Implementação de um sistema de sincronização de amostragem em FPGA para subestações digitais

Abstract

Subestações digitais substituem os métodos de medição de grandezas de potência, detecção de falha e proteção convencionais, como transformadores de corrente, transformadores de tensão e relés, por equipamentos de medida não convencionais que utilizam sensoriamento digital. Dessa forma, a utilização de cabeamento de cobre é reduzida, bem como o risco a exposição a alta tensão. Sua instalação e substituição também é simplificada, tendo uma maior flexibilidade, padronização e interoperabilidade entre os equipamentos. A digitalização desses processos proporcionam maior acurácia e um controle melhor de seus processos. Subestações digitais incorporam diversos desses sensores, dentre equipamentos de detecção de falha, proteção de falha, oscilografia e processamento por software, trocando informações via protocolos de comunicação industriais. Contudo, para garantir a sincronização de todos esses equipamentos faz-se uso de uma fonte de sincronismo, em geral um GNSS, conectada a eles. A sincronização é essencial para o ordenamento correto dos eventos, principalmente em caso de falha onde é preciso fazer uma auditoria. O foco deste trabalho é apresentar uma solução para a amostragem síncrona de dispositivos de medida dentro das subestações digitais. Para tanto foi escolhido a utilização de dispositivos FPGA para essa implementação, pelo seu grande paralelismo e capacidade de processamento em tempo real. Os resultados obtidos estão dentro das expectativas, respeitando os limites de erro estipulados pela norma, sendo assim adequado para a utilização nos equipamentos propostos.

Digital substations replace the methods of acquiring power measurements, fault detection and conventional protection, such as current transformers, voltage transformers and relays, by unconventional measurement equipments that use digital sensing. This way, the use of copper cabling is reduced, as well as the risk of exposure to high voltage. Its installation and replacement is simplified, having greater flexibility, standardization and interoperability between equipment. The digitization of these processes provide a better accuracy and control of its processes. Digital substations incorporate several of these sensors, including fault detection equipment, fault protection, oscillography and software processing, communicating via industrial communication protocols. However, to ensure synchronization of all these devices, a synchronization source is used, usually a GNSS, connected to them. Synchronization is essential for the correct ordering of events, especially in fault cases, where an audit is required. This work is focused in presenting a solution for the synchronous sampling of measurement devices inside digital substations. For this purpose, the use of FPGA devices was chosen for the target implementation, due to its great parallelism and real time processing capacity. The results obtained are within expectations, respecting error limitations stipulated by the standards, being therefore suitable for use in the proposed equipment.