communication using Matlab/Simulink software. The author hopes this work may contribute to clarify the various concepts involved in the implementation of a process bus according to IEC 61850-9 Standard, aiding in research and development of new tools and devices, and improvement of IEC 61850 Standard.

Desde seu lançamento, em 2002, a Norma IEC 61850 vem evoluindo para se tornar o padrão adotado nos Sistemas de Automação de Subestações. Dentre seus vários aspectos, destacam- se os serviços de tempo real, que permitem a implementação de funções de automação e de proteção dentro da subestação através da troca de mensagens específicas entre Dispositivos Eletrônicos Inteligentes através de um barramento digital de rede de dados. O objetivo central deste trabalho é explorar algumas das questões que envolvem a implementação de uma classe de serviços de tempo real: a transmissão de valores amostrados através de Serviços SMV, definidos pela Norma IEC 61850-9. Primeiramente, apresenta-se um breve resumo das principais características da Norma IEC 61850 que possibilitam o atendimento dos três requisitos por ela estabelecidos como base: a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes, a versatilidade na configuração e reconfiguração do Sistema de Automação da Subestação, e a possibilidade de implementação de novas tecnologias. Em seguida, explora-se com maior profundidade todos os aspectos relevantes à implementação dos Serviços SMV. Devido à complexidade deste assunto, o autor propõe abordá-lo sob a ótica de cinco tópicos interdependentes: variações da Norma IEC 61850-9, confiabilidade do barramento de processo, sincronismo de tempo, análise da qualidade da medição e segurança cibernética. Com base nos resultados apresentados neste estudo, propõem-se duas plataformas, um protótipo de Transformador de Potencial Óptico e um protótipo de Relé de Proteção Diferencial para transformadores de potência, com o objetivo de explorar alguns dos aspectos pertinentes à implementação de um barramento de processo de acordo com a Norma IEC 61850-9. Também foram realizados testes de geração e transmissão de mensagens contendo valores de amostras de tensão/corrente do sistema elétrico (denominadas de SV Messages) com a finalidade de implementá-las de fato e avaliar as ferramentas de mercado disponíveis. Por fim foi proposto um modelo para a simulação do sistema de potência em conjunto com a rede de comunicação utilizando o programa Matlab/Simulink. O autor espera que este trabalho contribua para esclarecer os vários conceitos envolvidos na implementação do barramento de processo definido pela Norma IEC 61850-9, auxiliando na pesquisa e no desenvolvimento de novas ferramentas e dispositivos, e no aprimoramento da Norma IEC 61850. / Since its introduction, in 2002, the IEC 61850 Standard has been evolved to become the standard adopted in Substation Automation Systems. Among its various aspects it can be highlighted the real-time services, which allows the implementation of automation and protection functions within the substation by exchanging specific messages between Intelligent Electronic Devices via a digital data bus network. The main objective of this text is to explore some issues about the implementation of one class of real-time services: the transmission of sampled values through SMV Services, defined by IEC 61850-9 Standard. First, it is presented a brief summary of the main features of IEC 61850 Standard which allows it to meet the three main requirements on this standard: interoperability between devices from different manufacturers, versatility in configuration and reconfiguration of Substation Automation System, and possibility of implementation of new technologies. Next, it is explored, with more details, all aspects involved in the implementation of SMV Services. Due to the complexity of this subject, the author proposes approaches it from the perspective of five interdependent topics: variations of IEC 61850-9 Standard, process bus reliability, time synchronism, analysis of measurement quality, and cyber security. Based on results presented two platforms are proposed, an Optical Voltage Transformer prototype and a Differential Protection Relay prototype for power transformers, in order to explore some of aspects related to the implementation of a process bus according to IEC 61850-9 Standard. It was executed also some tests of generation and transmission of messages containing samples values of voltage/current from power system (referred as SV Messages) in order to implement them in fact, and to evaluate available market tools. At the end it is propoused a model for simulation of power system and network communication using Matlab/Simulink software. The author hopes this work may contribute to clarify the various concepts involved in the implementation of a process bus according to IEC 61850-9 Standard, aiding in research and development of new tools and devices, and improvement of IEC 61850 Standard.