Estabelecer correlações entre os eventos de qualidade de energia para determinar a sua origem
| Localização | Bairro industrial – cidade pequena, Centro-Oeste dos EUA |
| Causa | Pássaro (corvo) voou para o painel de distribuição de média tensão - falha linha-terra |
| Impacto na rede | Quedas de tensão e interrupções momentâneas ao longo de vários quilômetros, afetando 200+ clientes |
| Monitoramento | Quatro monitores I-Sense distribuídos pela vizinhança — sincronizados com o tempo por GPS |
| Determinação da fonte | Correlação de carimbo de data/hora de 4 registros do monitor confirmaram um único evento de rede causado pela concessionária |
| Método de confirmação | Os registros de operação do relé da concessionária correspondem ao carimbo de data/hora do GPS de todos os quatro monitores |
| Impacto no cliente | Um cliente monitorado sofreu um encerramento de processo de 13 horas |
| Descoberta chave | O monitoramento multiponto sincronizado com o tempo pode atribuir eventos PQ à fonte de serviços públicos ou ao cliente – resolvendo a questão mais controversa em disputas industriais PQ |
01 Contexto - O problema de atribuição de fonte
Uma das questões mais controversas e praticamente importantes na engenharia de qualidade de energia industrial é aparentemente simples: quando uma queda ou interrupção de tensão interrompe o processo de um cliente, quem causou isso? A resposta determina quem é o responsável pelo evento, quem financia qualquer mitigação, e — em ambientes de serviços públicos regulamentados — se uma reclamação sobre qualidade de serviço tem mérito.
Eventos de qualidade de energia podem se originar de qualquer lado do medidor da concessionária:
- Causado pela utilidade (eventos de grade) — falhas nas linhas de transmissão ou distribuição, operações de comutação, comutação de banco de capacitores, operações do regulador de tensão. Afetam todos os clientes conectados ao mesmo alimentador ou subestação e são de responsabilidade operacional da concessionária
- Causado pelo cliente (eventos internos) - o motor dá partida, operações de forno a arco, comutação de capacitores dentro da planta, condições de falha na fiação interna. Estes são de responsabilidade do cliente e também podem afetar clientes vizinhos conectados ao mesmo barramento de distribuição
- Eventos vizinhos causados pelo cliente — uma grande carga não linear ou intermitente em uma planta adjacente (forno de arco, motor grande, soldador de resistência) que propaga perturbações de tensão através da rede de distribuição compartilhada para outros clientes
Sem monitoramento adequado - especificamente, monitoramento multiponto com sincronização de tempo que captura o evento simultaneamente em vários locais — é impossível distinguir esses três casos de um único ponto de medição. Um único monitor na entrada de serviço de uma planta registra o evento, mas não consegue determinar se ele se originou a montante (utilidade) ou nas instalações de um cliente vizinho.
Na maioria das jurisdições, a obrigação da concessionária de fornecer qualidade de energia dentro de limites especificados (magnitude da tensão, tremer, harmônicos) aplica-se a perturbações originadas na rede da concessionária. Se a interrupção do processo de um cliente for causada pelas operações de um cliente vizinho – um grande forno a arco a dois alimentadores de distância, por exemplo - a concessionária pode ter obrigação regulatória limitada de agir, mesmo que a experiência do cliente afetado seja idêntica a um evento causado pela utilidade. A atribuição da fonte não é, portanto, apenas uma questão técnica: é um pré-requisito para atribuir responsabilidades e determinar a estratégia de mitigação correta.
02 O Evento – Um Pássaro no Aparelhamento
Em um bairro industrial de uma pequena cidade do Meio-Oeste, um corvo voou para um painel de distribuição de média tensão em uma subestação de serviço público. O contato entre o pássaro e o equipamento energizado criou uma falta fase-terra no sistema de distribuição. A corrente de falha causou quedas de tensão e perda momentânea de tensão em uma parte significativa da rede de distribuição - afetando clientes ao longo de vários quilômetros e mais de 200 contas de clientes.
Quatro monitores I-Sense foram distribuídos por todo o bairro como parte da rede de monitoramento I-Grid. Cada monitor registrou o evento de forma independente, com carimbos de data e hora precisos de GPS que permitiram que os dados registrados fossem correlacionados com precisão no tempo.
Uma única falta fase-terra causada pelo contato de uma ave em uma subestação afetou mais de 200 contas de clientes em vários quilômetros de rede de distribuição. Isto ilustra a característica de propagação da rede dos afundamentos de tensão - ao contrário das interrupções de energia, que normalmente estão localizados no alimentador em falta, afundamentos de tensão se propagam pela rede na velocidade da luz, afetando clientes em alimentadores adjacentes e até mesmo subestações adjacentes dependendo da topologia de impedância da rede. O 200+ os clientes que vivenciaram esse evento não compartilhavam um alimentador comum — eles compartilhavam uma tensão comum no barramento da subestação que foi deprimida pela corrente de falta.
03 Atribuição da Fonte – Como o Monitoramento Comprovou a Causa
Passo 1 — Correlação de carimbo de data/hora GPS
Cada monitor I-Sense registrou o evento de tensão de forma independente, com um carimbo de data/hora com precisão de GPS. Quando os quatro registros foram alinhados em um eixo de tempo comum, todos os quatro monitores mostraram depressões de tensão começando exatamente no mesmo instante - dentro da precisão de sincronização GPS de aproximadamente 1 microssegundo. Este início simultâneo é a assinatura definitiva de um evento de grade: um evento originado nas instalações de qualquer cliente individual alcançaria os outros três locais de monitoramento com um atraso de propagação mensurável, não simultaneamente.
Passo 2 — Análise de forma de onda
A análise das formas de onda em todos os quatro monitores mostrou a assinatura característica de uma linha única-terra (SLG) falha — o tipo de falha mais comum em sistemas de distribuição, responsável por aproximadamente 70-80% de todas as falhas de distribuição. Observe que Monitorar #1 registrou tensão linha a linha enquanto os outros três registraram tensão linha a neutro - as diferentes configurações de medição produziram diferentes formatos de forma de onda do mesmo evento, que poderia parecer inconsistente sem o contexto de sincronização de tempo.
Passo 3 — Confirmação de registro de utilidade
A hipótese de que todas as quatro gravações representavam um único evento causado pela concessionária foi definitivamente confirmada quando os registros da concessionária revelaram uma operação de relé em um alimentador paralelo com exatamente o mesmo carimbo de data e hora dos eventos de qualidade de energia registrados pelos quatro monitores.. O relé operou para eliminar a falta induzida pelo corvo – uma operação de proteção de rotina – mas seu carimbo de data e hora forneceu uma confirmação irrefutável da causa e da hora do evento.
O evento foi inequivocamente causado pela utilidade. A falta induzida por corvo no quadro de distribuição da subestação propagou afundamentos de tensão para todos os clientes conectados à rede de distribuição afetada. Nenhuma ação do cliente causou ou contribuiu para o evento. Esta determinação só foi possível devido à rede de monitoramento sincronizada por GPS multiponto – um único monitor na entrada de serviço de qualquer cliente teria registrado o afundamento, mas não poderia tê-lo distinguido do evento de comutação de carga de um cliente vizinho.
04 Impacto e mitigação do cliente
Um dos quatro clientes monitorados sofreu uma paralisação do processo de 13 horas como resultado deste evento. A duração do desligamento é desproporcional à duração do evento elétrico – o distúrbio de tensão em si durou apenas alguns ciclos. A paralisação de 13 horas reflete o tempo de reinicialização e a complexidade do processo industrial do cliente, não a duração do evento de qualidade de energia. Este é um padrão comum em indústrias de processo: um evento elétrico de milissegundos causa uma interrupção na produção que dura horas.
O estudo original observa que a análise das formas de onda de todos os quatro locais de monitorização mostra que o equipamento de mitigação de afundamento de tensão disponível comercialmente teria protegido os equipamentos do cliente deste evento em todos os quatro locais monitorizados.. As características do afundamento de tensão - profundidade e duração - estavam dentro do envelope operacional dos restauradores dinâmicos de tensão (DVR) e fonte de alimentação ininterrupta (UPS) sistemas projetados para proteção de processos. Uma perda de produção de 13 horas devido a uma queda de 3 ciclos que um $50,000 o corretor de afundamento teria evitado ilustra inteiramente a economia da mitigação do afundamento de tensão em ambientes críticos de processo.
Implicações para monitorar o projeto da rede
O estudo tira uma conclusão importante sobre o monitoramento da densidade da rede. Porque os eventos da rede — causados por falhas na rede da concessionária — se propagam pela rede e são vivenciados simultaneamente por todos os clientes em uma região geográfica, não é necessário monitorar todos os clientes para avaliar o ambiente de qualidade de energia de uma região. Uma rede de monitoramento cobrindo uma pequena porcentagem de clientes, se adequadamente projetado e sincronizado no tempo, fornece dados estatisticamente representativos para toda a região.
Este princípio tem implicações significativas para o desenho do programa de monitoramento de PQ das concessionárias: escasso, bem colocado, monitores sincronizados no tempo podem caracterizar o comportamento PQ em toda a rede com muito mais eficiência do que monitores densos., medições descoordenadas de ponto único em entradas individuais de atendimento ao cliente.
05 Perspectiva de qualidade de energia
Este estudo de caso é a demonstração mais clara possível de por que a atribuição da fonte requer monitoramento de rede — e não apenas medição do lado do cliente. Do ponto de vista da engenharia de serviços públicos, o estudo de caso valida um princípio fundamental para a gestão de PQ da distribuição: eventos de grade são fenômenos de rede, não fenômenos de clientes individuais. Um corvo em um painel de uma subestação produz afundamentos de tensão em 200+ localizações dos clientes simultaneamente. Nenhuma medição individual do cliente, por mais sofisticado que seja, podemos identificar isso como um evento de grade único em vez de 200 eventos separados.
A tecnologia de sincronização GPS usada no sistema I-Grid é o principal facilitador. Sem sincronização de tempo com precisão ao nível de microssegundos, os quatro registros do monitor não puderam ser correlacionados de forma confiável - um 60 O ciclo do sistema de energia Hz é aproximadamente 16,700 microssegundos, e distinguir início simultâneo (evento de grade) desde o início quase simultâneo (propagando evento interno) requer muito melhor que a resolução de tempo em nível de ciclo.
Em 30 anos de trabalho de qualidade de energia elétrica, a questão da atribuição da fonte - “isso é culpa nossa ou deles?” — é a questão mais frequentemente controversa entre empresas de serviços públicos e clientes industriais. O cliente experimenta uma interrupção do processo e uma perda de produção. Eles chamam o utilitário. A concessionária verifica seus registros de retransmissão. Se nenhum relé for operado no alimentador do cliente, a concessionária conclui que o evento foi interno. O cliente discorda. Sem monitoramento multiponto sincronizado com o tempo, nenhum dos lados pode provar seu caso definitivamente. Este estudo de caso demonstra que a tecnologia para resolver a questão definitivamente existe desde pelo menos 2003. A lacuna tem sido a implantação e a coordenação – não a tecnologia. Uma concessionária com uma rede de monitoramento PQ bem projetada pode resolver disputas de atribuição de fonte em minutos. Sem um, disputas podem durar anos.
Referências
- Divã D, Brumsickle W, Eto J. Uma nova abordagem para monitoramento da qualidade da energia e da confiabilidade da eletricidade — Ilustrações de estudo de caso das capacidades da I-Grid™ Sistema. Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL-52048, Abril 2003.
- IEEE Std 1159-2019. Prática recomendada pelo IEEE para monitoramento da qualidade da energia elétrica. IEEE, Nova Iorque, Nova Iorque, 2019.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilidade eletromagnética – Parte 4-30: Métodos de medição da qualidade da energia. IEC, Genebra.
Divã D, Brumsickle W, Eto J. Uma nova abordagem para monitoramento da qualidade da energia e da confiabilidade da eletricidade — Ilustrações de estudo de caso das capacidades da I-Grid™ Sistema. Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, LBNL-52048, Abril 2003.
Este estudo de caso é apresentado em forma de resumo e comentários para fins educacionais. O material original é atribuído aos autores e ao Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. A seção Perspectiva PQ (Seção 5) e diagrama SVG são conteúdo editorial original do IPQDF de Denis Ruest, Mestrado. (Aplicado), P.Eng. (ret.). IPQDF não reivindica autoria da pesquisa original.