Os Sistemas de Proteção e Controle são uma divisão da engenharia elétrica que lida com a proteção de sistemas de energia para geração, transmissão e distribuição. Os SPCS* são a arte de proteger a rede elétrica contra condições anormais do sistema de energia e, ao mesmo tempo, iniciar certas ações corretivas. Os Sistemas de Proteção e Controle envolvem a proteção de equipamentos de energia grandes e caros como geradores, transformadores, Linhas de Transmissão, disjuntores, barramentos elétricos, condutores, etc.
Relés eletromecânicos
Um Sistemas de Proteção e Controle usa dispositivos de proteção como relés para proteger equipamentos de energia contra falhas elétricas ou raios. Desde o início de 1900, esses dispositivos de proteção eram conhecidos como relés eletromecânicos e operados principalmente por peças móveis mecânicas. Os relés eletromecânicos são interruptores operados eletricamente que usam eletroímãs para operar mecanicamente abrindo ou fechando interruptores. Esses relés eram dispositivos quase perfeitos para proteger a rede elétrica daquela época. Os Relés eletromecânicos foram capazes de detectar anormalidades no fluxo de potência, como sobre e subtensão, sobrecorrente, sobre e sub frequência e fluxo reverso de potência.
Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED), Relés Microprocessados Inteligentes
Com a transformação digital e a criação da eletrônica digital incluindo microprocessadores, os relés eletromecânicos foram sendo substituídos já na década de 1990 por relés baseados em microprocessadores que poderiam executar mais funções mais rapidamente. Esses novos dispositivos eletrônicos inteligentes (IED) equipados com microprocessadores foram capazes de converter tensões e correntes analógicas em valores digitais, juntamente com a emulação de todas as funções discretas de vários relés eletromecânicos em um único dispositivo, simplificando a proteção do projeto, os requisitos de espaço e a manutenção de rotina .
Hoje, os relés microprocessados ou IED evoluíram para dispositivos mais inteligentes, capazes de realizar testes internos e indicar se está funcionando corretamente ou com defeito. Os IED podem detectar várias falhas de muitos esquemas de proteção diferentes enquanto produzem formas de onda de fluxo de energia, funções de medição e trocas de comunicação com controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA). Esses relés, baseados em microprocessadores, também podem acomodar muitas configurações de proteção auxiliando o técnico e também permitindo que o relé seja colocado em um modo de manutenção para o pessoal de manutenção da subestação. Os IED executam várias funções que simplesmente não podem ser duplicadas com relés eletromecânicos.
Hoje, a maioria das concessionárias de energia substituiu todos os seus relés eletromecânicos por IED ou relés microprocessados inteligentes. Os IEDs de hoje são muito mais confiáveis do que os relés eletromecânicos legados e executam um trabalho melhor para garantir a estabilidade do sistema de energia, limpando e isolando componentes com falha muito mais rapidamente, enquanto fornecem informações em tempo real do sistema de energia.
Importância do Projeto de P&C
Semelhante aos relés eletromecânicos, os IED detectam falhas elétricas de transformadores de corrente e transformadores de potencial ou tensão enquanto iniciam a abertura ou desarme dos disjuntores de energia para eliminar e isolar falhas em geradores, linhas de transmissão, transformadores e barramento elétrico, incluindo falha no circuito de energia de disjuntores. Esta arte de projetar e coordenar a eliminação de falhas elétricas é extremamente importante para proteger equipamentos caros, uma vez que falhas permanentes podem danificar permanentemente os sistemas de energia. Por exemplo, a substituição de um transformador de alta tensão (HV) com falha hoje pode custar mais de milhares ou até milhões de Reais, incluindo custos de projeto e construção. Poderia custar mais, se não o dobro, à medida que grandes incêndios elétricos aumentassem, causando mais danos a outros equipamentos de energia.
Além disso, pode levar até 6 meses ou mais para receber um novo transformador do fabricante se não houver peças sobressalentes disponíveis. Projetos de P&C ruins que não coordenam e detectam adequadamente as condições de falha elétrica podem prejudicar os sistemas de energia das concessionárias. Por esse motivo, é extremamente importante ter um design de P&C perfeito.
Os sistemas de energia devem ser projetados com quatro propósitos principais em relação às funções de P&C. Estes são mostrados abaixo:
Confiabilidade – O equipamento de energia deve sempre funcionar como pretendido.
Disponibilidade – O equipamento de energia deve operar durante condições anormais ou quando solicitado.
Manutenção – O equipamento de energia deve ser reparado dentro de um intervalo de tempo muito curto.
Segurança – O equipamento de energia deve estar protegido contra quaisquer violações e invasões físicas ou cibernéticas.
Quando ocorrem falhas no sistema de energia, geralmente ocorrem interrupções de energia e interrupções para usuários ou clientes de energia. Isso pode resultar na queda do serviço elétrico para um cliente, vários clientes ou uma cidade inteira. Desse modo, se uma cidade inteira fica sem energia por cinco a dez minutos ou mais, qual é o impacto econômico da perda de produtividade? É enorme! O projeto e a coordenação de P&C não são importantes apenas para o fornecedor de serviços públicos de energia, mas também para os clientes, restaurando a energia elétrica dos clientes o mais rápido possível. Energia confiável é uma necessidade para essas instalações.
Projetos de P&C com o uso de automação
As concessionárias de energia, com o uso de IED e projetos inteligentes de P&C, estão implementando mais automação para melhorar a produtividade e a eficiência. Como resultado, há uma redução na equipe de manutenção usando menos técnicos e operadores de energia devido a depender mais de proteção baseada em microprocessador e equipamentos de controle. Os IED continuam a ajudar operadores e técnicos de concessionárias de energia a utilizar mais dados em tempo real para melhor operar, controlar, gerenciar, monitorar e testar sua rede elétrica. Por fim, os IED convergem para uma rede mais inteligente e automatizada, controlada principalmente por sistemas computadorizados que executam funções de P&C.
Projetos de P&C mais recentes, com a ajuda de IED, fornecem vários benefícios e funções críticas, conforme mostrado abaixo:
- Melhores funções de monitoramento e controle;
- Detecção e localização de falhas mais rápidas;
- Proteção mais rápida e restauração do sistema (isolamento e religamento de falhas);
- Automação de Subestação;
- Vários esquemas de restauração;
- Autocorreção da rede, funcionalidade Smart Grid;
- Testes automatizados executados sem a necessidade de pessoal de teste remoto (religamento, POTT, DCB, esquemas de transferência de disparo, SCADA, etc.);
- Sob frequência e rejeição de carga (UFLS);
- Sob tensão e rejeição de carga (UVLS);
- Unidades de Medição Fasorial (PMUs);
- Faturamento por hora do dia (TOD);
- Eficiência Energética;
- Microrrede/Ilhamento;
- E outros.
Como os IEDs contribuem com grandes benefícios, os riscos de segurança também são uma grande preocupação. Como as ameaças cibernéticas às concessionárias de energia continuam sendo uma preocupação crescente, a proteção de segurança cibernética para dispositivos P&C deve evoluir para designs mais robustos e seguros. Sendo assim, projetar sistemas P&C com segurança no início é mais importante do que tentar adicionar segurança a um sistema P&C existente. Impedir que atores indesejados ou hackers acessem sistemas de proteção de energia e IEDs deve ser uma prioridade para as concessionárias, a fim de manter a confiabilidade e a resiliência de sua rede elétrica.
*SPCS: Sistemas de Proteção e Controle
