EPS² - Excitação, Proteção e Sincronismo Duplo

Introdução

“Que ninguém se engane, só se consegue a simplicidade através de muito trabalho.” - Clarice Lispector

  EPS² é um projeto desenvolvido pela JJMG para suprir todas as necessidades de controle, proteção, sincronismo e automação de qualquer gerador síncrono brushless.
  Trata-se de uma solução compacta que utiliza somente um sistema de excitação ABB Unitrol 1010 ou 1020 e um relé de proteção SEL-700G. Os dois equipamentos também são sincronizadores automáticos e seus recursos são aproveitadas para evitar o uso de outros aparelhos nessa função.
  A solução abriga poucos componentes em um gabinete compacto, combinados com um projeto simples que aproveita ao máximo todas as funcionalidades dos principais dispositivos eletrônicos.
  O sistema é comandado por uma sofisticada Smart HMI desenvolvida em um computador para painel com tela sensível ao toque capacitiva. Como a Smart HMI é um computador completo, além de fornecer um meio de operar o sistema, ela também acumula as funções de historiador e embarca uma poderosa ferramenta de análise de dados chamada Grafana. Outra característica da Smart HMI é a de permitir que suas telas sejam espelhadas em outros computadores com o auxílio de um programa client, de forma que o sistema já está preparado para ser operado remotamente.
  O espelhamento das telas da Smart HMI evita a necessidade de investimento para desenvolver outro sistema supervisório.

Arquitetura TOPO

  A arquitetura do EPS² está representada na área amarela do desenho a seguir. O regulador de tensão, o relé de proteção do gerador e a Smart HMI são montados no mesmo gabinete.
  A Smart HMI é um computador industrial touch de 10,4” com resolução de 1024x768 pixels, capaz de executar um sistema SCADA de código aberto. Com o auxílio de um programa cliente, os operadores poderão acessar suas telas desde suas mesas de trabalho. Isso garante maior segurança na operação, já que os operadores sempre usarão as mesmas telas independente se estão usando a Smart HMI ou trabalhando confortavelmente sentados.
  Vários computadores poderão espelhar as telas da Smart HMI executando o mesmo programa cliente. Quando as telas forem usadas em um computador desktop, as telas aproveitarão a resolução máxima disponível sem distorção das imagens. Além de computadores, tablets Android também podem espelhar as telas da Smart HMI de forma a dar maior mobilidade aos operadores. Não existem custos adicionais de software para usufruir deste recurso.

Layout TOPO

  O EPS² foi projetado para ser montado em um gabinete padrão de 600 mm de largura sem acesso traseiro. A profundidade pode ser de apenas 400 mm e a altura total de 2000 mm.
  É um sistema compacto que pode ser instalado encostado em uma parede para ocupar o menor espaço possível de uma sala de controle.

   As réguas de bornes foram projetadas com apenas 50 cm de comprimento. Isto é importante quando o EPS² for usado em um projeto de modernização onde se pretende reaproveitar os cabos existentes. Nestes bornes existem entradas e saídas digitais/analógicas disponíveis para que o EPS² possa ser comandado por outros controladores, por exemplo, o PLC da turbina.

Sincronismo TOPO

  O projeto prevê que o sincronizador automático do Unitrol 1010 seja usado para manobrar o disjuntor do gerador enquanto que o sincronizador do relé SEL-700G seja o responsável pelo fechamento do disjuntor da concessionária.

  A seguir estão os passos para a abrir e sincronizar o “GCB” (Generator Circuit Breaker):

  A seguir estão os passos para a abrir e sincronizar o “MCB” (Mains Circuit Breaker):

  As imagens acima foram extraídas do vídeo abaixo:

Principais equipamentos eletrônicos

Sistema de Excitação Unitrol 1000 TOPO

  Este sistema da ABB possui 3 versões: 1005, 1010 e 1020. A principal diferença entre os modelos é a capacidade de corrente do conversor de potência. Estes conversores são do tipo chopper e suas correntes nominais são 8 A, 10 A e 20 A respectivamente para operação até 55°C.
  O Unitrol 1005 possui menos IO’s e não tem a comunicação Modbus RTU já que só possui uma porta Ethernet para comunicação com SCADA.
  Os Unitrol 1010 e 1020 também são sincronizadores automáticos e podem sincronizar o disjuntor do gerador.
  O Unitrol 1000 também possui um modo de operação que a ABB chama de “remote control” que permite que o sistema de excitação seja inteiramente operado por comunicação sem a necessidade de recorrer ao seus IO’s.
  Os IO’s não utilizados para comandar o sistema de excitação podem ser aproveitados para monitorar sinais externos. Suas saídas digitais não programadas podem ser acionadas por comunicação. Ou seja, o sistema foi desenvolvido para poder ser usado como uma remota.
  O protocolo de comunicação disponível no Unitrol 1000 é o Modbus RTU/TCP.

Relé de proteção SEL-700G TOPO

  Este relé se tornou um dos mais populares nessa aplicação de proteção de geradores. Isso se deve a sua excelente relação de custo- benefício e de sua facilidade de uso.
  Este relé também pode ser usado como sincronizador automático do disjuntor do gerador.
  O SEL-700G é um IED, Intelligent Electronic Device, e isso implica que proteção é apenas uma de suas funções.
  Com seu display de 5” e seus 8 botões programáveis, é possível elaborar um projeto para usá-lo como interface de operação do TG. No sistema EPS², as seguintes funções são programadas nos botões:

PB01 – Diminuir velocidade;
PB02 – Diminuir tensão;
PB03 – Abrir, fechar em barra morta ou fechar sincronizando o disjuntor da rede;
PB04 – Abrir ou fechar sincronizando o disjuntor do gerador;
PB05 – Aumentar velocidade;
PB06 – Aumentar tensão;
PB07 – Reserva;
PB08 – Abrir ou fechar o disjuntor de campo.

  Em sua tela é possível ver todas as medições elétricas do gerador, as medições de temperatura, consultar o registrador sequencial de eventos e muito mais.
   SEL-700G possui vários protocolos de comunicação dos quais estamos prevendo utilizar o Modbus TCP e o IEC-61850.
  A IEC-61850 possui protocolos orientados a eventos para o registro destes com sua estampa de tempo. Para garantir a precisão dessa estampa de tempo, o SEL-700G possui uma entrada para um sinal IRIG-B proveniente de um receptor de satélite GPS.

Interface Homem Máquina TOPO

  Na grande maioria dos casos, o desenvolvimento das IHMs acontece em paralelo com o desenvolvimento do sistema SCADA.
  Em função de uma limitação de custos, raramente as IHMs possuem telas grandes com resolução parecida com a das telas dos desktops usados para o sistema SCADA.

  O hardware dessas IHMs normalmente possui especificações baixas e custo alto, pois os fabricantes que embutem seus softwares querem receber o valor correspondente às licenças destes programas.
  O resultado disso é que as telas de operação das IHMs acabam por ser muito diferentes das telas dos desktops que rodam o SCADA.
  Quando há um sistema supervisório, os operadores raramente precisam operar através destas IHMs. Certamente só irão fazer isso durante uma contingência e é quando se deparam com aquelas telas que viram poucas vezes.

  Para garantir que as telas da IHM e do supervisório sejam exatamente iguais, usamos um computador touch panel industrial como IHM, tendo assim como rodar exatamente o mesmo sistema SCADA nas estações de operação de mesa.
  Estas IHMs podem acumular a função de servidor SSH rodando sobre Linux, pois o SCADA desenvolvido com a plataforma pvbrowser® suporta múltiplos sistemas operacionais e é nativa do Linux.
  Chamamos essas IHMs desenvolvidas com um computador como “Smart HMI” pois elas vão muito além do que se espera de uma IHM comum, podendo embarcar um historiador e uma ferramenta de análise como o Grafana.

Sistemas de software

Plataforma pvbrowser® TOPO

  O software embarcado na Smart HMI é um sistema SCADA chamado pvbrowser® . Trata-se de uma solução de software livre e completamente open source.

  Por ser de código aberto, o pvbrowser® pode executar cálculos avançados elaborados por funções matemáticas em C++ ou qualquer outra linguagem de programação de computadores.
  Desenhos vetoriais sofisticados podem ser criados com a ferramenta Inkscape e animados com rotinas de biblioteca do pvbrowser®.
  Por ser software livre, as licenças de software são GPL v2 para a plataforma de desenvolvimento e para o cliente. Para as bibliotecas, a licença é a LGPL v3. Estas licenças garantem a distribuição do software sem custo.
  As aplicações desenvolvidas com o pvbrowser® não possuem limitações de números de pontos ou de estações de trabalho.
  O mesmo se aplica aos históricos. As grandezas analógicas e registros de alarmes são armazenados em um banco de dados mySQL.
  O mySQL é distribuído pela Oracle e também é software livre. O mySQL é um produto regido pela licença GPL, portanto livre de custos. O mySQL e o pvbrowser® são sistemas multiplataforma compatíveis com todos os mais importantes sistemas operacionais disponíveis para computadores. Por questões de segurança e estabilidade, o programa servidor específico para a aplicação, assim como o historiador baseado em mySQL são implantados em um ou mais servidores Linux. As estações de trabalho poderão funcionar em computadores menos confiáveis que executem um sistema operacional tipo Windows.
  A Smart HMI armazenará todas as medições analógicas pelo menos 3 vezes por segundo em séries temporais. Essa taxa de armazenamento é a mínima necessária para ajudar na análise de eventos elétricos.
  O pvbrowser® usa arquitetura client-server. O client é um navegador orientado à visualização de processos (process visualization browser). O desenvolvimento da aplicação consiste na programação do server (pvserver) que se comunica com o client por socket usando um protocolo especial pv://.
  Quando uma conexão com a internet está disponível, é possível fazer uma integração com o aplicativo Telegram para que esse receba notificações de alarmes.
  Informações completas sobre o pvbrowser podem ser encontradas no site do projeto (aplicações feitas pela JJMG no site do pvbrowser®) e vídeos diversos sobre a aplicação em turbogeradores na playlist: (Playlist pvbrowser®)
  Telas de referência para a Smart HMI (sistemas da turbina inclusos):