Relatório 1 Avaliação dos Ganhos Econômicos com o Uso de Medições Fasoriais na Operação do Sistema

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1 Projeto ESTAL: Utilização de Fasores no Sistema Interligado Nacional do ONS Relatório 1 Avaliação dos Ganhos Econômicos com o Uso de Medições Fasoriais na Operação do Sistema Khoi Vu, Yi Hu, Bozidar Avramovic, Siri Varadan, Damir Novosel, Ralph Masiello, Celso Araújo 15 de Dezembro de

2 Sumário Executivo Este relatório examina os potenciais ganhos econômicos que podem ser atingidos através da implantação da tecnologia de Medição Fasorial na operação do Sistema Interligado Nacional Brasileiro (SIN) pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). O relatório apresenta os potenciais benefícios qualitativos e quantitativos desta implantação. A descrição qualitativa dos benefícios é mais geral e aplicável a qualquer concessionária. Um exemplo de benefícios quantitativos foi especificamente analisado neste relatório a partir dos dados de operação do ONS. O relatório não inclui uma análise de custo-benefício, nem uma análise de Valor Presente Líquido (VPL). O relatório busca fornecer uma lista compreensível de benefícios e identificar ganhos econômicos tangíveis, onde possível. A operação do SIN representa um desafio único para o ONS, já que ela deve levar em conta considerações conflitantes, como: economia, segurança, confiabilidade e preocupações ambientais, além de, frequentemente, condições meteorológicas imprevisíveis. A adoção de tecnologia avançada é um dos modos de enfrentar este desafio. A tecnologia de Sistemas de Medição Fasorial (PMU) é uma mudança de paradigma tecnológico para a próxima geração que fornece uma plataforma para desenvolver e implantar várias aplicações que melhorem as operações do ONS. Um dos benefícios qualitativos de integrar medições fasoriais às operações do SIN é a melhora na precisão do Estimador de Estado, com base na premissa de que melhores entradas resultam em melhores saídas. A melhora na precisão do Estimador de Estado deve resultar em melhores níveis de precisão em aplicações avançadas de tempo real. Por exemplo: a precisão das aplicações existentes, como a determinação on-line de limites de estabilidade, avaliação de segurança, identificação de parâmetros, e detecção de dados potencialmente incorretos pode ser significativamente melhorada. Um bom exemplo de monitoração pro ativa e de detecção preventiva de desligamentos iminentes, o uso da tecnologia de PMU tem como principal vantagem financeira definir com maior precisão melhores e mais altos níveis para os limites inter-regionais e intra-regionais de transmissão de energia. Outro benefício importante de se usar a tecnologia PMU é que ela torna significativamente mais eficiente a análise para identificação da causa básica de ocorrências. Esta aplicação consome atualmente muito tempo devido à natureza assíncrona das medições, que devem ser sincronizadas para que se possa obter qualquer análise significativa. No ONS, a função pósoperação é tipicamente responsável pela análise pós-evento, podendo enfrentar atrasos devido a não existência de dados sincronizados para realizar sua análise eficientemente. Grandes benefícios quantitativos de se usar tecnologia de PMU na operação do SIN podem ser caracterizados em termos de alívios de congestões, obtidos com a utilização de limites de transmissão mais precisos para transferências de energia inter-regionais. Com a alta porcentagem de geração hidroelétrica no SIN e com um modelo impar de afluência de água nas diferentes Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF i Proprietário

3 regiões, é bastante comum que grandes montantes de energia devam ser transferidos de uma região à outra, empurrando o uso dos principais corredores de transmissão para os seus limites. Se for possível rastrear dinamicamente os "verdadeiros" limites de transferência para tráfego interregional e intra-regional de energia, os ganhos econômicos podem ser obtidos de duas maneiras. Por um lado, se esses limites tiverem sido estabelecidos de forma demasiadamente conservadora, devido à natureza dos processos através dos quais os limites são determinados, pode-se chegar a um preço final mais alto para os usuários finais, porque não se está maximizando o uso da capacidade do corredor, dos recursos hídricos disponíveis e da capacidade de transmissão. Nesta situação, utilizar as PMU para rastrear de perto o limite "verdadeiro" pode permitir uma maior transferência. Por outro lado, se o corredor de transmissão estivesse, sem que ninguém soubesse, funcionando acima do limite "verdadeiro", o sistema estaria vulnerável a potenciais conseqüências severas, caso uma contingência acontecesse. Em ambos os casos, as tecnologias baseadas nas PMU oferecem a possibilidade de estabelecer os limites de transferência mais próximos de seus valores verdadeiros, e assim melhorar a utilização econômica do sistema sem arriscar sua confiabilidade. A tecnologia de Medição Fasorial também oferece a possibilidade de se refinar (ou de se implantar novos) esquemas de proteção especiais, que poderiam, em alguns casos, melhorar dramaticamente os limites de transferência de um corredor principal de transmissão. Em nossa análise, utilizamos os dados operacionais recentes do ONS para calcular os potenciais ganhos de se utilizar tecnologia PMU no alívio de congestões. Mais especificamente, selecionamos os dados referentes a Março de 2006, e o corredor Norte Nordeste (onde o limite de transmissão FNE é reforçado), que geralmente fica congestionada na primeira metade do ano devido à abundância de água na região Norte, que, se não utilizada, seria perdida através de vertimento. A nossa análise dos dados operacionais reais indica que um aumento entre 5% e 15% no limite de transferência com o uso tecnologia de PMU na mesma situação poderia se traduzir em uma economia de aproximadamente de R$ ,00 a R$ ,00 durante as três primeiras semanas do mês. Para uma suposta situação de desligamento imprevisto do sistema por duas semanas durante o mesmo período, melhoras de 20% a 25% nos limites de transferência de potência poderiam resultar em ganhos numa faixa de 3,5 a 4,4 milhões de reais. Se o mesmo método de análise for aplicado a todos os outros corredores inter-regionais e intra-regionais do SIN em um período de um ano, é razoável esperar que a utilização da tecnologia PMU traga ganhos econômicos anuais da ordem de dezenas de dezenas de milhões de reais. Os cálculos de ganhos econômicos são baseados em uma avaliação dos alívios de congestões pela tecnologia de PMU. Tais ganhos podem ser atingidos pela integração de medição mais Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF ii Proprietário

4 precisa na determinação dos limites de transferência que tipicamente provam ser "gargalos" na transferência de energia de uma região à outra ou dentro de uma dada região. Este relatório somente analisou os ganhos econômicos resultantes do alívio de congestão. Todavia, há diversos outros potenciais ganhos econômicos a serem atingidos com a integração da tecnologia de PMU nas operações do ONS. Por exemplo, a mesma interconexão usada no nosso exemplo de Março de 2006 foi dramaticamente limitada (em comparação com uma situação normal) durante 3 primeiras semanas devido a perda de uma interconexão NE-SE principal. Se existisse um esquema de proteção especial, que é factível (baseado na tecnologia de PMU), o ganho poderia potencialmente ser de mais de R$ 6 milhões para cada semana em que o caminho paralelo estivesse interrompido. Com base nos resultados das análises neste relatório, pode ser concluído o seguinte: A tecnologia de PMU poderá refinar as operações de sistema do ONS, com a melhor determinação de limite de transferência através de melhora na precisão das medições e na modelagem do sistema; avaliação de segurança em tempo real, incluindo avaliação dinâmica de segurança em adição às avaliações estáticas de segurança mais tradicionais, através do uso do Estimador de Estado com desempenho melhorado; suporte à tomada de decisão em tempo real, com novas informações e aplicações que se utilizam da nova informação que atualmente não estão disponíveis; e análise pós-evento com registro de eventos sincronizado. Embora não seja possível quantificar todos os ganhos econômicos resultantes da utilização da tecnologia PMU nas operações do SIN, os resultados deste relatório mostram que, somente o alívio de congestionamentos poderia, potencialmente, levar a uma economia de dezenas de milhões de reais em um curto período de tempo. A análise deste relatório também mostra a importância de se utilizar totalmente a tecnologia PMU para maximizar o uso das capacidades de transmissão das linhas de transmissão existentes durante contingências do sistema e/ou períodos de pesadas congestões criadas por desligamentos não programados, já que este uso poderia ajudar a atingir substanciais ganhos econômicos durante esses períodos. Como não é economicamente justificável construir uma rede de transmissão de energia para atender todas as exigências de transferência de energia durante os curtos períodos de contingências de sistema e/ou desligamentos não programados, utilizar tecnologia avançada, como a tecnologia PMU, é o melhor modo de alcançar ganhos econômicos e evitar construção excessiva de linhas de transmissão. Em resumo, os ganhos econômicos estimados neste relatório são apenas uma pequena porção dos ganhos econômicos totais que podem ser atingidos através da integração da tecnologia de PMU nas operações do ONS. É importante observar que nenhuma outra tecnologia atualmente disponível oferece tanto em termos de um pacote de benefícios como a tecnologia de PMU. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF iii Proprietário

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6 Definições Esta seção apresenta a relação das definições dos termos usados no presente relatório, pertinentes aos dispositivos sincronizados por GPS, aos protocolos de comunicação e aos meios de comunicação. Termo Anti-aliasing Corredor de Energia EE EMS Fasor sincronizado (Sincrofasor) GPS IEEE C IRIG-B Definição Processo de filtragem de um sinal quando da conversão para um formato amostrado ( sampled ) para remover os componentes desse sinal cuja freqüência seja igual ou maior do que ½ da taxa de Nyquist (taxa de amostra). Se não removidos, esses componentes do sinal podem aparecer como um componente de menor freqüência (um alias ). Um grupo de linhas de transmissão onde um único limite de transmissão de potência é imposto. Na versão em português deste relatório, o termo flowgate é ocasionalmente substituído pelos termos "interconexão" e interface. Estimador de Estado. Energy Management System (ou Sistema de Gerenciamento de Energia). Um fasor calculado a partir de amostras de dados usando um sinal de tempo padronizado como referência para a medida. Neste caso, os fasores de lugares remotos têm uma relação de mesma fase definida. Global Positioning System (ou Sistema de Posicionamento Global). Um sistema baseado em satélite que provê posição e tempo. A exatidão de relógios com base no GPS pode ser melhor que 1 microssegundo. O novo protocolo IEEE para dados de fasores, que substituiu os protocolos IEEE 1344 e o BPA/PDC Stream. Dados típicos são enviados nesse formato sobre UDP/IP ou através de um link série. Formatos de transmissão de tempo desenvolvidos pelo Inter-Range Instrumentation Group (IRIG). A versão mais comum é a IRIG-B, que transmite dia do ano, hora, minuto e segundo uma vez por segundo, sobre um sinal portador de 1 khz. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 1 Proprietário

7 Termo Definição Multicast PDC Fasor PPS PMU RS 232 RS 485 SAGE Transmissão de dados de um dispositivo para vários. Os dados são transmitidos ao endereço IP de um grupo. Qualquer membro do grupo pode acessar o endereço para receber os dados. Qualquer um pode então se juntar a este grupo multicast, e quando um servidor envia ao grupo, todos do grupo receberão os dados. A vantagem é que este protocolo é roteável e não sobrecarrega todos os computadores na subrede local. Phasor Data Concentrator (ou Concentrador de Dados Fasoriais). Uma unidade lógica que coleta dados fasoriais e de eventos discretos das PMU (e possivelmente de outros PDC), e transmite os dados para outras aplicações. Os PDC podem guardar os dados por um curto período (buffer), mas não podem armazenar os dados. Um equivalente complexo de uma quantidade de onda co-seno simples tal que o módulo do complexo é a amplitude da onda co-seno e o ângulo do complexo (na forma polar) é o ângulo de fase da onda co-seno. Pulso por Segundo. Um sinal consistindo de um trem de pulsos retangulares ocorrendo a uma freqüência de 1 Hz, com a borda crescente sincronizada com segundos UTC (coordenada universal de tempo). Este sinal é tipicamente gerado por receptores GPS. Phasor Measurement Unit (ou Unidade de Medição Fasorial). Um dispositivo que amostra dados de tensão e de corrente analógica em sincronismo com um relógio GPS. As amostras são usadas para calcular os fasores correspondentes. Os fasores são calculados com base em uma referência absoluta de tempo (UTC), tipicamente derivada de um receptor GPS interno. (Recommended Standard 232) É uma norma de telecomunicação para interconexão de dados binários seriais entre um DTE (Data terminal equipment Equipamento terminal de dados) e um DCE (Data communication equipment Equipamento de comunicação de dados). (Recommended Standard 485) (Agora EIA-485) é uma especificação elétrica para uma conexão a dois fios serial multiponto, semi-duplex (OSI Model). Sistema EMS / SCADA usado pelo Centro Nacional de Controle do ONS (CNOS) para monitorar o SIN. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 2 Proprietário

8 Termo Definição SCADA SIN SOC Sincronismo Taxa de amostragem Taxa de Nyquist TCP/IP Limite de Transmissão TVE Supervisory Control And Data Acquisition (ou Controle Supervisório e Aquisição de Dados). Sistema Elétrico Interligado Nacional Brasileiro. Second of Century (ou Segundo do Século), número definido de acordo com o protocolo de tempo da rede (Network Time Protocol - NTP). O número SOC é o tempo UTC em segundos calculado a partir da meianoite de 1º de janeiro de O estado em que sistemas conectados de corrente alternada, máquinas ou suas combinações operam a mesma freqüência e onde o defasamento de ângulos de fase entre tensões é constante, ou varia com valor médio constante e estável. O número de amostras (medições) por segundo feitas por um conversor analógico/digital. Uma taxa que é duas vezes o mais alto componente de freqüência em um sinal analógico de entrada. O sinal analógico deve ser amostrado ( sampled ) a uma taxa maior do que a taxa de Nyquist para ser representada corretamente em forma digital. TCP/IP é um protocolo de nível baixo para uso principalmente em Ethernet ou redes relacionadas, usado pela maioria dos protocolos de alto nível para transportar os dados. TCP/IP provê uma conexão altamente confiável em redes não confiáveis, usando somas de verificação, controle de congestão e reenvio automático de dados (ruins ou perdidos). A máxima potência que pode ser transferida por uma linha de transmissão, por um corredor ou por um flowgate. Tal limite é determinado ou pelas capacidades do equipamento ou pelas exigências de operação confiável do sistema. Total Vector Error (ou Erro Total do Vetor) Medida de erro entre o valor teórico do fasor do sinal sendo medido e o fasor estimado Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 3 Proprietário

9 Termo Definição UDP/IP UTC TSA VSA WAMPAC UDP/IP é um protocolo de IP de nível baixo que provê comunicação de baixa latência através da Ethernet ou redes relacionadas. UDP/IP não provê qualquer controle de erro ou reenvio de dados ruins ou perdidos. O dispositivo ou software de aplicação precisará verificar a correção dos dados. Todavia, o UDP/IP não requer tempo de reconhecimento ( handshaking ) e não bloqueará, tornando-se ideal para comunicações de dados em tempo real. Coordinated Universal Time (ou Tempo Universal Coordenado). O UTC representa a hora do dia no meridiano primal da Terra (0 de longitude). Transient Stability Assessment ou Avaliação de Estabilidade Transitória. Voltage Stability Assessment ou Avaliação de Estabilidade de Tensão. Wide-Area Monitoring, Protection, Automation and Control ou Projeto de Monitoração, Proteção, Automação e Controle em Grandes Áreas. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 4 Proprietário

10 1. Introdução Este é o Relatório 1 do Projeto ESTAL / ONS, cujos Serviços de Consultoria foram contratados ao Consórcio KEMA, pelo Ministério de Minas e Energia do Brasil (MME), por meio do Programa ESTAL, em associação com o Banco Mundial, através do Contrato ESTAL/SBQC/001/2006, envolvendo a Utilização de Fasores no Sistema Interligado. O presente relatório, primeiro dos dois relatórios da Fase 1 do Projeto, apresenta uma análise dos potenciais ganhos econômicos que podem ser atingidos com o uso da Tecnologia de Medição Fasorial (PMU) em operações de sistema do ONS. Os ganhos são descritos de forma qualitativa e quantitativa. As análises quantitativas não consideram incertezas nos retornos esperados, nem realiza uma análise de Valor Presente Líquido (VPL) para examinar o valor monetário dos custos e benefícios. O relatório procura fornecer uma lista abrangente de benefícios e identificar ganhos econômicos tangíveis, sem se preocupar em fazer uma análise de custo benefício. É importante observar que não é propósito deste relatório fazer um estudo amplo de previsão de todos os benefícios monetários potenciais às operações de sistema do ONS que podem ser obtidos com o uso da tecnologia de PMU. Também não é objetivo do relatório servir como um estudo de caso de negócios, ao comparar o custo estimado de um sistema PMU com os benefícios TOTAIS previstos. O foco deste relatório, como mencionado acima, é de identificar e analisar alguns dos potenciais ganhos econômicos que podem ser alcançados pelo uso da Tecnologia de PMU nas operações de sistema do ONS que é o principal objetivo do Departamento de Operação do ONS levar os seguintes fatores em consideração: A aceitação da tecnologia PMU tem sido acelerada conforme o custo de se implantar funções de PMU continuar a cair. Existem muitos dispositivos que já incluem as funções de PMU, como relés, medidores, registradores de falta, etc., e mais estão a caminho. Este desenvolvimento em breve levará à alta disponibilidade de dados de PMU por toda a extensão dos sistemas de potência. Uma vez que isto tenha acontecido, justificar o custo de se utilizar tecnologia PMU não será uma grande questão. Como melhor utilizar esta tecnologia para atingir maiores benefícios se tornará, então, o foco principal. O ONS implantará um sistema de PMU nos próximos dois anos para registro de dinâmica de longo prazo do sistema. Ele concluiu um projeto (ver descrição resumida do projeto no fim desta seção) para projetar e especificar o sistema PMU com esta finalidade. A Diretoria de Operação do ONS está interessada em identificar os benefícios potenciais de se usar dados de PMU que poderiam ser gerados por este sistema e unidades adicionais instaladas pelos Agentes, assim como de PMU que possam ser necessárias para melhorar as operações do sistema. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 5 Proprietário

11 O Projeto ESTAL / ONS envolve diversas atividades integrantes do Projeto do Plano de Ação do ONS no triênio , o qual foi aprovado pela ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. O Projeto ESTAL / ONS está dividido em oito fases, abaixo indicadas, com as principais tarefas associadas. Fase 1: Avaliar os impactos econômicos do uso da tecnologia de PMU. Identificar cenários onde a utilização desta tecnologia poderá gerar lucros econômicos. Propor indicadores de desempenho a serem controlados pelos Centros de Controle do ONS. Fase 2: Rever o Projeto do Sistema de Medição Sincronizada Fasorial (SMSF) e os documentos e especificações do Projeto 6.2 do ONS - Implementação de um Sistema de Oscilografia de Duração Longa, em função dos requisitos e do escopo do atual projeto, para validar ou identificar ajustes/adições ao projeto e às especificações, levando em conta: (1) os aspectos de precisão relacionados ao uso de transformadores para instrumentos de medição ou de proteção e a redundância dos dispositivos de PMU; (2) os requisitos do sistema para atingir os ganhos econômicos desejados identificados na Fase 1; e (3) o estado da arte da tecnologia de medição fasorial. Fase 3: Identificar e avaliar as PMU já instaladas no SIN, inclusive os IED com funções de PMU, para determinar se o seu uso satisfaz as condições deste projeto, levando em consideração o desenvolvimento da tecnologia de medição fasorial no mundo. Fase 4: Efetuar simulações de localização das PMU e estudos para determinar o número mínimo de PMU e sua distribuição no sistema para garantir a observabilidade requerida e a redundância necessária para manter esta observabilidade requerida (até três perdas de unidades de PMU) e a localizações dos concentradores de dados dos Agentes. Fase 5: Avaliar opções, a partir das considerações de custo mínimo, à implementação mais adequada do SMSF, e apresentar um plano estratégico de implementação da tecnologia. Para cada opção, identificar suas vantagens e desvantagens, e as considerações de funcionalidade dos softwares requeridos, considerando: (1) infraestrutura de telecomunicações de apoio; (2) produtos disponíveis para cada opção; e (3) impacto em instalações dos Agentes. Fase 6: Analisar o sistema EMS/SCADA existente no ONS e seu Estimador de Estado e trabalhar com os fornecedores destes produtos para determinar os tipos de adaptação necessárias ao uso de dados de medição fasorial, seja por atualização do sistema ou por desenvolvimento customizado. A adaptação deve levar em conta: (1) a infra-estrutura de Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 6 Proprietário

12 telecomunicação de apoio; (2) os produtos disponíveis identificados na Fase 5; e (3) as possíveis dificuldades para implementar os mesmos nas instalações dos Agentes. Fase 7: Avaliar as aplicações que usam dados de medição fasorial que possam ser utilizadas pelo ONS para apoiar a tomada de decisão em tempo real. As aplicações devem ser identificadas considerando sua integração com o SAGE e com o EMP do Sistema EMS do ONS, levando em conta: (1) os preços e prazos de implantação, e (2) os ganhos da integração dos produtos identificados para a operação de ONS. Fase 8: Desenvolver/integrar/customizar pelo menos duas aplicações ou produtos de medição fasorial para operações de tempo real, levando em consideração: (1) o tempo de entrega; e (2) a preparação da documentação técnica. O objetivo principal deste projeto, conforme descrito nos Termos de Referência, é o de conduzir estudos e desenvolvimento, no futuro próximo, de medições fasoriais em tempo real no Sistema Elétrico Brasileiro, para aumentar o nível sistêmico da segurança operacional, seja através da mitigação de grandes perturbações ou através do alívio de uma variada gama de restrições operacionais. Além disso, o objetivo é também aumentar os atuais limites de intercâmbio de energia presentes entre as áreas e regiões do Sistema, devido à maior precisão oferecida pelas novas medições e, assim, reduzir futuros reforços e custos de expansão necessários ao sistema elétrico.. Adicionalmente, o ONS concluiu recentemente outro projeto relacionado ao SMSF (o Projeto 6.2, de seu Plano de Ação , Implantação de um Sistema de Oscilografia de Longa Duração ). O principal objetivo do Projeto 6.2 é o de implantar um Sistema de Medição Sincronizada Fasorial para capturar e registrar a dinâmica de longo prazo do sistema para análise pós-evento, para melhorar o modelo do sistema e avaliação (e melhora de desempenho) dos sistemas especiais de proteção. O projeto incluiu a definição da arquitetura do sistema, e a especificação de seus principais componentes: as PMU, os Concentradores de Dados Fasoriais das Subestações (SPDC) e o Concentrador Central de Dados (CDC) do ONS. A fase de implantação do projeto 6.2 terá início em O projeto do sistema e as especificações dos seus principais componentes também levaram em consideração os requisitos preliminares das aplicações em tempo real do Projeto ESTAL, que serão revistos e finalizados com base nos requisitos finais de sistema para aplicações deste Projeto. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 7 Proprietário

13 2. Desafios Operacionais do SIN A operação do Sistema Interligado Nacional Brasileiro (SIN) apresenta alguns desafios especiais. Esses desafios resultam das características únicas do sistema (Figura 1), quais sejam: Figura 1 Sistema Interligado Nacional Brasileiro (SIN) a grande dependência de geração hidráulica (mais de 85% da capacidade instalada); a concentração dos centros de carga longe das principais fontes de geração, levando ao conseqüente uso de linhas de transmissão longas; e Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 8 Proprietário

14 a necessidade de uma geração local para grupos de carga selecionados, para operações confiáveis do sistema e para o gerenciamento de contratos de geração térmica na modalidade take or pay O SIN engloba grande parte do continente sul-americano. Figuradamente, a distância entre as extremidades do sistema brasileiro é aproximadamente equivalente à distância entre Lisboa e Moscou, na Europa (aproximadamente km). Para propósitos operacionais, o SIN é dividido em quatro regiões Sul (S), Sudeste/Centro-Oeste (SE/CO), Norte (N) e Nordeste (NE), com uma grande rede de transmissão de mais de km de linhas de transmissão AC de 230, 345, 440, 500, 525 e 765 kv, uma rede de transmissão DC de 600 kv e 351 subestações. O ONS é o responsável pela operação econômica e confiável do SIN Atualmente, o ONS opera o SIN através de um Centro de Controle principal (CNOS) e quatro centros de controle regionais, para cada uma das regiões acima mencionadas, de forma hierárquica. Isto é, qualquer comunicação entre centros regionais é facilitada pelo CNOS. Os Centros de controle regionais são responsáveis pelo controle das operações dentro de suas regiões, enquanto o CNOS é responsável por coordenar os fluxos de energia inter-regionais e por monitorar as condições da rede em nível nacional. O SIN é caracterizado pela geração hidrelétrica predominante (mais de 85 % da capacidade instalada MW de usinas hidráulicas), e por transmissões de energia de longa distância, dos parques de geração para os centros de carga. Os parques de geração são compostos por usinas com formação em cascata, localizadas entre as 12 principais bacias hidrográficas do Brasil, sendo que muitas delas não estão localizadas próximas aos principais centros de carga nas regiões Sul e Sudeste. A pluviometria e, consequentemente, os fluxos de entrada de água nos reservatórios são distintos entre as regiões e variam significativamente ao longo do ano, para cada região, assim como entre anos secos e úmidos. A Figura 2 ilustra diferenças regionais de entrada de água, assim como grandes variações de entradas de água ao longo de um ano, o que, por sua vez, resulta em grandes variações dos recursos hídricos disponíveis para geração hidroelétrica em cada região, Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 9 Proprietário

15 Figura 2 Padrão de entrada prevista para 2006 para cada região, com base em dados históricos. Um dos princípios da criação do ONS é o de ajudar a se atingir os ganhos econômicos resultantes das transmissões inter-regionais de potência, tirando proveito do fluxo sazonal de água pluvial cada região de operação. O ONS adere a este princípio conduzindo a otimização da geração hidráulica e a coordenação hidro-térmica, que tem um impacto direto no custo total de operação do sistema e no preço final aos usuários. Além disto, o ONS deve obedecer à lei (Lei 9.433, aprovada em 1997), quanto ao uso de recursos aqüíferos. Considerando que os recursos hídricos são também usados para outros objetivos, tais como: abastecimento, irrigação, navegação, recreação e assim por diante. A Lei concedeu direitos iguais de uso dos recursos hídricos a todos os usuários, em condições normais. É dada prioridade aos seres humanos e aos animais durante períodos de seca. Isto cria restrições adicionais à operação do ONS e aos despachos das hidroelétricas. A escala geográfica do sistema, a necessidade de cumprir com leis de uso de recursos hídricos e a alta imprevisibilidade da geração hidráulica, as complicações resultantes dos contratos de gás take or pay, e complexos tratados internacionais com seus vizinhos, isto tudo torna a operação do SIN ainda mais desafiante. Ainda que a minimização dos custos da operação do SIN seja um objetivo importante do ONS, operar o SIN com altos níveis de confiabilidade e segurança de sistema é ainda mais importante. Frequentemente o ONS mantém geradores térmicos de alto custo rodando como geradores must run para atender a norma necessária de confiabilidade do sistema. Com base em lições aprendidas do blecaute de 11 de Março de 1999, o ONS está bem preparado para realizar Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 10 Proprietário

16 melhorias operacionais com o intuito de evitar situações similares que teriam enormes impactos sociais e financeiros para o Brasil. Para um grande sistema como o SIN, perturbações resultantes de contingências do sistema e de faltas podem causar grandes desequilíbrios entre geração e carga, o que pode ocasionar variações excessivas na freqüência do sistema, instabilidade da tensão e transitórios e perda de importantes centros de carga e separação do sistema (ilhamento) de certas partes da rede. Portanto, a operação do SIN deve cumprir com os limites de segurança para evitar desligamentos em cascata no sistema, que poderiam causar blecautes de larga escala. Consequentemente, o principal desafio operacional do SIN para o ONS deve ser aperfeiçoar o uso de seus recursos de geração hidráulica e térmica durante um período do tempo, levando em consideração as condições de segurança da rede e as restrições para determinar os limites de transferência de seus principais corredores de linhas de transmissão. As grandes quantidades de energia elétrica que frequentemente têm de ser transportados de uma região para outra para atender à demanda de potência das regiões com uso mais econômico de água, frequentemente fazem com que as principais interfaces de transmissão operem no limite de sua capacidade de transmissão. Esta capacidade de transmissão é estabelecida de acordo com o chamado critério de segurança "N-1", que significa que nenhum desligamento de um único equipamento no sistema deve resultar em violação do critério de operação pós-contingência do ONS. No caso do ONS, às vezes os limites das interfaces de transmissão são estabelecidos com base na capacidade dos equipamentos das linhas que compõem a interface. Mais frequentemente, no entanto, os limites das interfaces são estabelecidos para assegurar que o sistema permaneça transitoriamente estável e longe de um ponto de colapso de tensão durante e após a ocorrência de uma contingência simples de sistema. Enquanto os limites dos equipamentos são essencialmente constantes para várias condições operacionais, os limites de estabilidade relacionados são altamente dependentes das condições na rede, tanto da topologia da rede como da geração e dos perfis de carga. Conforme essas condições mudam, os limites correspondentes devem ser avaliados e modificados também, se possível em tempo real, para refletir as condições prevalecentes de sistema. Contudo, devido à natureza demorada do processo de determinação de limite dinâmico, que requer uma simulação de tempo detalhada com uma resposta do sistema de potência para cada contingência simulada, o ONS estabelece esses limites com dias de antecedência da operação para as condições de carga pesada, média e leve, com base na configuração assumida do sistema, na geração planejada e nos perfis típicos de carga que consideram o cenário de pior caso para cada uma das condições de carga. O ONS então atualiza as informações para os Agentes, periodicamente, conforme situações não planejadas assim o determinem. A situação e a prática no cálculo de limite estático na indústria em geral, no Brasil, são semelhantes. No momento, o ONS está avaliando uma ferramenta de estudo de segurança dinâmica on-line, Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 11 Proprietário

17 ORGANON, que deveria, quando adequado, ajudar a retirar parte do conservadorismo na definição dos limites determinados pela estabilidade dinâmica. Os limites de transmissão que o ONS atualmente usa têm uma margem incorporada para considerar as diferenças que são inevitáveis entre o estado real do sistema e aquele que foi assumido. Adicionalmente, a margem tem que considerar o fato de que há imprecisões nos dispositivos de medição, e que os modelos usados na simulação são apenas uma aproximação do sistema físico, com a qualidade da aproximação dependendo da disponibilidade de dados de alta precisão do sistema para sintonizá-los. Como o Sistema Elétrico Brasileiro vivencia desligamentos inesperados durante sua operação diária, a capacidade de recalcular rapidamente os limites de transferência com base na topologia modificada do sistema e nas condições de fluxo de potência é muito importante. A abordagem convencional baseada no uso de limites conservadores e modelos preditivos, apesar de prudente, se consideradas as tecnologias atuais, leva à subutilização dos recursos de transmissão. Uma vez que evitar blecautes de sistema é uma preocupação constante do Operador, os operadores do sistema precisarão de ferramentas adicionais às que existem atualmente para monitoração das condições do sistema para grandes áreas e para apresentação de informações que permitirão que eles tomem as ações de controle de sistema pró-ativas corretas. Este tipo de monitoração e ferramentas de apresentação de informações avançadas, que ainda serão completamente desenvolvidas pela indústria, auxiliará os operadores tomar decisões antes que a situação atinja um estágio onde a redução de carga é a única opção para salvar o sistema de um blecaute. A chave é liberar toda a informação correta disponível ao operador para permitir decisões eficazes e rápidas na tomada de ações corretivas apropriadas. Da perspectiva pós-operacional do ONS, a falta da disponibilidade de dados síncronos da rede com a amplitude apropriada pode afetar a eficácia na análise pós-evento de operações de tempo real. Isto resulta em atrasos caros em algumas avaliações de operações pós-evento. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 12 Proprietário

18 3. Tecnologia de PMU e seus Potenciais Benefícios para a Operação do SIN A tecnologia de Medição Fasorial, ou de forma mais abrangente, a tecnologia de Medição Sincronizada de alta precisão, é uma mudança de paradigma tecnológico para a próxima geração. Atualmente, a tecnologia GPS permite a sincronização de medições tomadas em uma extensa região geográfica com uma precisão de 1µs. Isto permite medir o verdadeiro estado de um sistema elétrico, que inclui medições síncronas em tempo real de tensões de barramentos (magnitude e ângulo) e correntes de linha (magnitude e ângulo), assim como freqüências, potência ativa e reativa, harmônicos, e assim por diante. As vantagens de se usar tecnologia de Medição Fasorial (PMU) foram demonstradas em vários sistemas elétricos por todo o mundo [1, 5, 6]. Seus benefícios foram demonstrados em termos de melhor controle pro ativo, prevenção de blecautes e capacidades aumentadas de transmissão inter-regional de potência [5, 6]. A experiência operacional em uma grande concessionária / operadora no Noroeste do Pacífico (BPA), que é eletricamente semelhante ao ONS linhas de 500 kv longas e altamente dependentes de recursos hídricos mostram que o uso da tecnologia PMU pode resultar em um aumento de aproximadamente 15 % na capacidade de transmissão inter-regional [5]. Outras concessionárias de diferentes partes do mundo (Hydro Quebec, China Light and Power, etc.) registraram afirmações semelhantes [1, 6]. Embora existam múltiplos benefícios de se usar tecnologia de Medição Fasorial em sistemas de potência [1], estes benefícios não são fáceis a quantificar. Contudo, foi reconhecido que existem múltiplos benefícios ao se integrar a tecnologia PMU na operação, proteção e controle de sistemas de potência. Este relatório apresenta uma descrição qualitativa dos benefícios e, onde possível, resultados quantitativos serão apresentados. Além disso, é importante observar que os ganhos econômicos que resultam do uso da tecnologia PMU dentro do escopo deste projeto (e avaliados neste relatório) formam apenas uma pequena fração dos ganhos totais que podem ser atingidos. As áreas que potencialmente poderiam se beneficiar do uso da tecnologia PMU nas operações do ONS incluem as seguintes: Melhoras na determinação do limite de transferência. Após a implantação do sistema PMU para o projeto 6.2 e para o projeto ESTAL, a tecnologia PMU poderá ser utilizada pelo ONS para melhorar seus modelos de sistema que são usados nos atuais estudos de sistema para planejamento, programação diária e operações on-line. A melhora na precisão dos modelos de sistema, juntamente com medição mais precisa propiciada pelo SMSF, permitirá uma redução no conservadorismo dos limites de transferência. Isto permitirá que mais potência seja transmitida pelo mesmo corredor de linhas sem arriscar a segurança do sistema, já que os limites determinados a Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 13 Proprietário

19 partir de modelos de sistema mais precisos serão geralmente mais altos do que aqueles determinados com base em modelos preditivos. Melhoras na avaliação de segurança do sistema em tempo real on-line, principalmente através da melhora da precisão de Estimação de Estado [1, 7]. A exatidão da Estimação de Estado atual é impactada pela precisão dos modelos de sistema, pela precisão dos componentes de medição e pelas diferenças entre as suposições usadas na implantação dos sistemas EMS/SCADA, onde o programa de Estimação de Estado aquisita seus dados de medição, e as condições reais do sistema. As suposições básicas de sistemas EMS/SCADA são de que um sistema elétrico de potência está em regime permanente, significando que não há nenhuma modificação durante o período entre duas execuções do estimador de estado, e de que um sistema elétrico CA trifásico é sempre perfeitamente equilibrado. Na verdade, um sistema trifásico elétrico de potência está sempre se modificando e, tipicamente, a magnitude das tensões e correntes de fase não é a mesma entre as fases. A utilização da tecnologia PMU removeria a necessidade de se fazer essas duas suposições e ajudaria a melhorar os resultados da Estimação de Estado. Como as ferramentas de Análise de Contingência on-line, incluindo Avaliação de Estabilidade Transitória (TSA) e Avaliação de Estabilidade de Tensão (VSA), utilizam os resultados do Estimador de Estado (EE) topologia do sistema e solução de fluxo de carga inicial, melhoras de precisão no Estimador de Estado se traduziriam diretamente em melhores resultados na detecção de dados com erro, na identificação de parâmetros e na determinação de topologia. Isto, por sua vez, poderia contribuir para cálculo e utilização mais precisos dos limites de transferência determinados pela estabilidade do sistema, utilizando estes instrumentos de Análise de Contingência on-line. A melhora na precisão dos resultados do EE para uso prático por instrumentos de Análise de Contingência on-line é crítico para operações de sistema garantidas e seguras. Melhoras na tomada de decisão em tempo real através da implantação e aplicação de novas ferramentas de avaliação de segurança do sistema. Com sua alta taxa de dados e medição de ângulo fasorial, a tecnologia PMU permitirá que toda uma gama de novas ferramentas de avaliação de segurança em tempo real on-line seja desenvolvida e implantada. Por exemplo, nos cálculos dos limites de transferência relacionados à estabilidade angular realizados pelo ONS, são utilizadas as diferenças entre os ângulos de fase de tensão entre determinados geradores selecionados para determinar se o sistema será estável entre regiões ou não, após uma perturbação no sistema ou uma contingência. O ONS seleciona um gerador em cada região no seu cálculo do limite. A diferença do ângulo de fase entre dois geradores selecionados em resposta às contingências especificadas é usada como critério para determinar os limites de transferência dos principais corredores de linhas de transmissão, expressando estes valores em MW / MVA. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 14 Proprietário

20 Com a implantação do SMSF, passa a ser possível monitorar diretamente as diferenças de ângulo de fase em tempo real dos geradores selecionados para avaliar as condições do sistema. O SMSF também pode permitir que outras ferramentas sejam usadas para prever o estado iminente do sistema e para calcular a proximidade do ponto de colapso operacional [5]. Tal ferramenta pode ser um complemento (e funcionar em paralelo com) a ferramenta de avaliação de segurança dinâmica de tempo real que o ONS está preparando para o uso. A natureza complementar vem do fato de que a nova ferramenta passará a utilizar medições PMU diretamente, e no intervalo de tempo antes da próxima execução da ferramenta de avaliação de segurança dinâmica on-line após um grande corredor de linhas. Isto poderá levar a uma detecção antecipada de condições em desenvolvimento no sistema, como um princípio de oscilações de baixa freqüência, uma separação do sistema ou ilhamento, e assim por diante, permitindo, portanto, que as ações corretivas preditivas / pró-ativas sejam tomadas nas operações do sistema [5] para impedir que ocorra separação do sistema ou ilhamento. As novas ferramentas baseadas em tecnologia PMU ajudarão, portanto, ainda mais o ONS a enfrentar seu principal desafio operacional do SIN utilizar totalmente a capacidade de transferência do sistema, assegurando ao mesmo tempo a mais alta segurança ao sistema. Melhoras nas análises pós-evento. O SMSF permitirá ao ONS capturar e armazenar a dinâmica do sistema de longa duração, perturbações principais e eventos com marcações temporais muito precisas (melhor que 1µS de UTC). Isto não apenas tornará a análise pós-evento muito mais eficiente não haverá mais consumo de tempo e processo impreciso de alinhamento de eventos, mas também permitirá ao ONS rapidamente identificar e determinar as causas básicas dos problemas ocorridos e tomar as ações corretivas apropriadas. Tal melhora poderá ter um impacto direto na operação do ONS, já que, tipicamente, a operação do sistema e os limites de transferência poderão ser restringidos com grande margem de segurança até a causa básica de qualquer grande problema ser determinada. Se o limite de transmissão de um corredor de linhas principal tiver que ser reduzido durante um período de crescente necessidade de transmissão inter-regional, haverá um custo direto à sociedade como um todo. Melhoras na identificação de erros nos dados de modelagem de sistema e no ajuste em modelos do sistema de potência. O SMSF permitirá ao ONS melhor identificação de eventuais erros em dados de modelagem de sistema e no ajuste em modelos do sistema de potência, tanto para aplicações on-line como para aplicações off-line (fluxo de potência, estabilidade, curtocircuito, avaliação de segurança, gerência de congestão, resposta de freqüência modal, etc.). Tais melhoras terão ligação direta com a precisão e com os potenciais ganhos de aplicações avançadas de tempo real Estimador de Estado, Análise de Contingência, Fluxo de Potência Ótimo, etc. Os ganhos econômicos que poderão ser atingidos pelo uso da tecnologia PMU podem ser classificados em duas grandes categorias Prevenção de Blecautes / Análise Pós-Evento, e Operações de Sistema / Mercado [1]. O impacto econômico de longo alcance da aplicação da Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 15 Proprietário

21 tecnologia PMU nessas duas grandes categorias é apoiado pelos seguintes fatos financeiros significantes: O custo do blecaute experimentado pelo Nordeste dos Estados Unidos e pelo Canadá (14 de Agosto de 2003) foi estimado, conservadoramente, em 6 bilhões de dólares americanos nos EUA e em 1 bilhão de dólares americanos no Canadá. A causa do blecaute acima mencionado foi determinada por uma equipe de mais de 20 engenheiros experientes que levaram mais de seis meses para apontar exatamente a origem do evento catastrófico. Isto leva a uma estimativa conservadora de 5 milhões de dólares americanos para conduzir esta análise da causa básica. Os custos de congestão no sistema elétrico da Califórnia custam ao contribuinte acima de 250 milhões de dólares americanos a cada ano. Deve ser observado que o uso da tecnologia PMU para determinação precisa de limites de estabilidade ou, de outra forma, usada para determinar a máxima capacidade de transferência inter-regional apresenta vantagens, independente do fato dos limites calculados serem mais altos ou mais baixos do que aqueles que são atualmente usados. No caso do limite calculado obtido pelo uso da tecnologia PMU ser mais alto do que o que está sendo usado atualmente, as concessionárias ganham por poder transferir muita energia extra. Isto se traduzirá em maiores receitas para a concessionária e economias em termos sócioeconômicos, já que a energia mais barata de uma região está agora sendo colocada à disposição em outra região onde a energia é mais cara típico alívio de congestionamento. No caso em que o limite calculado obtido do uso da tecnologia PMU ser mais baixo do que o que está sendo usado atualmente, as concessionárias ganham em termos de risco evitado. Isto é, a concessionária ganhará por tomar uma posição menos arriscada, não transmitindo mais energia do que é seguramente possível. Este último benefício é potencialmente maior que o anterior, porque o preço de um blecaute é tipicamente muito maior do que o de um congestionamento, caso o mesmo venha a ocorrer. Dadas as considerações de benefícios acima mencionadas, é apenas razoável esperar que a utilização da tecnologia de Medição Fasorial na estrutura deste projeto resulte em resultados financeiros tangíveis na operação do SIN. A quantificação dos benefícios econômicos na operação do sistema nacional brasileiro pelo uso da tecnologia PMU será o foco das duas próximas seções. Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 16 Proprietário

22 4. Abordagem de Análise de Ganhos Econômicos 4.1 Considerações gerais É fácil entender a dificuldade de se prever todos os benefícios financeiros a serem alcançados através da implantação da tecnologia de PMU por várias razões: Não é possível determinar exatamente o que acontecerá no futuro do SIN, devido a incertezas em muitas áreas. Por exemplo, é difícil predizer a carga/demanda exata devido a incertezas no crescimento do sistema. Também é difícil prever exatamente a pluviometria e os fluxos de entrada de água em cada região do SIN para anos futuros. Adicionalmente, eventos inesperados, como desligamentos não programados devido a falhas de equipamentos no SIN, também modificariam drasticamente as condições assumidas. A tecnologia PMU é uma tecnologia fundamental, sobre a qual podem ser desenvolvidas muitas aplicações e ferramentas off-line e de tempo real. Hoje, a tecnologia PMU é ainda relativamente nova. Como tal, boa parte das aplicações que poderiam utilizar a tecnologia ainda não foi desenvolvida e, consequentemente, seus potenciais benefícios ainda não podem ser estimados. Não existe um caminho universal para se determinar com precisão os benefícios de cada aplicação PMU. Por exemplo, um avanço freqüentemente citado é o potencial de se utilizar medições sincronizadas para reduzir a probabilidade de um blecaute. Para estimar as vantagens deste avanço, os analistas tipicamente associam o blecaute com uma redução do PIB (Produto Interno Bruto). Esta abordagem, no entanto, considera que a sociedade analisada, em particular, seja fortemente dependente da eletricidade para fazer girar a máquina de sua economia. As melhorias que podem ser conseguidas utilizando-se a tecnologia PMU dependem muito de como o Sistema de Medição Sincronizada Fasorial é implantado, de quantas PMU são instaladas, e de onde essas PMU estão localizadas. Considerando os motivos acima e a dificuldade de se estabelecer um conjunto comum de indicadores que permitam avaliar todos os benefícios da utilização de tecnologia de PMU para as operações do SIN, este relatório vai se concentrar na quantificação dos benefícios de se utilizar a tecnologia de PMU em uma área específica os custos de congestão de sistema. Isto é, examinaremos a influência de limites de transmissão crescentes em corredores de energia congestionados e os ganhos financeiros resultantes, devido à mitigação dos custos de redespacho do sistema, que se refletem nos preços diferenciais de eletricidade entre cada região participante da transmissão. Independentemente da solução escolhida para o alívio da congestão, o ganho econômico pode ser quantificado, já que a área com déficit de geração poderá importar mais potência do que antes. A capacidade de se importar mais potência de fontes remotas baratas, ao invés de gerar a Projeto ESTAL / ONS: Aplicações em Tempo Real do SMSF 17 Proprietário