Gêmeo digital de um relé de proteção: o modelo contra o relé real em bancada

Todo estudo de proteção termina em um número: o ajuste que vai para o relé. O que sustenta esse número é um modelo da rede, da fonte e, cada vez mais, do próprio relé. E modelo é hipótese até que alguém o confronte com o equipamento. Esta campanha foi exatamente isso: um modelo de relé multifunção desenvolvido em MODELS, a linguagem de modelagem do ATP-EMTP, levado à bancada e comparado com o relé físico função por função e milissegundo a milissegundo.

Por que modelar o relé, e não apenas o sistema

Estudos de proteção em sistemas com geração fotovoltaica têm uma dificuldade que os estudos convencionais não tinham: o comportamento de curto-circuito do inversor é ditado por controle, não pela física de uma máquina síncrona. A corrente de contribuição é limitada eletronicamente, tipicamente entre 1,1 e 1,2 pu, praticamente sem sequência negativa, e com o ângulo do fasor dependente da lógica de ride-through (LVRT). Elementos direcionais, de distância e de sobrecorrente enxergam essas faltas de forma muito diferente do que a intuição clássica sugere.

Nesse cenário, ajustar a proteção de interligação de uma usina exige simular o conjunto completo, com rede, transformador, inversor com LVRT e o próprio relé, no domínio do tempo. Para isso, desenvolvemos um modelo do relé Pextron URP6100 em MODELS, reproduzindo o algoritmo do equipamento real: estimação fasorial por DFT de ciclo completo com 16 amostras por ciclo, unidades direcionais duplas de fase e de neutro (67 e 67N, com os sentidos consumo e exportação independentes), sobrecorrente de sequência negativa (46), elementos de tensão (27, 59 e 59N), direcional de potência (32) e restrição por tensão (51V).

Um modelo com esse nível de detalhe só tem valor de engenharia se for validado contra o equipamento físico. Foi o que fizemos.

Metodologia: da simulação à bancada

O sistema de estudo é o intertie de uma usina fotovoltaica de 1 MVA, com inversor grid-following com LVRT conforme os requisitos do ONS e transformador Δ/Yn, conectada a uma rede de 13,8 kV por um alimentador longo. O relé de interligação enxerga tensões e correntes no ponto de conexão, com os TCs referenciados no sentido da usina.

O ciclo de validação, repetido para cada cenário de falta, tem quatro etapas:

• Simulação do cenário no ATP-EMTP com o modelo do relé, gerando o gabarito de atuação: quais funções operam e em quantos milissegundos
• Exportação das tensões e correntes do ponto do relé em formato COMTRADE
• Reprodução do COMTRADE no relé físico por meio de mala de teste secundária, com o equipamento parametrizado com os mesmos ajustes do modelo
• Leitura da oscilografia interna do relé, incluindo os sinalizadores de partida e trip de cada função extraídos do registro proprietário do equipamento, e comparação com o gabarito simulado

Três cenários foram ensaiados: curto trifásico no sentido da usina, curto monofásico no sentido da rede (executado duas vezes, para verificar repetibilidade) e curto bifásico no sentido da usina, este último excitando simultaneamente elementos de fase, de neutro, de sequência negativa e de tensão.

Resultado 1: as grandezas analógicas

Antes dos tempos, a base de tudo: as grandezas que o relé mediu na bancada contra as que o ATP calculou. Se as formas de onda não chegam iguais, comparar tempos de atuação não significa nada. A aderência ficou entre 0,3% e 2%.

Um detalhe ilustra o nível de fidelidade alcançado: a impedância de falta reconstruída a partir do próprio registro do relé, dividindo tensão por corrente durante o curto trifásico, resultou em 5,46 Ω. É a resistência de falta de 5 Ω usada na simulação somada à impedância do trecho de linha até o ponto de defeito.

Resultado 2: os tempos de atuação

Com as grandezas conferidas, a comparação que interessa é a dos tempos. Todos os valores abaixo são contados a partir do instante de aplicação da falta, tanto na simulação quanto na bancada, e o desvio é a diferença entre bancada e ATP: negativo quando o relé real atuou antes do modelo, positivo quando atuou depois.

* No empate técnico entre 50N e 50F no ensaio bifásico, com 1,1 ms de separação na simulação, a atribuição de cada registro da bancada às duas funções é indistinguível na oscilografia. Os desvios dessas duas linhas podem estar trocados entre si; o par, somado, continua consistente.

São nove trips cronometrados, com desvio médio absoluto de 11,4 ms, cerca de dois terços de um ciclo em 60 Hz, e pior caso de 24,9 ms, todos dentro da classe de exatidão de ±35 ms do equipamento. Tão importante quanto os desvios: em nenhum dos ensaios uma função atuou na bancada onde o modelo indicava que não deveria atuar. As unidades direcionais de exportação permaneceram mudas nas faltas internas, as de consumo nas faltas externas, e os elementos de neutro e de sequência negativa discriminaram corretamente o tipo de falta.

Três achados da campanha, porém, não estavam no modelo. Apareceram no ferro.

A margem do pickup fixo em usina com inversor é inviável

A unidade de sobrecorrente no sentido de exportação foi propositalmente ajustada na janela estreita que existe entre a corrente de carga (4,18 A secundários) e o teto de contribuição do inversor (4,60 A): cerca de 10% de separação entre o que a proteção não pode enxergar e o máximo que a falta oferece. Nos dois ensaios monofásicos, a oscilografia do relé real mostrou a partida dessa unidade ligando e desligando repetidamente nos primeiros ciclos da falta, enquanto o controle do inversor rampava a corrente. É a demonstração, em hardware, de por que sobrecorrente de pickup fixo não é solução confiável para detectar faltas alimentadas por inversor, e de por que a restrição por tensão (51V) e os elementos de tensão residual (59N) e de subtensão são o caminho correto nessa direção.

Cada temporizador tem sua assinatura

O elemento 59N, temporizado em 400 ms, atuou com +21,8 ms e +24,9 ms de desvio em dois ensaios independentes: um viés sistemático da ordem de 5% a 6% do tempo ajustado, repetível, característico do temporizador do equipamento. Não é erro do modelo nem falha do relé; é o comportamento real de um temporizador dentro da sua classe de exatidão. Conhecer essa assinatura permite refinar margens de coordenação com base em comportamento medido, e não apenas em tolerâncias de catálogo.

A função 46 estreia no ferro

A sobrecorrente de sequência negativa é especialmente relevante em redes com inversores, justamente porque eles quase não produzem I₂ e o pouco que aparece precisa ser interpretado com precisão. Sua estreia em bancada, no ensaio bifásico, ficou a 2,1 ms do modelo: um oitavo de ciclo.

Conclusões

• É viável construir, em MODELS/ATP-EMTP, um modelo de relé comercial fiel o suficiente para reproduzir o equipamento físico com desvios da ordem de meio ciclo, validado função a função com injeção secundária das mesmas faltas simuladas
• O ciclo simulação → bancada é o que dá lastro ao estudo: onde modelo e relé divergiram, a divergência foi localizada, explicada e corrigida; onde concordaram, a concordância foi medida, não presumida
• Para usinas fotovoltaicas, a campanha confirmou na prática os pontos críticos da proteção de interligação com geração inversora: contribuição de curto limitada pelo controle, margens inviáveis para sobrecorrente convencional no sentido de exportação e o papel central dos elementos 59N, 27, 46 e 51V

A metodologia de modelo validado, gabarito de tempos e ensaio de bancada transforma o estudo de proteção de um exercício de simulação em um resultado verificado ponta a ponta, pronto para sustentar ajustes de campo com evidência objetiva.

A Cezário Engenharia desenvolve e valida modelos de relés e de inversores para estudos de proteção no ATP-EMTP, com verificação em bancada por injeção secundária. Se a proteção de interligação da sua usina foi ajustada a partir de um modelo que ninguém confrontou com o equipamento, esse é o momento de medir.