Proteção ROCOF

Simplificação dos conceitos de Proteção de Recursos Energéticos Distribuídos

Comunicado de imprensa

Março 2020
Religadores OSM NOJA Power usados para conexão de um Parque Solar de 17 MW à Rede de Distribuição de Média Tensão.

A implementação em larga escala de recursos de energia renovável e distribuída está se tornando a base da transição da rede elétrica rumo a um futuro energético sustentável. À medida que o progresso dessa área tem sido positivo, existem os desafios técnicos da migração de métodos de proteção tradicionais para garantir a confiabilidade e estabilidade contínua da rede de distribuição. Para a rede distribuição moderna, com geração localizada por toda a rede de média tensão, novas técnicas de proteção são necessárias para identificar fenômenos de Ilhamento, cujo principal método de proteção passiva atual é a Taxa de Variação de Frequência ou, em inglês “ROCOF” (Rate of Change of Frequency). Nesse artigo, discutiremos brevemente esta função.

Cenário de Aplicação

O modelo de geração centralizada tradicional dos sistemas de energia já se tornou obsoleto. Em Queensland, Austrália, a energia solar fotovoltaica (FV) já excede os 4 GW (https://www.dnrme.qld.gov.au/energy/initiatives/solar-future), um ativo energético total maior do que qualquer usina convencional do país. Recursos energéticos distribuídos em rede se proliferam a um ritmo acelerado, à medida que os custos marginais da geração são efetivamente zero, já que o capital tem sido empregado na criação de uma usina eólica ou matriz FV em escala de rede.

Deixando a questão econômica de lado, a manutenção da estabilidade da rede durante a distribuição de energia é o maior desafio atual para os engenheiros de proteção. Entre os principais problemas está o fenômeno de ilhamento, uma situação que ocorre quando uma subseção da rede é desconectada do restante dela, sendo suportada apenas pelos Recursos Energéticos Distribuídos (RED).

Sob uma perspectiva técnica, para que essa situação se mantenha sustentável, a Energia real e reativa consumida pela carga deve ser equivalente à que é gerada - algo até então considerado improvável. No entanto, eventos de campo publicados no Brasil e na Espanha mostraram casos de ilhamento sustentados por períodos significativos. (Dysko © 2013). A probabilidade de avarias/danos ao equipamento em condições de ilhamento permanece em discussão, mas os padrões técnicos da maioria dos países obrigam a detecção do ilhamento e o acionamento do gerador, por questões de segurança.

Para solucionar esse desafio, foi desenvolvido um pacote de funções de proteção para detecção da condição de ilhamento sob a perspectiva do gerador. A ROCOF é a técnica anti-ilhamento essencial, junto a outras técnicas passivas como o Deslocamento de Vetor de Tensão e Proteção VAR Reversa. Também existem técnicas ativas, tipicamente acionadas por dispositivos eletrônicos, como inversores, mas, para métodos de relé de proteção e conjuntos de manobra, as técnicas passivas são mais comumente utilizadas. Técnicas de proteção passivas também têm suas limitações, mas ao compreender os princípios da proteção operacional, os engenheiros podem otimizar o desempenho destes recursos e tomar decisões seguras e prudentes durante a aplicação.

ROCOF explicada

Fundamentalmente, a proteção ROCOF examina a frequência de tensão em um ponto, comparando-a periodicamente para derivar uma estimativa da alteração de frequência com o passar do tempo. O princípio de ação conceitual é o de que a estabilidade da rede exige uma correspondência entre a carga e a geração e, caso esse equilíbrio não exista, a frequência cairá ou se elevará com base na falta ou excesso de geração, respectivamente. No caso de uma seção de rede com RED se tornar ilhada, a probabilidade de um desequilíbrio entre carga e geração é grande, o que causará um ajuste da frequência e esse movimento poderá ser detectado pelos relés de proteção e o gerador pode ser acionado para desenergizar o ilhamento. Obviamente, isso também evidencia o maior problema com a ROCOF - se um ilhamento de rede apresentar equilíbrio entre carga e geração, a ROCOF não o detectará. Engenheiros de proteção devem estar cientes desta área de não-detecção para projetar esquemas em conformidade com a situação.

  = Taxa de Variação de Frequência Estimada (Hz/s) 
  = Alteração da Potência de Saída Ativa após o Evento de Ilhamento (MW)
   = Frequência Nominal do Gerador (Hz)
    = Classificação Nominal do Gerador (MVA)
   = Constante Inercial do Gerador (s)


Quanto maior o desequilíbrio entre carga e geração, maior será a ROCOF estimada durante a concepção do ilhamento. Também é importante observar que quedas importantes de tensão podem ocorrer durante a operação de rede, resultando em uma ROCOF massiva, porém temporária. Mas essa não é a operação pretendida. Sendo assim, um tempo operacional de 500 ms é tipicamente aplicado, uma vez que as quedas de tensão não relacionadas ao ilhamento não devem persistir por esse período.

À medida que a inércia de geração de rede reduz, a ROCOF geralmente aumenta, levando a maiores flutuações de frequência em casos de perturbações da rede. Situações com alta ROCOF podem ser desastrosas para fontes de geração convencionais, uma vez que o escorregamento de polo pode ocorrer a aproximadamente 1,5 Hz/s a 2 Hz/s, e em um fator de polo em avanço, escorregamentos podem ocorrer a 1 Hz/s (Palermo, 2016). Padrões globais para ROCOF variam, mas exemplos de limites da taxa de variação incluem o limite irlandês de 0,5 Hz/s e o norte-irlandês de 1 Hz/s. Requisitos de rede nacionais do Reino Unido são, para todas as centrais geradoras, comissionadas a partir de julho de 2016, limitados a 1 Hz/s por 500 ms. As Normas de Eletricidade Nacionais Australianas citam um padrão de acesso mínimo de 1 Hz/s para 1 segundo, e 4 Hz/s para 250 ms. Os Provedores de Serviços de Rede de Distribuição possuem seus próprios limites, que são geralmente mais rígidos do que os de órgãos reguladores. Exemplos australianos podem ser vistos na Tabela 1.


Tabela 1 – Exemplos de Padrões de Configuração de ROCOF para Provedores de Serviços das Redes de Distribuição Australianas

Provedores

Configuração de ROCOF*

Ausgrid

1 Hz/s
1 seg. (tempo de atraso)

AusNet

0,5 a 4 Hz/seg.
1 seg. (tempo de desconexão)

Endeavour Energy

0,4 Hz/seg.
0,5s tempo de acionamento

Energy Qld

3 Hz/s
0 seg. (tempo de atraso)

EvoEnergy

1.0 Hz / 1 seg
2 segundos, tempo de atraso definitivo


*Sujeito a alterações. Para os valores de corrente, confirmar com seu provedor de serviços de distribuição local.


O que isso significa para projetos de engenharia que integram a geração renovável e distribuída?

Na Austrália, a conexão da geração distribuída em escala de rede exige a inclusão da proteção de ROCOF. Ao mesmo tempo em que a quantidade operacional prescrita pode ser atualizada, todos os projetos exigem a capacidade de detectar e operar sobre tais quantidades.

Com as fontes de energia renováveis mostrando, tipicamente, correntes de falta máximas menores do que as de geração sincronizadas, o dispositivo Religador OSM da NOJA Power tem sido cada vez mais aplicado como o disjuntor do ponto de conexão para essas instalações. O controlador RC20 da NOJA Power possui ROCOF integrado como padrão, juntamente com a implementação de ROCOF na plataforma RC10/15 planejada para lançamento com a próxima versão do firmware 1.24. Com esses recursos disponíveis no produto padrão, os engenheiros de proteção podem cumprir os requisitos de acesso da AEMO usando o produto integrado padrão.

“A ROCOF está disponível para todos os usuários de nossos produtos RC10, RC15 e RC20,” diz o Diretor Geral do Grupo NOJA Power, Neil O’Sullivan. “É possível adicionar a função da ROCOF a equipamentos legados, por meio da atualização de firmware, sem custo adicional. Uma vez que a ROCOF é frequentemente obrigatória, nossos religadores podem ser usados para isolar redes ilhadas e, assim, cumprir com as obrigações regulatórias.”

Para mais informações sobre projetos de conexão de Geração Renovável ou sobre o pacote de sistemas de proteção e Conjuntos de Manobra da NOJA Power, visite www.nojapower.com.au ou entre em contato com seu distribuidor NOJA Power local.

Referências

Dysko, A. (2013), Loss of Mains Protection, University of Strathclyde Engineering presentation.
Palermo, J. (2016). International review of frequency control adaptation. 179.