Proteção digital dos sistemas eletricos

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Proteção digital dos sistemas elétricos de 
potência: dos relés eletromecânicos aos 
microprocessados inteligentes 
Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Universidade de São Paulo - USP 
Escola de Engenharia de São Carlos – EESC 
Departamento de Engenharia Elétrica 
Laboratório de Sistemas de Energia Elétrica - LSEE 
 
Docentes 
• Prof. Titular Denis Vinicius Coury (coury@sc.usp.br) 
• Prof. Dr. Daniel Barbosa (daniel.barbosa@pro.unifacs.br ) 
• Prof. Juliano Coêlho Miranda (doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br) 
• Prof. Lázaro Eduardo da Silva (doutorando lazaro@usp.br) 
 
 
Goiânia, Junho de 2012. 
 
SUMÁRIO 
Proteção Digital dos Sistemas Elétricos de Potência: dos relés eletromecânicos aos 
microprocessados inteligentes 
 
Este minicurso apresenta o desenvolvimento histórico dos relés de proteção, iniciando com os 
relés eletromecânicos e culminando em pesquisa realizada na implementação de relés 
digitais inteligentes. Também fazem parte do seu conteúdo uma revisão geral das principais 
filosofias de proteção, bem como a teoria matemática dos algoritmos dedicados a proteção 
digital de linhas de transmissão, transformadores, máquinas rotativas e barramentos. Ênfase 
também será dada a novas tecnologias aplicadas à proteção, incluindo o uso de ferramentas 
inteligentes tais como Redes Neurais Artificiais e Algoritmos Genéticos. Assuntos correlatos 
tais como mídia de comunicação para os relés digitais, o uso do protocolo IEC 61850 e 
simulação digital de sistemas faltosos também são abordados. 
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA 
1 – Proteção Digital de Sistemas Elétricos de Potência: 
dos Relés Eletromecânicos aos Microprocessados 
Inteligentes** 
D.V Coury, M. Oleskovicz, R. Giovanini 
Universidade de São Paulo, 378p., 2007 
ISBN: 978-85-85205-78-2 
 
2- Computer Relaying for Power Systems** 
 A. G. Phadke and J. S. Thorp 
John Wiley & Sons Inc 
ISBN 0 471 92063 0 
 
3 – Power System Protection** 
Volume 4: Digital Protection and Signalling 
Edited by Electricity Training Association – IEE 
ISBN 85296 838 8 
 
4 – Digital Protection for Power Systems** 
A. T. Johns and S. K. Salman 
Peter Peregrinus Ltd – IEE 
ISBN 0 86341 195 9 
 
5 – Protective Relays - Application Guide, GEC 
Measurements 
 
6 – Power System Relaying 
A. G. Phadke and S. H. Horowitz 
Research Studies Press Ltd 
ISBN 0 863 801 854 
 
7 – Protection Techniques in Electrical Energy Systems 
H. Ungrad, W. Winkler and A. Wiszniewski 
Marcel Dekker, Inc. 
ISBN 0 8247 9660 8 
 
 
Desenvolvimento dos relés computadorizados 
1.1 – Desenvolvimento dos relés computadorizados 
 Inicio das investigações em 1960. 
 Programas CC, fluxo de carga, estabilidade já estavam 
implementados – proteção seria o próximo campo promissor. 
 Velocidade + Preço = Problema 
 
Desenvolvimento dos relés computadorizados 
1.2 – “Background histórico” 
 Idéia inicial: proteção manipulada por um único computador. Iniciou-se, 
portanto estudos de algorítmicos encarando as complexidades da área. 
 Área de maior interesse: proteção de linhas de transmissão. 
 Era esperado um desempenho, no mínimo, igual ao dos relés convencionais. 
 Na década de 1970 houve um avanço significativo no hardware 
computacional. Houve uma diminuição do tamanho, do consumo e do custo 
dos relés bem como um aumento na sua velocidade de processamento. 
Comprovando a possibilidade de implementação dos relés computadorizados. 
Desenvolvimento dos relés computadorizados 
1.3 – Benefícios esperados com o uso da proteção computadorizada 
 
 Custo: Inicialmente o relé computadorizado era de 10 a 20 vezes mais caro que o relé convencional. 
Atualmente o preço de um relé digital sofisticado (incluindo o software) é praticamente igual ao preço 
de um relé convencional. 
 Auto-checagem e confiabilidade: O relé pode ser programado para monitorar seu próprio software e 
hardware, aumentando a sua confiabilidade. 
 Integração do sistema e ambiente digital: Tendência geral, sistemas de medição, comunicação de 
dados, telemetria e controle serem computadorizados. Crescente utilização dos cabos OPGW. 
 Flexibilidade: dispositivo programável, podendo mudar suas características. Execução de diversas 
funções: medição, monitoramento, localização de faltas, característica adapatativa. 
Possibilidade de Implementação de Técnicas Inteligentes: RNA, Fuzzy, AGs e Agentes. 
 
* Alguns Problemas: adaptação da tecnologia, mudanças no hardware, linguagem, ambiente hostil para o equipamento, etc. 
Desenvolvimento dos relés computadorizados 
1.4 – Arquitetura do relé computadorizado 
 
 TPs e TCs - transdutores 
 Módulos de interface 
 Sample and Hold 
 Multiplexador 
 Conversores analógico/digital 
 Processador. 
 
 * O suprimento de energia é geralmente fornecido 
por baterias 
 
Módulo de Interface 
(Transformadores + 
filtros passa-baixa) 
corrente tensão 
TP TC 
Disjuntor 
Linha de 
Transmissão 
Sample and Hold 
+ 
Multiplexador 
 
Conversores 
Analógico/Digital 
Microprocessador 
(para algoritmo de 
localização de faltas) 
a) Multiplexador de alta velocidade 
 
 
MUX 
A/D 
Sampling 
clock 
b) Uso do S/H 
 
 
MUX 
A/D 
Sampling 
clock 
S/H 
S/H 
S/H 
entrada 
analógica 
c) A/D individual (mais caro) 
 
 
 
Buffer 
Sampling 
clock 
A/D 
A/D 
A/D 
Organização do processo de amostragem: 
 Arranjo da conversão analógica/digital do relé 
vb 
va 
vc 
ia 
ib 
ic 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
Saída 
do 
sinal 
Entrada 
do sinal S/H 
S/H 
S/H 
S/H 
S/H 
S/H 
 
MUX 
 
CAD Data Bus 
Controle do sinal 
Microprocessador 
Start Conversion 
 
End of Conversion 
 
MUX Address 
Sample/Hold 
Princípio de um 
Multiplexador 
Elementos básicos da proteção digital 
 Elementos básicos da proteção digital 
Elementos básicos da proteção digital 
Filt 
Filt 
Filt 
Filt 
Filt 
Filt 
 
 
 
 
M 
U 
X 
A/D 
CLK 
CPU 
Memória 
va 
vb 
vc 
ia 
ib 
ic 
S/H 
Sinal 
de 
Trip 
Unidade Digital do Relé 
S/H 
S/H 
S/H 
S/H 
Unidade auxiliar 
de transformação 
Filt S/H i0 
I 
D 
B D/I 
D/O 
Tap 
S/H 
 Para fasores: 
 
x(t) tx 
 
y(t) ty 
  temponoamostra
  temponoamostra
Os dois fasores vão diferir de um ângulo: 
 
 
Onde T é a frequência fundamental do sinal. 

  )(2. rad
T
tt yx


Assim, os sinais podem ser colocados na mesma referência compensando-se o . 

 Interpolação: 
xk = { x1, x2, ... , xn} 
tk = { t1, t2, ... , tn} 
 t’k ? 
x’k será? 
x’k = xk + ( xk+1 - xk) . / (tk+1 - tk ) T
t 
x(t) 
T
Compensação devido a não simultaneidade dos sinais: 
1.5 – A conversão analógica digital 
Número de bits do conversor: Quanto maior o número de bits do conversor, menor é o 
erro de quantização. 
 
Máximo erro introduzido: 
± ½ x nível de quantização (erro de quantização). 
 
Taxa amostral: outro parâmetro importante. 
Conversor N bits  2N valores a serem representados 
 Exemplo:N = 3  23 = 8 (8 níveis de quantização) 
Desenvolvimento dos relés computadorizados 
1.5 – A conversão analógica digital 
Convertendo um sinal analógico em um código 
binário 
Desenvolvimento dos relés computadorizados 
 Amostragem de um sinal analógico 
Conversão analógica/digital 
 Conversão digital/analógica 
Conversão analógica/digital 
 Efeito aliasing em um sinal amostrado. 
Frequência < 0,5 fs 
Conversão analógica/digital 
Teorema da amostragem: 
1.6 – Filtros “anti-aliasing” 
 Para que uma determinada frequência f1 do sinal analógico seja ou 
possa ser completamente reconstituída, a taxa amostral, no processo 
de digitalização, deve ser no mínimo igual a 2xf1. 
 
f1 = Frequência de Nyquist 
 
• Para que não ocorra o fenômeno conhecido como sobreposição de 
espectros (aliasing), filtros anti-aliasing devem ser usados. 
 
fc 
Ganho 
frequência 
* A linha contínua mostra a característica ideal do filtro para uma frequência de 
corte fc. O gráfico pontilhado mostra a característica real do filtro. 
Teorema da amostragem: 
1.6 – Filtros “anti-aliasing” 
 Filtro RC – resposta em frequência e tempo 
* Filtro RC com frequência 
de corte de 360 Hz 
1.26K 2.52K 
0.1f 0.1f 
1.0 
0.7 
360 720 
Frequência (Hz) 
Ganho 
1.0 
Tempo (ms) 
Saída 
Comparação entre diferentes filtros para uma 
frequência de corte igual a 360 Hz: 
1.6 – Filtros “anti-aliasing” 
 Comparação entre o filtro Butterworth e Chebyshev. 
Comparação entre diferentes filtros para uma 
frequência de corte igual a 360 Hz: 
Relé Digital Diferencial L90 
• Relé diferencial com disponibilidade 
de comunicação (via UCA 2.0) de alta 
velocidade via rede Intranet. 
• Software resgata oscilografia e 
eventos para rápido diagnóstico de 
falta. 
• Bastante flexível quanto ao uso. 
• Característica modular – pode ser 
atualizado em campo com módulos 
substituíveis. 
• Possibilidade de sincronização de 
dados via GPS (Global Positioning 
System). 
 
Tendências Modernas na Proteção de Sistemas 
 
• A Comunicação de Dados e as Fibras Ópticas: Processo de 
compartilhamento e trocas de informação. Cabos OPGW (Optical 
Ground Wire) 
 
• O uso do GPS e dos PMUs (Phasor Measurements Units): Permitem 
as concessionárias de energia a determinação de fasores de tensão e 
corrente com relação a uma referência fixa. 
 
• O uso da Transformada Wavelet e Ferramentas Inteligentes. 
 
• A Aplicação de Tecnologias Intranet. 
Agradecimentos 
Introdução à Proteção dos Sistemas Elétricos 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Proteção digital dos sistemas elétricos de 
potência: dos relés eletromecânicos aos 
microprocessados inteligentes 
Proteção de Sistemas Elétricos, Revisão 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
A proteção de sistemas elétricos – revisão 
Introdução. 
Filosofias básicas da proteção. 
Proteção das linhas de transmissão, máquinas, transformadores e 
barramentos. 
Transformadores de potencial e de corrente. 
Apanhado geral dos princípios operacionais dos relés em funcionamento atualmente. 
 
Entrada {V e I fasoriais}  Saída {on-off - mudança de status} 
 
Razão principal desta revisão: ponto de referência para a proteção microprocessada. 
Muitas técnicas digitais utilizam dos mesmos princípios de maneira mais sofisticada. 
 
Histórico: 
Os primeiros relés eletromecânicos: robustos mecanicamente, imunes a EMI e 
lentos. 
Relés de estado sólido (final dos anos 50): componentes eletrônicos, não 
necessitavam de manutenção, mais flexíveis e com maior velocidade de atuação. 
Relés digitais 
Atualmente há uma combinação de eletromecânico + estado sólido + digital nos 
SEPs. 
2.1 Introdução aos sistemas de proteção 
2.2 Função da proteção 
Proteger os SEPs dos efeitos danosos de uma falta. 
Atributos cada vez mais exigidos  crescimento, complexidade e interligamentos 
dos SEPs. 
Os relés de proteção devem provocar, sem delongas, 
o desligamento total do elemento defeituoso. 
Prováveis causas dos defeitos: 
Ar: CC por aves, roedores, galhos de arvores, 
TCs, rigidez dielétrica afetada por frio ou 
calor. 
Isoladores de porcelana curto-circuitados ou 
rachados. 
Isolação de transformadores e geradores 
afetados pela umidade. 
Descargas atmosféricas. 
Surtos de chaveamento. 
Efeitos indesejáveis dos CC: 
Redução da margem de 
estabilidade do sistema. 
Danos aos equipamentos 
próximos a falta. 
Explosões. 
Efeito cascata. 
 
Quadros Estatísticos dos defeitos 
Quadros Estatísticos dos defeitos 
Subsistemas do Sistema de Proteção 
7 
 Circuito Disjuntor: isola o circuito faltoso interrompendo uma 
corrente quando esta esta próxima de zero. É operado por um 
disparador energizado pela bateria, que por sua vez, é comandada 
pelo relé. 
 Transdutores: TPs e TCs – reduzem a magnitude da V e I (dentro de 
certos limites, reproduzem fielmente os valores observados). 
 Relés: são os elementos lógicos do sistema de proteção. Normalmente 
respondem a V e I acusando a abertura ou não dos disjuntores. 
Bateria: fonte reserva do sistema (tem que ser independente do 
sistema a ser protegido). 
Características Funcionais dos Relés 
Relé 
De 
Proteção 
Sensibilidade 
Seletividade 
Velocidade de 
atuação 
Confiabilidade 
9 
Sensibilidade: capacidade da proteção em responder às anormalidades nas 
condições de operação e CC a qual foi projetada, retirando de operação apenas a 
parte do sistema que se encontra sob falta, deixando o resto do sistema operando 
normalmente. 
Seletividade: isolar completamente o elemento defeituoso e desligar a menor 
porção possível do sistema, operando os disjuntores adequados a ele associados. 
Velocidade de atuação: minimiza o vulto dos defeitos e risco de instabilidade. É o 
tempo entre a incidência da falta e o comando de abertura do disjuntor dado pelo 
relé. 
Confiabilidade: probabilidade de um componente, um equipamento ou um sistema 
satisfazer uma função prevista, sob dadas circunstancias e evitar operação 
desnecessária durante a operação normal do sistema ou na presença de faltas fora 
de sua zona de proteção. 
A responsabilidade da proteção 
de uma porção dos SEPs é 
definida por uma linha 
pontilhada limite chamada zona 
de proteção. 
Zonas de Proteção 
M M 
G 
G 
G 
5 5 
3 
2 
3 
3 2 3 
1 
2 
3 
4 
4 
4 4 
4 
3 2 
2 
1 
1 
1 - Proteção de geradores 
2 - Proteção de transformadores 
3 - Proteção de barramentos 
4 - Proteção de linhas de transmissão 
5 - Proteção de motores 
Estação A Estação B 
Estação C 
Estação D 
D23 
D24 
D12 
P1 
P1 
D21 
Zona 1 
Zona 3 
Zona 2 
P2 
P2 
1 
2 3 
D32 
D42 
4 
R12 
R12 
R12 
R23 
T2 
T3 
1 2 3 4 
R24 
Te
m
p
o
 d
e
 o
p
e
ra
ç
ã
o
 
Localização da falta 
O sistema de proteção: responsável pelas faltas ocorrendo dentro das zonas. 
Os disjuntores isolarão o defeito respeitando a zona que a falta incide. 
 As zonas primárias são definidas pelos disjuntores. 
Importante:as zonas de proteção se sobrepõem – para garantir que nenhuma porção 
do sistema seja deixada sem proteção primária de alta velocidade (eliminação de 
pontos cegos). É desejável manter esta região a menor possível. 
Circuito primário duplicado, proteção local e proteção de retaguarda. 
Deve ser ressaltada a exigência da proteção de retaguarda caso a 
principal não funcione: 
Opções: 
 Duplicação de alguns elementos do sistema como secundário do 
TC, disparador do circuito disjuntor, etc. 
 Função de proteção de Retaguarda Remota e Local (retardo de 
tempo de coordenação). 
 
Classificação dos relés 
Princípios fundamentais dos principais tipos de relés: 
 Relés de Magnitude: respondem as mudanças em magnitude; relés de 
sobrecorrente. 
 Relés Direcionais: respondem ao ângulo de fase entre duas entradas 
AC: V e I ou I1 e I2. 
 Relés de Distância: respondem a razão de dois fasores de entrada – 
número complexo. 
Exemplo: Relé de impedância. 
Relés diferenciais: respondem a soma algébrica de correntes entrando 
em uma zona de proteção. 
Exemplo: Transformadores. 
Relés de Fio Piloto: utiliza comunicação da informação da localização 
remota como sinais de entrada. 
R 
A B 
Fonte de 
Potência 
2.3 Proteção de Linhas de Transmissão 
Relés de sobrecorrente: respondem a amplitude de sua corrente. 
– Pode ser usado para proteger qualquer elemento do sistema: LT, 
trafos, geradores, etc. 
– Para um sistema radial: 
Descrição funcional: 
 
 
 
 
Onde: 
Ip – corrente do enrolamento 
secundário do TC previamente 
definida (pickup) 
If – corrente da falta 
bloqueioII
disparoII
pf
pf


Há normalmente dois tipos de ajustes: 
a. Ajuste de corrente: |Ip| através de tapes do enrolamento de 
atuação. 
b. Ajuste de tempo: característica no tempo pode ser deslocada (½ 
atuação + rápida, 10 + lenta). 
 
Frequentemente é desejável se obter o tempo operacional 
dependente da magnitude da corrente: característica inversa, 
muito inversa, extremamente inversa. 
A escolha da característica vai depender da aplicação. 
Ajuste do relé 
a. Temporizado: característica de tempo inversa b. Instantâneo 
Corrente 
Te
m
p
o
 
Te
m
p
o
 o
p
e
ra
ci
o
n
a
l 
e
m
 s
e
g
u
n
d
o
s 
T
im
e
-d
ia
l 
se
tt
in
g
 
Curva de tempo-inverso típica de um relé de sobre-corrente comercial. 
Quando o sistema é não radial, o relé de sobrecorrente pode não prover uma proteção 
adequada. 
Dependendo da fonte, a corrente fluindo para a falta F1 (vista pelo relé B) pode ser 
menor em módulo do que a fluindo para a falta F2. 
No entanto, para faltas em F1, o sentido da corrente de falta vista por B inverte. 
O relé direcional dará melhor proteção que o de sobrecorrente. 
 Sistema loop  há fonte geradora em ambos os lados 
A B 
F1 
F2 
Relés direcionais 
Na realidade, tomando-se a natureza 
indutiva das linhas: 
 /2 para falta em F2 ou condição 
normal 
 - /2 para falta em F1. 
IB – Falta Reversa 
IB – Falta 
EB 
Descrição funcional: 







bloqueia
opera


0
0
onde: é o ângulo entre a corrente de falta e a referência (tensão) 

Diagrama Unifilar e Diagrama R-X 
Relés de distância 
 Z1  impedância de sequência + da linha toda 
V, I 
A B F 
k 
 k – distância fracional com relação ao relé. 
Considere x, y = a, b, c (fases). Se houver uma falta fase-fase-terra entre as fases x 
e y (x ≠ y), pode ser mostrado que: 
1kZ
II
EE
yx
yx



Similarmente, para uma falta fase-terra, na fase x: 
 
 
 
Onde: m=(Z0 – Z1)/Z0 
 Z0 = impedância de sequência 0 
 I0 = corrente de sequência 0 
1
0
kZ
mII
E
x
x 

B 
K 
A R 
 Relé mho: + comum em relés 
eletromecânicos e de estado sólido. 
 Quadrilátero: forma mais 
apropriada – relés digitais. 
Tipos de características de relés de distância. 
Característica Operacional de um Relé de Distância tipo impedância 
Característica Operacional de um Relé de Distância tipo Mho 
Característica Operacional de um Relé de Distância tipo Quadrilateral 
Como os limites do relé não são bem delineados, temos que usar relés de 
múltiplas zonas para cobrir a linha toda. 
Zona 1: opera instantaneamente 
Zona 2: opera temporizado 
Linha XY = operação instantânea de ambos os relés. 
Fora dela, um relé opera instantaneamente e, o outro, de forma 
temporizada (F2 e F3.) 
Uma zona adicional 3 é criada para a proteção de retaguarda. 
C 
X 
A R 
D 
B 
F2 
F3 
D 
C 
Transformadores maiores (2,5 MVA ou mais) são geralmente protegidos 
por relés diferenciais percentuais (corrente). 
Representação esquemática: 
Bloqueio Disparo Bloqueio 
2.4 Proteção de transformadores 
2.4 Proteção de transformadores 
Corrente efetiva na bobina retenção: 
(I1 +I2)/2 
Corrente efetiva na bobina operação: 
(I1 – I2) 
 
 Para uma falta externa (ou corrente de carga): 
– Op: (I1 – I2) = 0  plena retenção 
– Ret.: (I1 +I2)/2 = I1 = I2 
 Para uma falta interna : (I2 torna-se negativo) 
– Op: (I1 + I2)  fortalecido 
– Ret.: (I1 +I2)/2  enfraquecido 
Característica do relé diferencial percentual 
 Esquema de um transformador monofásico, com conexão de relé 
de proteção diferencial. 
 Conexão dos transformadores de corrente (TCs). 
N1:N2: RT (primário e o secundário) do transformador principal. 
1:n1 e 1:n2: RT entre os ramos e os TCs. 
 
Característica do relé diferencial percentual 
 Característica operacional de um relé diferencial percentual. 
 Ajuste: 
– Valor inicial 
– Declividade 
Característica do relé diferencial percentual 
 
 Durante a energização, correntes anormais podem fluir no 
enrolamento. 
 Corrente de magnetização: causada pela saturação do núcleo do trafo 
(processo aleatório) – altas correntes. É necessário distinguir entre 
faltas e correntes de magnetização. 
 Uma técnica usada para impedir a atuação sob condições de 
magnetização é detectar a segunda harmônica. A corrente de falta é 
quase puramente de frequência fundamental. 
 Isso pode ser feito através de filtros analógicos ou por meio de filtros 
digitais (corrente harmônica é usada para fortalecer Iret.). 
 Outra situação a ser observada é quando o trafo está sobre-excitado. 
Neste caso, a corrente de magnetização apresenta um componente de 
quinto harmônico significativo (fortalecer o Iret). 
Corrente de magnetização durante a energização de um transformador. 
 
 
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 
-8 
-6 
-4 
-2 
0 
2 
4 
6 
8 
10 
 Fase A 
 Fase B 
 Fase C 
C
or
re
nt
e 
D
if
er
en
ci
al
 (A
) 
Tempo (s) 
 
Relé diferencial percentual 
Corrente de falta interna em um transformador. 
 
 
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 
-40 
-20 
0 
20 
40 
60 
 Fase A 
 Fase B 
 Fase C 
C
or
re
nt
e 
D
ife
re
nc
ia
l (
A
) 
Tempo (s) 
 
Relé diferencial percentual 
2.5 Proteção de reatores e geradores 
 A proteção principal para um reator e ou um gerador é similar a 
proteção diferencial de transformadores. 
 Os transformadores de corrente empregados nos dois terminais de um 
enrolamento de um gerador são especialmente “casados”. 
Não é necessário nenhum artifício para considerar os erros causados 
pelas mudanças dos taps. 
Não é preciso se preocupar com a corrente de magnetização. 
Usualmente érelacionada ao aquecimento do rotor causado pela 
corrente de sequência negativa nos enrolamentos do estator 
(correntes desbalanceadas do estator). 
A corrente de sequência negativa do relé é testada para a quantidade: 
 
alarmeouaberturaKi ,22 
operaçãonãoK ,
2.6 Proteção de barramento 
 Por não ser fisicamente longo, o relé diferencial é usado para sua 
proteção. 
Quando não há falta no barramento: soma algébrica de todas as 
correntes deve ser zero (considerando TCs idênticos). 
 
2.6 Proteção de barramento 
 Problema a ser considerado: saturação do TC para uma falta externa. 
 Exemplo: corrente no ramo faltoso é alta, o TC corre o risco de se tornar 
saturado. 
TC saturado não produz corrente de secundário 
 Solução: relés de alta impedância ( a impedância mais baixa do 
secundário do TC saturado bypassa a corrente diferencial do relé). 
 
2.7 Transformadores de corrente e de potencial 
Transformadores de corrente – TCs 
 Existe um erro na corrente 
secundária causado pela saturação 
do núcleo do TC. 
 Mesmo quando o núcleo do TC não 
está saturado, a corrente 
secundária apresenta um erro 
devido a corrente de magnetização 
(fluxo no núcleo). 
 
Uma aproximação usual do TC e o diagrama fasorial das grandezas envolvidas. 
2.7 Transformadores de corrente e de potencial 
Transformadores de potencial – TPs 
 TPs em baixa tensão são muito precisos e, em geral, seus erros de 
transformação podem ser ignorados. 
 
Transformadores de potencial – TPs 
 1/2f (C1+C2) = 2f L: defasamento entre fase de (C1 + C2) é 
cancelado pelo atraso de fase da L para todas as correntes de 
carga e, a tensão secundária estará, em fase com a tensão 
primária. 
O erro em regime permanente do TPC é desprezível. 
Motivo de preocupação: resposta transitória. 
A tensão primária passa rapidamente do seu estado de pré-falta 
para valores de pós-falta, a tensão de saída experimentará um 
transitório atenuado antes de atingir o seu valor final de regime 
permanente. 
 
Transformadores de potencial – TPs 
Este transitório atenuado depende dos parâmetros do TPC, impedância da 
carga e fator de potência, bem como do ângulo de incidência da falta 
primária. A resposta transitória do TPC causa dificuldade nas tarefas de 
proteção que requerem entradas de tensão (criam imagens falsas da 
tensão nos terminais de entrada do relé. 
 
Agradecimentos 
Proteção de Sistemas Elétricos, Revisão 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Proteção digital dos sistemas elétricos de 
potência: dos relés eletromecânicos aos 
microprocessados inteligentes 
Proteção Digital de Linhas de Transmissão 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Base matemática para a proteção digital 
 Introdução 
 A detecção da falta. 
 Uso de técnicas dos mínimos quadrados, Fourier, Walsh e Kalman. 
 A classificação da falta. 
 Sistema completo de proteção de distância para linhas de 
transmissão. 
 A proteção baseada em ondas viajantes. 
 A proteção diferencial de linhas com três terminais. 
 
3.1 Introdução 
 Atrai maior interesse de pesquisa por possuir a maior possibilidade 
de melhora de desempenho. 
 Muitos algoritmos se baseiam no cálculo da impedância (valendo-
se dos processos de filtragem como a TDF ou mínimos quadrados). 
 Outros tipos de algoritmos são baseados no modelo R-L da linha, 
ondas viajantes, lógica diferencial. 
 
3.1 Introdução 
• Janela de dados – 3 amostras (quando a nova amostra surge, a 
última é abandonada - movimento). 
 
 t – tempo entre amostras 
t   tempo que o microcomputador tem 
para completar os cálculos: processadores 
mais potentes ou algoritmos mais simples. 
t  precisão 
 J2 e J3 – contém dados de pré e pós-falta 
Os dados tem pouco significado para os algoritmos de 
ajuste. 
Comprimento da janela de dados 
 
  janela de dados   tempo para a janela passar o ponto de falta 
   tempo de decisão 
 
Por outro lado : 
 
  janela de dados   habilidade do algoritmo em rejeitar componentes de 
alta freqüência. 
 
Há portanto um compromisso ou relação inversa entre velocidade e precisão. 
Fontes de erro 
 
As ondas faltosas de corrente e tensão não são senoides de frequência 
fundamental, ou seja, elas são compostas por: 
 
 Termo exponencial (componente CC,) que decai exponencialmente com a constante de tempo da 
linha. 
 
Sinais de alta freqüência associados com a reflexão das formas de onda. 
 
Erros nos TPs e TCs. 
 
Erros na conversão A/D (quantização e amostras não espaçadas exatamente em t). 
 
Filtros anti-aliasing que reduzem a componente de alta freqüência e introduzem defasagem de 
tempo. 
Finalmente a própria linha de 
transmissão e as condições de falta são 
responsáveis pelo processo aleatório do 
ruído presente nas ondas: 
 
Pode portanto, ser criada uma família de 
curvas (forma de onda) alterando-se: 
 
 ângulo de incidência da falta; 
 estrutura da rede, tais como 
capacidade das fontes; 
 tipo de falta; 
 localização da falta ao longo da 
linha e 
 resistência de falta. 
 
* Todos estes parâmetros devem ser levados 
em conta no processo de escolha do filtro 
digital a ser usado. 
 
Ondas típicas de corrente e tensão para uma falta fase-a-terra com 
dados de dados pré e pós-falta. 
3.2 A detecção da falta 
Primeira Etapa: detecção do defeito, seguida da confirmação do mesmo, verificação 
da zona de proteção, etc. 
 
O defeito pode ser detectado de várias formas e é geralmente associado a mudanças no 
sinal da tensão e ou corrente. 
 
1o Método: 
1. Amostra-se a corrente nos instantes 
1, 2, 3, 4 em (a). 
2. Faz-se a estimação (predição: 
algoritmo) de 1’, 2’, 3’, 4’. 
3. Compara-se os valores estimados 
com os reais: havendo mudança 
substancial, detecta-se a falta. 
2º Método: 
 
Os sinais de tensão e corrente são retificados: 1 – para variação positiva 
 0 – para variação negativa 
 
 Condição normal: senóides – os períodos das variações positivas e das negativas são iguais. 
 Condição de defeito: a variação positiva é diferente da negativa e isto é refletido. 
 
 
3º Método: 
 
As mudanças podem também ser detectadas pela comparação das formas de 
onda da V e I com o ciclo anterior correspondente. 
 
k – inicialmente é zero e é incrementado a cada variação significativa da 
tensão. 
Detecta-se o defeito quando k atingir um certo valor. 
 
3.3 Técnica baseada nos mínimos quadrados 
Admite-se uma forma de onda com os componentes descritos anteriormente: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 As soluções do procedimento de minimização são os parâmetros incógnitos k: Os parâmetros k 
do componente de frequência fundamental são utilizados para calcular a impedância 
aparente vista na locação do relé. 
 O modelo básico (*) pode ser simplificado eliminando-se os harmônicos e considerando 
componentes CC constante. 
 A precisão depende do período de amostragem e do número de amostras por ciclo. 
 
(*))]cos()([
1
1221 


 N
m
mm
t tmktmsenkek 
2
1
21 }))]cos()([({ 12



N
m
m
t
T
o
tmKtmsenkekIE m 
Onde: 
k1, k2, ..., kn+1 são os parâmetros incógnitos 
N =número de componentes de harmônicos 
 = constante de decaimento 
= freqüência angular 
 
Onde: 
I = forma de onda a ser considerada 
T = período amostral 
 
Técnica baseada na transformada Fourier 
Esta técnica se fundamenta na teoria de transformadas ortogonais: 
um par ortogonal de funções bases são correlacionadas com os dados 
amostrais para extrair os componentes da função base da forma de 
onda de entrada. 
 
 
TDF  par ortogonal (funções seno e co-
seno) 
 
 
Para expressões dadas na forma 
retangular, para um ciclo de dados 
a amostra k: 
 
Assim, as expressões podem ser 
convertidas a forma polar, sendo a 
expressão para a tensão: 
 




1
1
]})/2cos[({/2
N
T
Tc TNVNV 




1
1
]})/2[({/2
N
T
Ts TNsenVNV 
Vi = amostra de tensão 
N = número de amostras por ciclo 
2
1
22 )( cs VVV 
)(tan 1 IVz

 2
1
2222 )/()( cscs IIVVZ 
)(tan 1 csz VV

 
 
• Está implícito na análise de Fourier a filtragem dos dados: melhor 
precisão quando se utiliza de janela de ciclo completo. 
 
• Com o intuito de melhorar o tempo de resposta do algoritmo, 
foram desenvolvidos dois outros métodos baseados na TDF: 
 
– TDF de meio ciclo: alguns erros foram introduzidos devido a 
componente CC e altas frequências. 
 
– FFT (Fast Fourier Transform): versão otimizada da TDF no que diz 
respeito a eficiência computacional. 
 Resposta em frequência de uma TDF de um ciclo completo e de meio 
ciclo. 
Nº Amostras Nº de Operações 
para a TDF 
Nº de Operações 
para a FFT 
16 256 64 
32 1024 160 
64 4096 384 
128 16384 896 
256 65536 2048 
512 262144 4608 
 Resposta em frequência de um algoritmo de um ciclo completo e 12 amostras por ciclo. 
DFT Método dos Mínimos Quadrados 
Técnica baseada da função Walsh 
Intimamente relacionada com a Transformada de 
Fourier de um ciclo completo. Porém, as funções 
ortogonais são ondas quadradas (par e impar). 
 
O cálculo é simplificado: ondas quadradas  ± 1 
somente: 
 






 

n
k
nkn kWYY
2
1
)(21
 Um grande número de termos devem ser 
incluídos para se obter uma boa estimativa. 
 A simplicidade deve ser contrabalançada por 
grande número de termos: problema para 
proteção digital (tempo excessivo). 
 
Ex: 4 primeiras funções Walsh. 
 
 
 
 
 43214
43213
43212
43211
41
41
41
41
YYYYY
YYYYY
YYYYY
YYYYY




Técnica baseada no filtro de Kalman 
 O filtro de Kalman é um estimador ótimo recursivo dos 
componentes de frequência fundamental de V e I. 
 É necessário um conhecimento estatístico das condições 
iniciais e o modelo do processo. 
 É necessário uma precisão do sinal de ruído: 
Função de auto-correlação e variância do sinal de ruído 
baseada na frequência e ocorrência de diferentes tipos de 
faltas. 
A probabilidade de distribuição da localização da falta. 
 
Técnica baseada no filtro de Kalman 
Muito bem aplicado em processamento digital on-line. Os dados 
de entrada ruidosos (medidos) são processados recursivamente: 
quando cada amostra se torna disponível em tempo real, ela é 
utilizada para atualizar a estimativa prévia. Isto é repetido até 
o estado-estável, onde nenhuma melhoria é alcançada. 
 O resultado possui rápida convergência para 60 Hz e baixo 
esforço computacional. 
 O filtro de Kalman é inicializado com uma estimativa do sinal 
e sua covariância com uma do erro. 
 
O sinal de tensão é modelado segundo as equações: 







s
c
k
Y
Y
X 






10
01
k
Onde: 
Xk = vetor de estado do processo (nx1) no tempo tK. 
k = matriz de transição de estado (n x N) 
Hk = matriz que relaciona as medidas e os estados. 
 )sen()cos(  kkHk
O sinal da corrente é modelado segundo as 
equações: 











0Y
Y
Y
X s
c
k











 t
k
e 0
10
01
 1)sen()cos(  kkH k
O modelo de três estados leva em consideração o 
componente CC. 
Em ambos os casos a covariância do sinal de ruído é: 
TtKKeRk /
Técnica baseada nos parâmetros RL da linha 
 A técnica assume a representação do modelo da linha de 
transmissão com seus parâmetros concentrados. 
 Considera o componente CC como parte válida da solução. 
 Baseada na solução da equação diferencial, modelando o 
sistema e não o sinal. 
 
dt
tdi
LtRitV
)(
)()( 
É então proposta a integração da equação em dois intervalos de 
tempo distintos para obtenção de R e L. 
 
dt
tdi
LtRitV
)(
)()( 
 
 


2
1
2
1
1
0
1
0
)(({)()(
)(({)()(
12
01
t
t
t
t
t
t
t
t
tittLdttiRdttV
tittLdttiRdttV
e(t) 
L R i(t) 
     
     
211121
211 121
^






nnnnnnnn
nnnn
n
llrrllrr
nnllnnll
r
iiiiiiii
vviivvii
k
 
R 
 
     
     
211121
211 121
^
2






nnnnnnnn
nnnn
n
llrrllrr
nnrrnnrr
l
iiiiiiii
vviivviih
k
 
L 
 
3.3 Técnica baseada nos parâmetros RL da linha 
Considerando-se 3 amostras de corrente e tensão suficientes para 
computar as estimativas, temos (k, k+1 e k+2). A solução é obtida através 
da regra trapezoidal. 
– Através dos valores de R e L calcula-se Z = R + jL e tem-se o 
procedimento idêntico aos outros. 
– No entanto, deve ser dito que o modelo anterior não considera 
capacitância em paralelo (ou série) associada as linhas de 
transmissão. 
Assim, um novo modelo proposto acomodará tanto o componente CC como 
componentes de alta frequência. A equação básica será: 
2
2 )()(
)()(
dt
tVd
LC
dt
tdi
LiRtV 
 No entanto, o esforço computacional é aumentado consideravelmente. 
Outros modelos de linhas foram propostos, incluindo filtros para 
compensar o efeito capacitivo das linhas. 
e(t) 
L R 
i(t) 
C 
2
2 )()(
)()(
dt
tVd
LC
dt
tdi
LiRtV 
 3.4 A classificação da falta 
 Uma vez que o tipo de falta não é a priori conhecido, 
pode-se calcular a distância supondo 6 diferentes tipos 
de falta. 
 Somente alguns dos cálculos apresentará resposta 
dentro da zona de proteção do relé, ou outros estarão 
fora, dependendo do caso: 
– a - b = bloco 1 
– a - b - terra = blocos 1, 4, 5 
– a - b - c = todos os 6 blocos 
 
* Haverá uma considerável diminuição do tempo 
computacional se houver determinação inicial do 
tipo de falta. 
 
Saída 
Amostra k 
va, vb, vc 
ia, ib, ic 
Cálculo da 
distância para 
a fase a-b 
c - a 
b - c 
a - t 
b - t 
c - t 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
Checagem da falta 
(zona de proteção) 
Assim, considerando uma sub-rotina para classificação de falta: 
 
 
 
Amostra 
k 
Tipo de Falta 
Distância k 
1 2 3 4 5 6 
Os métodos de classificação de faltas normalmente são implementados 
através da comparação entre os componentes superpostos dos fasores 
normalizados de Ia, Ib, Ic e I0 . Esses valores são comparados a valores 
limites e a classificação da corrente pode ser obtida. 
 
 Se a classificação for incerta, a situaçãodeve ser reconhecida pelo 
processador e as seis quantidades anteriores devem ser calculadas. 
 
Processo de classificação 
de diferentes tipos de 
faltas em uma linha de 
transmissão. 
Sinais Tensão e 
Corrente 
Classificação 
da Falta 
Filtragem 
Digital 
Detecção da 
Falta 
Imp. aparente 
(distância) 
Decisão 
Abertura 
 
Fourier 
Walsh 
Kalman 
MQ 
 
 
Amostras 
 
Fasores 
 
Filtragem Digital 
Os dados ruidosos são processados para determinar as 
quantidades (fasores) requeridas pelo relé. 
3.5 Algoritmo completo de proteção 
de distância 
3.6 A proteção baseada em ondas viajantes 
 Possibilita uma extinção extremamente rápida da falta. 
 Frequências amostrais mais elevadas se fazem necessárias para perfeita representação 
do fenômeno transitório. 
 Faz a estimação da localização da falta através do intervalo de tempo entre a chegada 
de uma onda incidente e a correspondente onda refletida pela falta. 
 
 
3.6 A proteção baseada em ondas viajantes 
Os componentes injetados Vf e If podem ser expressos em termos de uma 
onda viajante direta (f1) e uma onda viajante reversa (f2) representadas 
por: 
 
 
 
 
Onde v e Z0 são a velocidade de propagação e a impedância 
característica da linha. x é a distância que a onda viaja do ponto de falta 
até o relé. 
Na prática, a seguinte função de correlação discreta de valor médio é 
usada: 
 
 
 
 e são os seus valores médios e Ƭ é o tempo entre as ondas 
(indica a distância da falta). 
 
1S 2S
A corrente diferencial e de bias são formadas por: D(t) = ix(t) + iy(t) + iz(t) 
 B(t) = ix(t) - iy(t) - iz(t) 
3.7 Proteção digital diferencial de linhas 
 
Princípio básico da proteção diferencial de corrente de linha 
Princípio básico da proteção diferencial de corrente de 
linha 
Os valores instantâneos das correntes em cada terminal são 
modulados em frequência e transmitidos aos outros via microondas. 
 
 
 
 
 Construção básica de um 
sistema FM de relé. 
A figura abaixo mostra a característica básica de um relé diferencial 
percentual FM típico. 
 
As quantidades modais diferenciais e bias podem ser definidas por: 
)()()(
)()(
tBKKtStD
KtBKtD
BS
SB


thresholdvalorKS 
     
     )()()()()()()(
)()()()()()()(
1
1
tititititititB
tititititititD
czazcyaycxax
czazcyaycxax


     
     )()()()()()()(
)()()()()()()(
2
2
tititititititB
tititititititD
bzazbyaybxax
bzazbyaybxax


O ALGORITMO LÓGICO DE DECISÃO: 
(a) Forma de onda típica para falta externa. 
(b) Forma de onda típica para falta interna. 
Agradecimentos 
Proteção Digital de Linhas de Transmissão 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Proteção digital dos sistemas elétricos de 
potência: dos relés eletromecânicos aos 
microprocessados inteligentes 
Proteção Digital de Transformadores, 
Máquinas Rotativas e Barramentos 
Proteção 
Diferencial 
(87) 
Geradores (87G) 
Motores (87M) 
Transformadores 
(87T) 
Linhas de 
Transmissão 
(87L) 
Barramentos 
(87B) 
Proteção Diferencial 
• Utiliza a Leis de Kirchhoff 
 
 
 
 
• Zona de Proteção Seletiva 
 
– Limites dos TCs 
 
𝐼 𝑛ó = 𝐼 𝑘 ≈ 0
𝑁
𝑘=1
 
87
A B
87
Elemento Protegido
C
87
D
87
Proteção Diferencial 
Comparação entre Fasores 
ou 
Valores momentâneos 
87
A
Equivalente Equivalente
B
87Comunicação
Ia
Ib
+
Ia
Ib
∆I
Ajustea bI I I   
Proteção Diferencial: Defeito Externo 
 
 
A
B
C
A
B
C
Não passa corrente nas 
bobinas de operação
Elemento 
Protegido
Proteção Diferencial: Defeito Interno 
 
 
A
B
C
A
B
C
Elemento 
Protegido
Curto-circuito entre as 
fases A e B
Proteção Diferencial 
Tradicional 
• Circuitos galvanicamente 
conectados, devendo ser 
conectados à terra apenas ser 
uma vez 
• Diferentes RTCs precisam ser 
adaptados por TCs aux. 
 
Numérico 
• Circuitos dos TCs são 
segregados e devem ser 
aterrados em cada lado 
• Diferentes RTCs são 
compensados numericamente 
 
A
B
C
A
B
C
Elemento 
Protegido
∆I∆I ∆I
∆I
 
A
B
C
A
B
C
Elemento 
Protegido
Proteção Diferencial: Barramento (1) 
87
Equivalente
Zona de Proteção
Cargas
Proteção Diferencial: Barramento (2) 
87B
Zona de Proteção
CargasCarga
CargasCarga
Proteção Diferencial: Barramento (3) 
Zona de
Proteção
Equivalente
Bay
Unit
Bay
Unit
Bay
Unit
Bay
Unit
Bay
Unit
Bay
Unit
Central de Processamento
Cargas
Proteção Diferencial: LT – Comparação de Corrente 
• Comparação de Corrente (50/60 Hz) por meio de conexão com par 
metálico 
87
A
Equivalente Equivalente
B
Proteção Diferencial: LT – Comparação Fasorial 
• Comparação Fasorial com comunicação digital 
87
A
Equivalente Equivalente
B
87...
...
MUX MUX
Link dedicado
Fibra Ótica
Microondas
Outros
Serviços
Outros
Serviços
Proteção Diferencial: Máquina Rotativa 
 
 
A
B
C
A
B
C
∆I∆I ∆I
Gerador
Proteção Diferencial: Máquina Rotativa 
87
87
87
a
b
c
Proteção Diferencial: Transformador 
ips+iss
iss
ips
Ip
Np:Ns
1:n21:n1
Transformador de Potência
Relé diferencial percentual
Is
Proteção Diferencial: Transformador 
Relé 87
 
 
A
B
C
A
B
C
∆I∆I ∆I
Proteção Diferencial: Curva característica 
Funcionamento 
𝐼𝑂𝑃 = 𝐼 𝑖
𝑁
𝑖=1
 
𝐼𝑅𝑇 = 𝑘 𝐼 𝑖
𝑁
𝑖=1
 
ZONA DE
OPERAÇÃO
1
2
3
4
5 10 15
IRest
IDiff
Corrente de Energização
Erro de RTC / TAP
Saturação de TC
Erro Total
Proteção Diferencial: Falsas Correntes Diferenciais 
IRest
IOP
2
o
 Slope
1
o
 Slope
Instantâneo
I mínimo
Limite
1
o
 Slope
Limite
2
o
 Slope
Característica Ideal 
para os Defeitos Faltas Internas
Proteção 87T: Parametrização da Curva – Tipo 1 
Proteção 87T: Parametrização da Curva – Tipo 2 
MÉTODOS DE DETECÇÃO 
Proteção 87: Merz & Price – Patente de 1904 
a: alimentador 
b: gerador 
c: subestação 
d: Enrolamento Primário do TC 
e: Enrolamento Secundário do TC 
f: Terra ou condutor de retorno 
g: fio piloto 
h: enrolamentos do relé 
i: disjuntores 
k, l: Contatos fixo e móvel do relé 
m: circuito 
n: bateria 
o: dispositivo eletromagnético com armadura 
p. 
 
Proteção 87: Relé de Indução Eletromecânico 
 
Elemento Protegido
I2I1
i2i1
Proteção 87: Comparador de Diodos e Bobina Móvel 
Proteção 87: Relé estático 
Proteção 87: Relé Digital – Valores Instantâneos 
87
A B
87
Elemento Protegido
𝑰𝑨𝒌 
𝑰𝑩𝒌 
𝑰𝑶𝑷 = ∆𝑰 = 𝑰𝑨𝒌 + 𝑰𝑩𝒌 
𝑰𝑹𝒆𝒔𝒕𝒓𝒊çã𝒐 = 𝑰 = 𝑰𝑨𝒌 + 𝑰𝑩𝒌 
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005 
Proteção 87: Relé Digital – Fasores 
87
A B
87
Elemento Protegido
IAC, IASIBC, IBS
IAC
j·IAS IA
IBC
j·IBS
IB
I
∆I
SI
∆I>
trip
Restrição
𝑰𝑶𝑷 = ∆𝑰 = 𝑰 𝑨 + 𝑰 𝑩 
𝑰𝑹𝒆𝒔𝒕𝒓𝒊çã𝒐 = 𝑰 = 𝑰 𝑨 + 𝑰 𝑩 
𝑰 𝑨 𝑰 𝑩 
Proteção 87: Relé Digital – Sincronização de Fasores 
87
A B
87
Elemento Protegido
IAC, IAS
IBC, IBS
tB1
tB2
tB3
tB4
tB5
tA1
tA2
tA3
tA4
tA5
tAR
tBR
tPT1
tD
tPT2
tA1
Fasores de Corrente ...
tA1
Faso
res d
e 
Corr
ente
...
tB3
tV
a IB(tB3)
IB(tA3)
3 3 360B A
P
t t
T
a

 
1
1 2
2
A AR D
transmissão PT PT
t t t
t t t
 
  
3 3 2B A TPt t t 
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005 
Proteção 87: Relé Digital – Sincronização de Fasores 
Velocidade do canal de 
comunicação é crucial 
Risco do aparecimento 
de falsas correntes 
diferenciais 
Tempo de comunicação 
entre 0,10 à 0,25 ms 
Sincronização por GPS 
Mais insensibilidade do 
relé 
Proteção 87: Saturação de TC A B
Elemento Protegido
87
Falta Interna Falta Externa 
Proteção 87: Saturação de TC 
Proteção 87: Saturação de TC – Falta Externa 
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005 
Proteção 87: Saturação de TC – Falta Externa 
 
 
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005 
Proteção 87: Saturação de TC 
Aumento da 
Restrição IRestrição 
IOperação 
Inicio da 
Saturação 
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005 
PARALELISMO VS PROTEÇÃO 
DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADORES 
Proteção 87T: Paralelismo 
Aumento do nível 
de curto circuito 
Redução da 
impedância 
equivalente 
Melhoria da 
confiabilidade 
Flexibilidade de 
manobra 
Ex.: algumas 
indústrias 
Permite um maior 
carregamento do 
alimentador 
Proteção 87T: Paralelismo – Esquemático (Exemplo) 
Paralelismo 
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária 
Influenciado pela entrada TR2A 
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária 
Envoltória das correntes de energização 
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária 
Conteúdo harmônico 
das correntes logo 
após a energização 
de TR2A 
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária – SEP 
Ajustes 
Restrição Harmônica Slopes Pickup Instantâneo 
2ª Harm 5ª Harm 1º Slope 2º Slope 
0,3 pu 8 pu 
15% 35% 25% 50% 
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária – T1 
FI_D
_A
1
0
B
1
0
_A
N
G
3
3
0
 
Proteção 87T: Paralelismo – Energização solidária – T2 
FI_D
_A
8
0
_A
5
0
_A
N
G
0
0
 
ASPECTOS ESPECÍFICOS DA 
PROTEÇÃO 87T 
Proteção 87T: Sobreexcitação 
Proteção 87T: Sobreexcitação 
I2 I1 
87 
Y 
Y Y 
Proteção 87T: Sobreexcitação 
Proteção 87T: Ajustes 














110
011
101
3
1
dY11
Correção 
Grupo Vetorial: 





































C
B
A
C
B
A
I
I
I
I
I
I
211
121
112
3
1
Matriz de 
correção I0: 
Proteção 87T: Aquisição de dados 
Proteção 87T: TAP - Compensação da Corrente - Trafo ∆Y 
• Enrolamento em ∆ • Enrolamento em Y 
𝐼𝐴1
Relé =
𝐼𝐴1
TAP1
 
𝐼B1
Relé =
𝐼B1
TAP1
 
𝐼C1
Relé =
𝐼𝐶1
TAP1
 
𝐼𝐴2
Relé =
𝐼𝐴2 − 𝐼𝐵2
TAP2 ∙ 3
 
𝐼B2
Relé =
𝐼𝐵2 − 𝐼C2
TAP2 ∙ 3
 
𝐼C2
Relé =
𝐼𝐶2 − 𝐼𝐴2
TAP2 ∙ 3
 
𝑇𝐴𝑃 =
𝑆𝑀𝑉𝐴 ∙ 1000
𝑘𝑉𝐿𝐿 ∙ 𝑅𝑇𝐶 ∙ 3
∙ 𝐶 ∴ 
𝐶 = 1 (𝑇𝐶𝑠 𝑒𝑚 𝑌)
𝐶 = 3 (𝑇𝐶𝑠 𝑒𝑚 ∆)
 
Proteção 87T: Grupo Vetorial 
• Refere-se ao defasamento angular entre os dois lados do 
transformador 
 
– Transformadores ∆Y 
A 
B C 
C2 
C1 A2 
A1 
B2 B1 
a 
b 
c 
c2 
c1 
a2 
a1 
b1 b2 
Proteção 87T: Grupo Vetorial – Compensação por TCs 
 
 
 
 
 
 
 
A
B
C
A
B
C
Não passa corrente nas 
bobinas de operação
Proteção 87T: Grupo Vetorial – Compensação por Matriz 
Proteção 87T: Grupo Vetorial (IEEE Std. C37.91) 
Proteção 87T: Eliminação 𝑰𝟎 
• A eliminação do 𝑰𝒐 é necessária em todos os enrolamentos com 
neutro aterrado ou com transformador de aterramento na zona de 
proteção 
– A sensibilidade para faltas à terra é reduzida a 
2
3
! 
– Indicação incorreta do tipo de defeito! 
 
• A eliminação do 𝑰𝒐 fornece alta sensibilidade para defeitos à terra 
e indicação correta da fase sob defeito. Todavia, exige um TC de 
neutro 
 
• Como uma alternativa, a proteção de terra restrito pode ser usada 
para defeitos à terra 
Proteção 87T: Eliminação 𝑰𝟎 - Falta Externa 
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005 
Proteção 87T: Eliminação 𝑰𝟎 - Falta Interna 
*Figura extraída de G. Ziegler, 2005 
Proteção 87T: Falta AT – Trafo solidamente aterrado 
𝐼𝐹 =
ℎ ∙ 𝑈𝑅
𝑅𝐸
 
𝐼𝐾 =
ℎ ∙ 𝜔2
𝜔1
∙ 𝐼𝐹 = ℎ ∙
𝑈2𝑛
𝑈1𝑛 ∙ 3
∙ 𝐼𝐹 
𝐼𝐾 = ℎ
2 ∙
1
3
∙
𝑈2𝑛
𝑈1𝑛
∙
𝑈𝑅
𝑅𝐸
 
Proteção 87T: Falta AT – Trafo aterrado com Impedância 
Proteção 87T: Falta entre espiras 
Proteção 87T: Proteção de Terra Restrito 
Proteção 87T: Proteção de Terra Restrito 
 
• Aumento da sensibilidade com faltas à terra próximas ao neutro do 
enrolamento Y 
 
– De preferência, utilize essa função em caso de resistência ou 
reatância aterramento do neutro 
 
• Sensível aos curtos-circuitos entre espiras 
Proteção 87T: Proteção de Terra Restrito 
 
• Comparação de amplitude e fase entre 
𝑰𝒐
𝑰𝑵
 
 
• Pode ser usada para proteger um reator shunt separado ou 
transformador com neutro aterrado em adição a proteção 
diferencial 
 
• Não se aplica em autotransformadores! 
 
– O princípio de alta impedância pode ser usado neste caso. 
Proteção 87T 
 Proteção de Terra Restrito 
Agradecimentos 
Proteção Digital de Transformadores, 
Máquinas Rotativas e Barramentos 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Proteção digital dos sistemas elétricos de 
potência: dos relés eletromecânicos aos 
microprocessados inteligentes 
Ferramentas Inteligentes e Aplicações 
Novas Ferramentas utilizadas em Proteção 
Sistemas 
Inteligentes 
Sistemas Fuzzy 
Algoritmos Genéticos 
Redes Neurais Artificiais 
Agentes 
PSO 
... 
Transformadas 
Wavelet 
Clarke 
Park 
... 
Sistemas Inteligentes 
• Inspirados na biologia 
 
• Aplicações 
– Reconhecimento de padrões 
 
– Otimização 
 
– Tratamento de dados quantitativos 
 
– Etc ... 
 
 
Algoritmos Genéticos 
Adaptação Seleção Evolução 
 
Máximo Mínimo 
Soluções
1100101010
1011101110
0011011001
1100110001
cromossomos
codificação
1100101010
1011101110
1100101110
1100101110
cruzamento
0011011001
0011001001
mutação
1100101110
1100101110
0011001001
Soluções
cálculo da 
aptidão
avaliação
decodificação
seleção
nova
população
Algoritmos Genéticos 
Real 
Binário 
Híbrido 
roleta 
classificação 
truncamento 
torneio 
Algoritmos Genéticos: ResumoCriação da População Inicial 
Gênesis 
Associação de cada indivíduo a probabilidade de 
reprodução, ou seja, valor de aptidão 
Seleção 
“Melhoramento Genético” 
Cruzamento 
Proporcionar diversidade a população 
Mutação 
Seleciona os indivíduos mais aptos para a próxima 
geração 
Elitismo 
Ponto no qual o algoritmo será finalizado 
Critério de 
Parada 
AGs e Estimação da Frequência 
𝜕𝑓
𝜕𝑡
= −
∆𝑆
2𝐻
 
𝜕𝑓
𝜕𝑡
: variação de frequência no tempo 
∆𝑆 : variação de potência (kVA) 
𝐻: const. de inércia dos geradores 
AGs e Estimação da Frequência 
AGs e Estimação da Frequência 
 
• Modelo matemático da forma de onda 
 
 
 
 
– 𝑓: frequência do sinal 
– φ: ângulo de fase 
 
• Representação do cromossomo 
𝑣 𝑡 = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜𝑠𝑒𝑛 2𝜋𝑓𝑡 + 𝜑 
𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑓 𝜑 
AGs e Estimação da Frequência 




m
e
f
m
k
k
a
1
2
1
Função de Avaliação: 
t1 t2 t3 t4 tm-3 tm-2 tm-1 tm. . .
Sinal estimado - xe(t)
Sinal amostrado - x(t)
Tempo
t
e(t) = x(t) - xe(t)
Sin
al 
de
 co
rre
nte
Algoritmo Genético 
minimizar o vetor de 
erro 
sinal estimado ≈ 
sinal amostrado 
m: n° de amostras do sinal 
Δ: 0,00001 
• Resultados 
– Variação da amplitude 
 
0,0015 0,0009 0,0001 0,0019 0,0012 
0,3004 
0,6997 
0,5000 
0,6994 
0,4004 
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
2,5 5 7,5 10 12,5
E
rr
o
 
Amplitude 
AMPLITUDE
FREQUENCIA
ÂNGULO FASE
Forma de onda a 60 Hz – 0º - ½ 
ciclo para mostrar a influência da 
variação da amplitude na 
estimação dos parâmetros. 
AGs e Estimação da Frequência 
• Resultados 
– Variação da Taxa de Amostragem 
 
 
0,0002 0,0015 0,0025 0,0002 
0,5000 
0,2005 
0,8992 
0,5000 
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
2400 1200 800 400
E
rr
o
 
Taxa de Amostragem 
Amplitude
Frequencia
Ângulo de fase
Forma de onda a 60hz – 0º - ½ 
ciclo para mostrar a 
influência da taxa de 
amostragem na estimação dos 
parâmetros. 
AGs e Estimação da Frequência 
• Resultados 
– Variação da frequência 
 
 
0,0024 0,0019 0,0028 
0,1007 
0,6994 
0,0045 
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
58 60 62
E
rr
o
 
Frequência (Hz) 
Amplitude
Frequencia
Ângulo
Forma de onda a 60 Hz – 0º - ½ 
ciclo para mostrar a influência 
da variação da frequência na 
estimação dos parâmetros. 
AGs e Estimação da Frequência 
Redes Neurais Artificias 
Informação Experiência Aprendizado 
Redes Neurais Artificias 
Neurônio Real 
Neurônio Artificial 
Redes Neurais Artificias 
•MLP 
•Kohonen 
•Hopfield 
•Art 
Tipo 
•Camadas 
Topologia 
•Supervisionado 
•Não Supervisionado 
Treinamento 
•Conjunto de Treinamento 
•Conjunto de Teste 
Generalização 
RNAs e Saturação de TCs 
Saturação em regime permanente 
com corrente ca 
Saturação transitória 
com componente cc 
RNAs e Saturação de TCs 
RTC 2000:5 
13,8kV 
RNAs e Saturação de TCs 
RNAs e Saturação de TCs 
RNAs e Saturação de TCs 
RNAs e Proteção de Transformadores 
Método alternativo utilizando a lógica diferencial associada a RNAs para melhorar o desempenho da proteção 
Após a detecção da corrente diferencial, as RNAs farão o reconhecimento dos casos de energização e falta interna. O relé só atuará no 
segundo caso. 
Possíveis erros de detecção de defeito (energização, saturação dos TCs, faltas próximas ao neutro, ..) 
Proteção diferencial percentual com restrição harmônica como proteção primária 
Transformadores de Potência (𝑆𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 ≥ 10𝑀𝑉𝐴) 
RNAs e Proteção de Transformadores 
i
A1
CAMADA DE
ENTRADA
CAMADA
OCULTA
CAMADA
DE SAÍDA
i
A2
i
A3
i
A4
i
B1
i
B2
i
B3
i
B4
i
C1
i
C2
i
C3
i
C4
w
ij
w
ij
1 ou 0
w
ij
Melhor arquitetura de RNA testada Processo de treinamento de uma rede MLP com 
Backpropagation. Aproximadamente 400 casos foram 
utilizados. 
Transformador 
25MVA 
13,8kV/138kV 
Curva de 
Saturação 
RNAs e Proteção de Transformadores 
 
Saída da
 RNA
Amostras
A rede neural analisada confirmou 
a correta classificação de todos os 
padrões testados. 
100% de acerto 
Sistemas Fuzzy 
Incerteza Ponderação/Equilibrio Decisão 
Vou 
ao 
SBSE! 
Entradas Saídas 
Sistemas Fuzzy: Estrutura 
Variáveis Medidas 
• Valores Linguísticos 
Inferência 
• Regras: “Se Então” 
Região de Saída 
• Valores Linguísticos 
Nível Linguístico 
Nível Numérico 
Fuzzificação Defuzzificação 
Regras 
Sistemas Fuzzy: Exemplo 
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtAGH) 
Cor
ren
tes
Pré - processamento
Harmônicos
DFT
FFT
AG
Ten
são
Flu
xo
Corrente 
Diferencial
Corrente 
de 
Restrição
I’a
I’b
I’c
i’a
i’b
i’c
V’a
V’b
V’c
   
   
1,1,,,
1,,1,,
2





kskpkskp
kpkppkpkp
iiii
iiLvv
tEn
tra
da
s J
an
ela
da
s
Defuzzificação
Componentes 
Harmônicas
Primário x secundário
1a. Harm
2a. Harm
5a. Harm
Fluxo
Fuzzificação
mA1(x)
Inferência
Regras
Relação de Implicação:
Mandani
mA1(x)
centro de área
Sistema Fuzzy
Saída
Bloqueio
Trip
Próxima janela de dados
Normalização
Corrente de 
Operação
29 
Co
rre
nt
es
Pré - processamento
PrimárioI’a
I’b
I’c
i’a
i’b
i’c
En
tra
da
s 
Ja
ne
la
da
s
Defuzzificação
Componentes
a b g
Ref. A
Fuzzificação
mA1(x)
Inferência
Regras
Relação de Implicação:
Mandani
mA1(x)
centro de área
Sistema Fuzzy
Saída
Bloqueio
Trip
Próxima janela de dados
Cálculo Diferencial
I’a
I’b
I’c
I’b
I’c
I’a
I’c
I’a
I’b
Secundário
i’a
i’b
i’c
i’b
i’c
i’a
i’c
i’a
i’b
Transformada de Clarke
Primário e Secundário
Primário
Ref. B
Ref. C
Ref. A
Secundário
Ref. B
Ref. C
Ref. A
Ref. B
Ref. C
a
b
g
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG) 
30 
𝐼∝𝑝ℎ
𝐼𝛽𝑝ℎ
𝐼𝛾𝑝ℎ
=
2
3
1 −
1
2
−
1
2
0
3
2
−
3
2
1
2
1
2
1
2
𝐼𝑝ℎ
𝐼𝑝ℎ+120°
𝐼𝑝ℎ−120°
 
∆𝛼𝑝ℎ= 𝐼∝𝑝ℎ(𝑘) + 𝑖∝𝑝ℎ(𝑘)
𝑁
𝑘=0
 
∆𝛽𝑝ℎ= 𝐼𝛽𝑝ℎ(𝑘) + 𝑖𝛽𝑝ℎ(𝑘)
𝑁
𝑘=0
 
∆𝛾𝑝ℎ= 𝐼𝛾𝑝ℎ(𝑘) + 𝑖𝛾𝑝ℎ(𝑘)
𝑁
𝑘=0
 
Ia
Ib
Ic
Ib
Ic
Ia
Ic
Ia
Ib
Referência
Ângular
a, b e g 
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG) 
31 
Componentes de Clarke: defeito interno à terra 
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG) 
32 
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtABG) 
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores (ProtAGH e 
ProtABG) 
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores 
• Resultados 
– Energização 
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores 
• Resultados 
– Energização sob defeito AG em 10% no Secundário em Estrela 
 
Sistemas Fuzzy e Proteção de Transformadores 
• Resultados 
– Defeito bifásico A50%-A5% no Secundário em Estrela 
 
Agentes 
Ambiente Mobilidade Individual/Coletivo 
Agentes 
 
“Um agente é uma entidade real ou virtual, capaz de agir num 
ambiente, de se comunicar com outros agentes, que é movida por um 
conjunto de inclinações (sejam objetivos individuais a atingir ou uma 
função de satisfação a otimizar), que possui recursos próprios,que é 
capaz de perceber seu ambiente, que dispõe (eventualmente) de uma 
representação parcial deste ambiente, que possui competência e 
oferece serviços, e cujo comportamento tende a atingir seus 
objetivos utilizando as competências e os recursos que dispõe, 
levando em conta os resultados de suas funções de percepção e 
comunicação, bem como suas representações internas.” 
 
Agentes 
Agentes humanos 
• Agente de viajem; agente de investimentos, etc 
• Possuem conhecimentos específicos e contatos para realização de 
uma tarefa determinada 
• Realizam a tarefa de maneira mais rápida e eficiente 
Agentes computacionais 
• São programas de computador que possuem algumas características 
específicas 
• São projetados para realizar tarefas específicas, com eficiência e 
baixo custo 
• Várias definições foram propostas 
Agentes 
Reatividade 
Autonomia 
Orientação a objetivos (ou pró-ativismo) 
Continuidade temporal 
Comunicabilidade 
Inteligência 
Mobilidade 
Comunicação 
+ 
Algoritmos de Proteção e Controle 
Agentes e Proteção de Sistemas Elétricos de Potência 
Sensor de Entrada Acionador de Saída 
Ambiente 
Agentes 
Agente 
LA
N
 d
a 
Su
b
e
st
aç
ão
 
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) 
• Sistema 400 kV com 3 terminais simulado (PSCAD/EMTDC) com o 
sistema de proteção e a rede Intranet (software NS2) 
100km 100km30km
80km
T01
400kV
 51
400kV
 89,0
400kV
• monitora a condição operacional de um dado 
terminal 
Agentes Locais de Operação 
• monitora mudanças de topologia do sistema. 
Agente Estado do Disjuntor 
• coleta informações, toma decisões e dissemina 
conhecimento aos outros agentes, além de 
escolher a correta característica a ser usada. 
Agente de Coordenação 
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) 
Agente de
 Coordenação
Agente
1a Zona
Agente
de Operação
Agente
Estado do 
Disjuntor
- Interface com o Sistema de Potência -
Linhas 1, 2 e 3
dados comandos
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) Relé Digital 
01
Relé Digital 
02
Agente
Microcomputador
da Subestação
Microcomputador
da Subestação
Agente
Agente
Agentes Locais
Rede de Comunicação
Sistema Hierárquico 
para Proteção de 
Distância Baseado na 
Tecnologia de Agentes 
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) 
Proteção não piloto
20km
#1
#3
#4#2
Proteção usando Agentes
67km
#1
#3
#4#2
Esquema Adaptativo: A área 
de abertura instantânea 
aumentou para 67 km. Zonas 
primárias aumentam. 
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (1) 
• Sistema de Transferência de Abertura: Diminuição considerável no 
tempo de extinção da falta, mesmo com condições de tráfego 
intenso. 
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
1 2 3
m
s 
Terminal da Linha de Transmissão 
Não Piloto
Tráfego 1
Tráfego 2
Tráfego 3
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2) 
 
• Sistema 400 kV com 4 barras simulado (ATP) com o sistema de rede 
Internet (software NS2) 
 
• Melhorar a cobertura da proteção quadrilateral entre #N e #M 
 
#O#M#N#P
100km 100km150km
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2) 
• Metodologia adotada 
Simulações de 
Curtos-Circuitos 
Resistência de 
falta 
Ponto de falta 
Ângulo de 
Inserção 
Potência das 
fontes 
X
R
Curva Quadrilateral 
Tradicional
Curvas 
Adaptativas
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2) 
#O#M#N#P
100km 100km150km
Agente de 
Medição
Agente de 
Medição
Agente 
Executor
Agente 
Executor
Agente 
Servidor
Agentes e Proteção de Linhas de Transmissão (2) 
Agente 
Servidor
Agentes de 
Medição
Agentes 
Executores
Servidor de dados 
com as curvas 
adaptativas
Agentes 
Executores
Nova condição 
operativa
Seleção das curvas de 
ajustes no banco de 
dados
Relé 
Digital 1
Relé 
Digital 2
Relé 
Digital n
...
Envio das novas curvas aos relés de 
proteção 
Resultados 
Aumento do alcance da 
proteção instantânea 
(1ª zona) de 80% para 
95% 
Redução do tempo de 
atuação 
Aumento da 
sensibilidade para até 
99% (média de 94%) 
Agradecimentos 
Ferramentas Inteligentes e Aplicações 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Proteção digital dos sistemas elétricos de 
potência: dos relés eletromecânicos aos 
microprocessados inteligentes 
Comunicação de Dados e IEC-61850 
Prof. Titular Denis Vinicius Coury, coury@sc.usp.br 
Prof. Dr. Daniel Barbosa, daniel.barbosa@pro.unifacs.br 
Prof. Juliano Coêlho Miranda, doutorando juliano.coelhomiranda@usp.br 
Prof. Lázaro Eduardo da Silva, doutorando lazaro@usp.br 
 
Volume de Informações no SEP 
2 
• 2.357 empreendimentos de 
geração de energia elétrica em 
operação; 
 
• Total de 117 GW de potência 
gerada; 
 
• 1.397 agentes investindo no 
mercado de energia elétrica 
brasileiro; 
 
• Elevado número de 
informações de monitoramento; 
 
• Várias plataformas de hardware 
e software [ANEEL, 2012]. 
Níveis Hierárquicos típicos do Sistema de Automação de 
Subestações - SAS 
3 
 Relés de Proteção 
 
 
 
 
Permitir a execução de funções de proteção e controle distribuídos 
sobre um Circuito de Comunicação de Dados e Rede Local. 
 
 
 
Subsistemas de um Sistema de Proteção 
5 
DJ TC
Circuito Protegido
TP
Canal de Comunicação
Relé de Proteção
Alimentação Auxiliar
Banco de Baterias
(Corrente Contínua)
Circuito de Comando 
de abertura do 
disjuntor (TRIP)
Barramento
Modelo Genérico de Comunicação 
6 
Modelo Genérico de Comunicação 
7 
ETD – Equipamento Terminal de Dados 
ECD – Equipamento de Comunicação de Dados 
Canal de Comunicação 
• Meio físico que é utilizado entre duas estações em conversação; 
 
• Normalmente referenciado como linha: 
– Pares de fios; 
– Fibra ótica; 
– Enlace de rádio ou satélite. 
 
• Cada tipo de canal de comunicação possui características diferentes: 
– Físicas; 
– Elétricas. 
 
• Traduzindo: 
– Qualidade no enlace; 
– Com efeito na performance. 
 
Canal de Comunicação - Sistemas Elétricos 
 
• Fio Piloto: conexão por cabos de cobre, entre os terminais de linha 
de transmissão, como relés de proteção; 
 
• Carrier: onda portadora sobre linhas de alta tensão – OPLAT; 
 
• Rádio Microondas; 
 
• Fibras óptica; 
 
• Rede de comunicações, pública ou privada, geralmente digital. 
 
Canal de Comunicação – Fio Piloto 
10 
Utilizando sinais DC, 
sinais AC (60Hz) dos TCs 
de linha, ou sinais de 
áudio frequência. 
11 
Utilização 
Proteção de linhas 
curtas, até no máximo 10 
a 12 Km; 
Religamento Automático. 
Vantagens 
Trata-se de uma 
proteção ainda em uso 
para linhas curtas em 
ambientes controlados. 
Desvantagens 
Limitada pela atenuação 
(elevada) do sinal de 
comunicação; 
Índice relativamente alto 
de manutenção; 
Média confiabilidade 
devido a interferências 
eletromagnéticas; 
Sujeita a fatores externos 
(vandalismo e meio 
ambiente). 
Canal de Comunicação – Carrier 
12 
Utiliza dos próprios cabos de 
energia da Linha de 
Transmissão como meio físico 
de propagação do sinal. 
13 
Utilização 
Proteção de linhas, 
geralmente opera sobre 
uma faixa de frequênciaentre 30 e 300 kHz; 
Para pequeno número de 
canais e longas distâncias 
Vantagens 
Econômico; 
Facilidade de acesso; 
Não necessita de estações 
repetidoras para 
transmissão a longa 
distância; 
A Linha de Transmissão é 
um suporte físico 
confiável. 
Desvantagens 
Baixa capacidade de 
canalização; 
Faixa limitada do 
espectro de freqüências; 
Susceptível a ruídos do 
Sistema Elétrico de 
Potência (gerados por 
curtos-circuitos, 
manobras de disjuntores 
e seccionadoras). 
Canal de Comunicação – Fibra Óptica 
14 
15 
Utilização 
Proteção e controle de 
linhas e sistemas, como 
pela da conexão de relés 
de proteção. 
Religamento Automático. 
Vantagens 
Baixas perdas de 
transmissão e grande 
banda passante; 
Pequeno tamanho e peso; 
Imunidade a 
interferências; 
Isolação elétrica; 
Segurança do sinal; 
Matéria-prima abundante; 
Menor taxa de erro de bit 
(10-9). 
Desvantagens 
Fragilidade das fibras sem 
encapsulamento; 
Dificuldade de conexão; 
Configuração básica ponto 
a ponto; 
Curvas podem provocar 
perdas. 
Canal de Comunicação – Cabo OPGW 
16 
Canal de Comunicação – Microondas 
17 
Microondas de 3 GHz a 
30 GHz. 
18 
Utilização 
Proteção e controle de 
linhas e sistemas, pela 
conexão de relés de 
proteção. 
Vantagens 
Serem independentes do 
Sistema Elétrico de 
Potência. 
Desvantagens 
São sistemas que exigem 
infra-estrutura onerosa; 
São afetados pelas 
condições atmosféricas 
(sujeito a interrupções 
temporárias). 
Canal de Comunicação – Cabo Metálico (LPCD) 
19 
Linha Privativa de Comunicação de 
Dados (LPCD). 
20 
Utilização 
Configuração dos 
Dispositivos de Proteção, 
Supervisão e Controle. 
Vantagens 
Todas as facilidades para 
instalação já existem 
para utilização do 
sistema telefônico. 
Desvantagens 
São afetados pelas 
condições atmosféricas 
(sujeito a interrupções 
temporárias). 
Interrupções gerada pelos 
operadores do sistema. 
Interface Digital - Padrões 
Padrões de Interface Digital 
ITU-T V.35 
ITU-T V.28 
EIA/TIA 
232-E 
ITU-T V.24 
21 
Interface Digital - Localização 
22 
Interface Digital - Sinalizações 
23 
Interface Digital - Crossover 
24 
LAN, WAN, TCP/IP e Intranet em Sistemas de Potência 
25 
26 
Necessidades da Comunicação Utilizando as Redes de 
Computadores 
 
• Comunicação de alta velocidade entre os dispositivos situados nos 
níveis de processo, bay e estação; 
 
• Interoperabilidade e intercambialidade entre diferentes fabricantes; 
 
• Comunicação entre redes do SEP; 
 
• Facilidade para manejar amostras de dados de tensão e corrente de 
forma local e distribuída (entre os vários IEDs); 
 
• Facilidades de transferência de arquivos; 
 
• Configuração automática; 
 
• Segurança. 
27 
Rede LAN 
 
• As redes locais, LANs, são redes privativas que apresentam seus 
dispositivos instalados em uma área restrita, como a sala de uma 
subestação ou o prédio da usina elétrica, permitindo o 
compartilhamento de recursos e a troca de informações. 
 
• Dentre diversos aspectos que devem ser considerados na LAN: (1) 
Topologias Físicas, (2) Dispositivos de Hardware e, (3) Topologias 
Lógicas. 
Topologia Física, Estrela 
28 
29 
Topologia Estrela 
• As principais vantagens: 
 
– Uma falha no cabo ou dispositivo não paralisa toda a rede, somente aquele 
segmento onde está a falha será afetado; 
 
– Facilidade de expansão, pois para acrescentar um dispositivo, basta conectá-lo em 
uma entrada do componente centralizador; 
 
– Quando se excede a capacidade de conexão do centralizador, basta trocá-lo por 
outro com maior número de portas. 
 
• As principais desvantagens: 
 
– A rede poderá ser paralisada se houver uma falha no dispositivo central; 
 
– Apresenta um custo maior de instalação, devido ao componente centralizador e 
maior quantidade de cabos, pois cada dispositivo deve ser conectado diretamente no 
dispositivo centralizador. 
 
Topologia Física, Anel 
30 
31 
Topologia Anel 
• As principais vantagens: 
 
– Um anel é relativamente fácil de instalar e reconfigurar, pois cada 
dispositivo é interligado somente com os vizinhos imediatos; 
 
– Um alerta é gerado se qualquer dispositivo não receber um sinal 
dentro de um período de tempo predeterminado, técnica que facilita 
o isolamento de uma falha. 
 
• As principais desvantagens: 
 
– Falha de um dispositivo pode afetar o restante da rede; 
– Para ampliar a rede é necessária sua paralisação. 
 
LAN - Dispositivos de Hardware 
32 
33 
Placa de Rede 
 
• Preparar dados do dispositivo para o cabo de rede; 
 
• Enviar os dados para outro dispositivo, diretamente, ou através de 
um concentrador, como, por exemplo, um hub ou switch; 
 
• Controlar o fluxo de dados entre o dispositivo e o sistema de 
cabeamento; 
 
• Receber os dados vindos do cabo e traduzi-los em bytes, para que 
sejam entendidos pelo dispositivo. 
LAN - Switch 
34 
Topologia 
Lógica: 
Ethernet 
WAN - Dispositivos de Hardware 
35 
WAN - Dispositivos de Hardware 
36 
Intranet 
37 
Protocolos, Ambiente de Substação 
38 
UCA2 
LON Hart 
ControlNet 
Profinet Profibus 
Modbus 
DNP3 Fieldbus 
DeviceNet 
60870-5-101/4 60870-5-103 
Pilares do Padrão 
39 
Interoperabilidade Intercambialidade 
Autonomia, alguns pilares 
• Interoperabilidade: troca de informações entre dois ou mais 
dispositivos de inteligência similar; 
 
– entender a estrutura de dados (sintaxe); 
– também o seu significado (semântica). 
 
• Intercambialidade: efeito de permutação, substituição de 
equipamento de um fabricante por outro, sem necessidade de 
alterações nos demais equipamentos constituintes do sistema. 
40 
Composição Básica 
41 
Característica Parte Descrição 
Aspectos do Sistema 1 Introdução e Visão Geral 
2 Glossário 
3 Requisitos Gerais 
4 Gerenciamento de Sistema e Projeto 
5 
Requisitos de Comunicação para Funções e Modelos de 
Dispositivos 
Configuração 6 
Linguagem de Configuração para IEDs de Subestações Elétricas 
(SCL) 
Estrutura de Comunicação 
Básica para Equipamentos de 
Subestações e Alimentadores 
7.1 Princípios e Modelos 
7.2 Serviços de Interface de Comunicação Abstrata (ACSI) 
7.3 Classe de Dados Comun (CDC) 
7.4 Classes de Nós Lógicos e de Dados Compatíveis 
Mapeamento de Serviços de 
Comunicação Específicos 
8.1 
Mapeamento para MMS (ISO/IEC 9506 Parte 1 and Parte 2) e para 
ISO/IEC 8802-3 
9.1 
Valores Amostrais sobre Enlace Serial Unidirecional Multidrop 
Ponto-a-Ponto 
9.2 Valores Amostrais sobre ISO/IEC 8802-3 
Ensaios 10 Testes de Conformidade 
Noção de Conexão 
Diferentes funções (Functions, F) são 
implementadas em vários dispositivos 
físicos (Physical Devices, PD); 
 
 
Através da divisão em subfunções, ou 
nós lógicos (Logical Nodes, LN); 
 
 
Os nós lógicos podem trocar 
informações necessárias à 
implementação das funções através de 
conexões lógicas (Logical Connections, 
LC) e físicas (Physical Connections, 
PC). 
Modelo de Dados 
• XCBR – Chave Disjuntor; 
• XSWI – Chave Seccionadora; 
• TCTR – Transformador de corrente; 
• RREC – Religamento automático; 
• CSWT – Controlador de chaveamento; 
• MMXU – Medição operativa e indicativa; 
• MMTR – Contador; 
• MHAI – Medição de harmônicos e inter-
harmônicos; 
• MDIF – Medição Diferencial; 
• PDIS – Proteção de Distância. 
 
•