João Ricardo Paes de Barros CHESF - Companhia Hidro elétrica do São Francisco

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1 GOP/ a 26 de Outubro de 2001 Campinas - São Paulo - Brasil GRUPO I GRUPO DE ESTUDOS DE OPERAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GOP IMPACTO DA POLÍTICA DE OPERAÇÃO DE ESQUEMAS DE MANOBRAS DE SUBESTAÇÕES NA PARCELA VARIÁVEL João Ricardo Paes de Barros CHESF - Companhia Hidro elétrica do São Francisco RESUMO Este trabalho faz uma avaliação do impacto das falhas originadas nas subestações na parcela variável, dada que ela é o parâmetro de referência atual para penalizar as Transmissoras. Também faz avaliações relativas a expectativa de lucro da empresa Transmissora diante de diferentes tipos de esquemas de manobras, forma de operação dos equipamentos de manobras das subestações e número de células conectadas. Com uma concepção voltada para o futuro, infere-se que este trabalho pode ser estendido para outras instalações de transmissão da rede básica, visando contribuir para obtenção da maximização da disponibilidade das instalações de transmissão, uma vez que a Transmissora deseja reduzir ao máximo os custos decorrentes das penalidades. PALAVRAS-CHAVE Disponibilidade - Transmissão Arranjos de Subestações Parcela Variável. 1.0 INTRODUÇÃO A indústria de energia elétrica emergente no Brasil redefiniu os objetivos empresariais e a missão da Transmissora, impondo necessidades específicas, as quais são resumidas no seguinte aspecto:! Minimização da indisponibilidade das instalações de transmissão existentes e futuras, tais como as subestações, as linhas de transmissão, os transformadores, etc; e conseqüentemente, maximização do lucro anual da Transmissora, através da maximização da disponibilidade das instalações de transmissão. Neste contexto, maximizar os índices de disponibilidade das instalações de transmissão tornou-se um dos objetivos estratégicos a serem alcançados pela Transmissora. Como a nova legislação do Setor Elétrico brasileiro prevê elevadas penalidades para a Transmissora associadas a indisponibilidades dos equipamentos do sistema de transmissão da rede básica, este aspecto também deve ser contemplado nas análises dos diversos tipos de esquemas de manobras de subestações. Sendo a indisponibilidade de qualquer sistema de transmissão função da indisponibilidade de todos os seus componentes, é de se esperar que a forma de operar um esquema de manobra de subestação refletirá na indisponibilidade dos circuitos em maior ou menor grau, em função do tipo de arranjo físico da subestação e forma de operação do esquema de manobra e número de células conectadas na subestação. 2.0 OBJETIVO DO TRABALHO O objetivo deste trabalho é apresentar a aplicação do modelo de avaliação de indisponibilidade, de avaliação penalidades por indisponibilidades originadas nos equipamentos das subestações e forma de operação dos esquemas de manobras. Faz também uma aplicação do modelo de avaliação de expectativa de lucro da Transmissora diante de diferentes tipos de esquemas de manobras, forma de operação dos equipamentos de manobras das subestações e número de células conectadas. Com o uso destes modelos é possível representar corretamente as falhas originadas nas subestações e oferecer soluções que possam ser implementadas na prática e que sejam compatíveis com a missão da Transmissora. 3.0 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA O problema em analise é de fácil exposição: as redes de transporte de energia da CHESF, nas tensões de 500 e 230 kv, conectam grandes quantidades de subestações, onde a energia elétrica é gerada ou é consumida, sendo transportada através de linhas de transmissão e autotransformadores de interligação das redes de transporte. Algumas das subestações são elevadoras (fluxos de Rua Delmiro Gouveia, 333 Bloco D / Sala D219, Bongi - Brasil / Recife / PE - CEP jrpb@chesf.com.br - jrpb@elogica.com.br- Tel: Fax:

2 2 potência saem destas subestações, através das linhas a elas conectadas) e outras são de consumo (fluxos de potência entram nestas subestações, através das linhas a elas conectadas), e as restantes são subestações seccionadoras, onde os fluxos que entram são repartidos entre as linhas de transmissão. Entre as redes de extra-alta e alta tensão são, geralmente, implantados bancos de autotransformadores monofásicos com potências nominais elevadas em relação aos transformadores das redes de alta e baixa tensão. No sistema de transmissão da CHESF estes bancos são de 500/230 kv 600 MVA e 300 MVA. Nos setores de 230 kv das subestações abaixadoras e seccionadoras têm-se utilizado os esquemas de manobra Barra Dupla a Cinco Chaves BD_5CH e Barra Principal e Transferência BPT, e mais recentemente o arranjo Barra Dupla a Quatro Chaves BD_4CH. Já nos setores de 230 kv das subestações de interligação das redes de 500 e 230 kv tem-se utilizado o arranjo Barra Dupla a Seis Chaves BD_6CH. A Figura 1 caracteriza os principais componentes (chaves, disjuntores e barramentos) que compõem os esquemas de manobras. B D_ 6 CH B D_5CH B D_ 4 CH B PT FIGURA 1: Tipos de Esquemas de Manobras de 230 kv Sabe-se [1], [4] e [5] que as falhas originadas nos componentes das subestações afetam os índices de indisponibilidades das linhas de transmissão conectadas a elas, com maior ou menor intensidade, dependendo do tipo do esquema de manobra da subestação e da forma como operam os seus principais equipamentos. A questão que surge é como avaliar o impacto na Parcela Variável da receita anual da Transmissora - PV por indisponibilidades dos pontos de conexão das linhas de transmissão diante das seguintes condições:! Operação dos barramentos dos arranjos BD_4CH, BD_5CH e BD_6CH. Neste caso, analisou-se o rebatimento na PV em operar com um ou os dois barramentos energizados;! Operação do disjuntor de acoplamento de barramentos dos arranjos BD_4CH, BD_5CH e BD_6CH. Neste caso, analisou-se o impacto na PV em operá-lo normalmente aberto ou fechado;! Seccionamento de barramento no arranjo BPT. Neste caso, analisou-se o efeito do seccionamento na PV, em função da quantidade de módulos de entrada de linhas e conexões de transformadores, ou seja, do porte da subestação. O problema consiste, então, em determinar os valores de indisponibilidades do conjunto esquema de manobra mais linha de transmissão, verificando o impacto na PV e na expectativa de lucro da Transmissora. Para realização destas tarefas, tornam-se necessários modelos de:! Avaliação das Indisponibilidades;! Avaliação das Penalidades por Indisponibilidades;! Avaliação do Lucro da Transmissora 4.0 MODELOS DE AVALIAÇÕES UTILIZADOS 4.1 Modelo de Avaliação das Indisponibilidades As avaliações das indisponibilidades dos pontos denominados de na Figura 1, localizados no final da linha de transmissão, para os quatro tipos de configurações de esquemas de manobras, foram feitas com o modelo computacional CST [2]. Note que estes pontos de referência foram escolhidos com a finalidade de capturar todos os modos de falhas originadas nos quatro esquemas de manobras e do número de células conectadas. Este modelo foi concebido para calcular os índices de confiabilidade, traduzidos em termos de freqüência, duração e indisponibilidades dos pontos de carga e total dos esquemas de manobras de subestações, para os seguintes modos de falhas:! Falha permanente de um componente;! Falha permanente de dois componentes simultaneamente;! Falha permanente de um componente quando um outro está em manutenção;! Falha ativa de um componente;! Falha ativa de um componente quando um outro está em reparo ou em manutenção;! Falha ativa de um componente com a ocorrência de disjuntor emperrado. O referido programa computacional considera ainda que nenhum equipamento da subestação entrará em manutenção se houver um ou mais componentes falhados. Considera também que uma vez iniciada a manutenção de um outro equipamento ela será concluída, mesmo que um outro equipamento venha a falhar neste período. É conveniente ressaltar que normalmente o modelo CST considera que as saídas programadas para manutenções não provocam perda de continuidade de qualquer ponto de carga da subestação.

3 3 4.2 Modelo de Avaliação das Penalidades As avaliações das penalidades por indisponibilidades dos pontos denominados de na Figura 1, foram realizadas através do modelo estabelecido pelo agente regulador, a Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL. Note que estes pontos de referência foram escolhidos com a finalidade de capturar todos os modos de falhas originadas nos quatro esquemas de manobras, do número de células conectadas e da linha de transmissão conectada no ponto, em função do comprimento. Este modelo foi concebido com a finalidade de fornecer um sinal econômico, para a manutenção da qualidade de serviço da Transmissora, e consiste de uma penalidade definida pela PV por indisponibilidade dos seus ativos de transmissão, deduzida mensalmente do Pagamento Base PB. Segundo o Contrato de Prestação de serviço de Transmissão CPST, esta parcela deve ser calculada pela seguinte expressão: PB NP NO PV = [ K p DDPi + K 0i DOD i ] (1) 1440 D i = 1 i = 1 Onde: DDP = Duração, em minutos, de cada desligamento programado que ocorra durante o mês; DOD = Duração, em minutos, de cada um dos outros desligamentos que ocorram durante o mês; PB = pagamento base das instalações de transmissão; Kp = Fator para desligamentos programados = Ko /15; Ko = Fator para outros desligamentos de até 300 minutos após o primeiro minuto (o fator será reduzido para Ko /15, após o 301 minuto); NP = Número de desligamentos programados da instalação ao longo do mês; NO = Número de outros desligamentos da instalação ao longo do mês; D = Número de dias do mês. O parâmetro Ko vale 150 para os equipamentos com nível de tensão acima de 230 kv, e 100 para os equipamentos com nível de tensão igual ou inferior de 230 kv. Considerando o fato de que após 5 horas (300 minutos) o fator K oi será reduzido para K 0 /15 e que as indisponibilidades foram calculadas em uma base anual, a expressão para o cálculo da PV total anual toma a seguinte forma algébrica geral, a qual pode ser aplicada aos desligamentos com durações superiores a 5 horas, como ocorrem nos estudos de casos apresentados mais adiante no item 5. PV = PB K0 Pu (2) Onde: 1 NP DDPi + DOD NO = [ ( i> DODi DOD < Pu ) + ( i )] (3) 15 i= i= Pu Probabilidade de Indisponibilidade programada e não programada das instalações de transmissão. Com estas considerações os valores de indisponibilidades DOD e DDP são calculados na base anual. 4.3 Modelo de Avaliação do Lucro da Transmissora Os futuros Contratos de Prestação de Serviços de Transmissão - CPST a serem celebrados entre as empresas Transmissoras e o ONS, para disponibilidade das instalações de transmissão aos diversos usuários e acessantes da rede básica, deverão estabelecer requisitos mínimos de segurança e confiabilidade para a operação da rede básica de transmissão. De acordo com o CPST as empresas Transmissoras poderão ter suas receitas anuais descontadas do valor total da PV, de modo a refletir a efetiva disponibilidade das instalações de transmissão. Considerando estas definições a avaliação do Lucro Anual LA da Transmissora pode ser calculada através da seguinte expressão matemática: LA = RA ( PV CA) (4) Onde: LA - Lucro Anual da Transmissora; RA - Receita anual da Transmissora; CA - Custo anual, incluindo operação, manutenção, amortização do investimento, etc. Fica evidente desta expressão que a expectativa de lucro anual da Transmissora:! É função de variáveis aleatórias. Ou seja, depende dos índices de indisponibilidade programada (manutenção preventiva) e não programada (queda de torres, falha de equipamento, falha humana, descarga atmosférica, etc) das instalações de transmissão;! A necessidade de reduzir dos custos decorrentes das penalidades por indisponibilidades, de modo maximizar o lucro anual da Transmissora;! O lucro anual aumenta com o crescimento de RA e com a redução de CA. Porém a redução de CA aumenta a probabilidade de crescimento da PV, e conseqüentemente, reduz do lucro anual da Transmissora. 5.0 ESTUDOS DE CASOS Para os arranjos BD foram analisadas doze configurações, iniciando com dois pontos de carga e duas fontes de alimentação e terminando com cinco fontes de alimentação. Já para o arranjo BPT foram analisadas vinte configurações, iniciando com dois pontos de carga e duas fontes de alimentação e terminando com cinco fontes de alimentação.

4 4 Em seguida foram determinados os valores da PV e da expectativa de lucro da Transmissora, em função dos índices de indisponibilidades associados a cada uma das configurações de esquemas de manobras e políticas operativas de barramentos. 5.1 Arranjos Barra Dupla Análise dos Índices de Indisponibilidades A Figura 2 apresenta os resultados das indisponibilidades do ponto do arranjo físico BD_4CH em função do número de células, diante das seguintes condições operativas dos barramentos: 1. Um barramento energizado 1BE; 2. Dois barramentos energizados 2BE e disjuntor de acoplamento operando normalmente aberto NA; 3. Dois barramentos energizados - 2BE e disjuntor de acoplamento operando normalmente fechado NF; 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Arranjo BD_5CH - Indisponibilidades 2 BE (NF) 2 BE (NA) 1 BE FIGURA 3: Arranjo BD_5CH - Indisponibilidades Já a Figura 4 apresenta os resultados dos índices de indisponibilidades do ponto para os arranjos físicos BD_4CH, BD_5CH e BD_6CH em função do número de células, considerando as constatações relativas às condições operativas dos barramentos. 0,30 Arranjo BD_4CH - Indisponibilidades 2 BE (NF) 2 BE (NA) 1 BE 0,20 0,15 Arranjos BD - Indisponibilidades BD_5CH BD_4CH BD_6CH 0,15 0,10 0,05 0,00 FIGURA 4: Indisponibilidades dos Arranjos BD FIGURA 2: Arranjo BD_4CH - Indisponibilidades Dos valores contidos nesta figura pode-se extrair as seguintes principais constatações:! Operar com apenas um barramento energizado resulta em índices de indisponibilidades dos pontos de carga bastante superiores. Esta situação se torna ainda mais crítica com o aumento da quantidade de células da subestação;! Em configurações compostas de no máximo três fontes de alimentação, operar o disjuntor de acoplamento normalmente fechado tem o efeito de reduzir marginalmente os índices de indisponibilidades. Situação inversa é verificada nas subestações compostas de maior número de células. No arranjo físico BD_5CH verifica-se um comportamento dos índices de indisponibilidades do ponto semelhante em relação ao esquema de manobra BD_4CH, como pode ser visto na Figura 3. Desta análise comparativa entre os índices de indisponibilidades infere-se que:! O arranjo BD_4CH apresenta índices de indisponibilidades do ponto decrescentes em função do número de células conectadas na subestação;! O arranjo BD_5H apresenta índices de indisponibilidades do ponto equivalentes aos dos esquemas de manobras BD_6H em configurações compostas de no máximo quatro fontes de alimentação e cinco pontos de carga. A partir desta configuração os índices tendem a decrescer Análise de Lucro Anual da Transmissora Para os arranjos em BD, os valores das PB foram estimados em função dos respectivos custos modulares de entrada de linha em BD_4CH, em BD_5CH, em BD_6CH e em BPT e do custo de uma linha de extraídos da referência de custos [3]. De posse dos índices de indisponibilidades associados a cada tipo de esquema de manobra e política de operação dos barramentos, foram realizados os cálculos das PV e em seguida as expectativas de lucros anuais da Transmissora.

5 5 Vale salientar que os custos anuais associados às alternativas de esquemas de manobras não foram considerados, uma vez que se trata de análises comparativas, e que os referidos custos são proporcionais aos valores das PB dos esquemas de manobras contemplados. A Figura 5 apresenta os resultados da análise de expectativa de lucro da Transmissora propiciado pelo uso do arranjo físico BD_5CH, em relação ao esquema de manobra BD_4CH, em função do número de células da subestação e comprimento das linhas de transmissão. 1,95 1,45 0,95 0,45-0,05 Expectativas de Lucros Anuais - Mil US$ (Pró BD_5CH em Relação ao BD_4CH) 125 km 175 km 225 km 250 km FIGURA 5: Expectativas de Lucros Anuais Pró Arranjo BD_5CH em Relação ao Arranjo BD_4CH Já a Figura 6 apresenta os resultados da análise de expectativa de lucro anual da Transmissora propiciado pelo uso do arranjo físico BD_4CH, em relação ao esquema de manobra BPT, em função do número de células e comprimento da linha de transmissão. 16,0 12,0 8,0 4,0 Expectativas de Lucros Anuais - Mil US$ (Pró BD_6CH em Relação ao BD_4CH) 125 km 175 km 225 km 250 km FIGURA 7: Expectativas de Lucros Anuais Pró Arranjo BD_6CH em Relação ao Arranjo BD_4CH 5.2 Arranjo Barra Principal e Transferência Análise dos Índices de Indisponibilidades A Figura 8 apresenta os resultados da simulação de indisponibilidade do ponto do arranjo físico BPT, diante das seguintes condições operativas:! Com o barramento principal seccionado;! Sem seccionamento do barramento principal. 0,30 0,20 0,10 Arranjo BPT - Indisponibilidades C/Sec. S/Sec. 20 Expectattivas de Lucros Anuai - Mil US$ (Pró BD_4CH_em Relação ao BPT) 125 km 175 km 225 km 250 km 0,00 2F+5C 2F+6C 3F+6C 3F+7C 4F+7C 4F+8C FIGURA 8: Arranjo BPT - Índices de Indisponibilidades FIGURA 6: Expectativas de Lucros Anuais Pró Arranjo BD_4CH em Relação ao Arranjo BPT Finalmente a Figura 7 apresenta os resultados da análise de incremento de receita da transmissora propiciado pelo uso do arranjo físico BD_6CH, em relação ao esquema de manobra BD_4CH, em função do número de células da subestação e comprimento das linhas de transmissão. Desta análise comparativa pode-se extrair as seguintes principais constatações:! O arranjo BPT sem seccionamento do barramento principal apresenta índices de indisponibilidades crescentes em função do número de células da subestação;! O seccionamento do barramento principal apresenta maior redução em indisponibilidade a partir de configurações compostas de quatro fontes de alimentação e quatro pontos de carga Análise de Lucro Anual da Transmissora Para os arranjos em BD, os valores das PB foram estimados em função dos respectivos custos modulares de entrada de linha em BPT e do custo de uma linha de transmissão extraídos de [3]. De posse dos índices de indisponibilidades associados a cada tipo de esquema de manobra e política de operação

6 6 dos barramentos, foram realizados os cálculos das PV e em seguida as expectativas de lucros anuais. Na Figura 9 são apresentados os resultados da análise de expectativa de lucro anual da transmissora propiciado pelo uso do arranjo físico BPT com seccionamento - BPT_CSsec, em relação ao arranjo sem seccionamento - BPT_Ssec, em função do número de células da subestação e comprimento das linhas de transmissão. 5,5 4,5 3,5 2,5 1,5 Expectativas de Lucros Anuais - Mil US$ (Pró BPT_CSc em Relação ao BPT_SSec) 125 km 175 km 225 km 250 km FIGURA 9: Expectativas de Lucros Anuais Pró Arranjo BPT_CSec em Relação ao Arranjo BPT_SSec 6.0 CONCLUSÕES 6.1 Aspectos Metodológicos Este trabalho mostrou como pode ser feita a interação entre um modelo de avaliação de confiabilidade de arranjo de subestação com o modelo de avaliação de penalidades por indisponibilidade. O resultado obtido é uma representação mais realista dos efeitos das indisponibilidades originadas nos esquemas de manobras de subestações, das filosofias e objetivos empresariais, oferecendo ao agente de decisão uma ferramenta de auxílio precisa e confiável. 6.2 Aspectos Técnicos É apresentado, a seguir, um resumo das principais conclusões extraídas das análises efetuadas, com ênfase na regra de penalidade por indisponibilidades e no lucro da Transmissora:! Pelo fato da penalidade e do lucro da Transmissora ser proporcional aos valores de indisponibilidades forçadas e programadas para manutenção dos componentes da rede básica, a conexão de linhas de transmissão, quer seja em BD quer seja via BPT com e sem seccionamento, aumentará o valor da indisponibilidade da rede básica, cuja responsabilidade é da Transmissora;! Existe uma expectativa crescente dos valores de indisponibilidades da rede básica, em virtude do processo evolutivo das configurações do sistema de transmissão, ditado pela expansão. Diante das principais constatações obtidas da análise de desempenho do sistema diante de falhas originada nas subestações é interessante:! Determinar e adotar medidas que promovam a diminuição das indisponibilidades e, conseqüentemente, o aumento do lucro da Transmissora;! Realizar um tratamento estatístico adequado e preciso do histórico de saídas dos componentes em operação da rede básica. 6.3 Aspectos Empresariais A CHESF deverá aproveitar o máximo seu amplo conhecimento da região Nordeste e do seu sistema elétrico, com km de linhas de transmissão e 85 instalações. Este conhecimento se constitui em uma importante base de dados técnica, a qual, juntamente com um ferramental de análise e de simulação do sistema, constituem-se em um diferencial para a futura Transmissora. 7.0 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Como sugestões de trabalhos futuros vislumbra-se o desenvolvimento de modelos sob medida para:! Avaliação e gerenciamento de risco incorrido pela Transmissora diante das penalidades;! Suporte a decisão de modo a sinalizar onde melhor atuar e concentrar esforços nestes ativos;! Avaliação das penalidades relacionadas aos principais ativos de transmissão, considerando as incertezas inerentes aos valores de taxas de falhas e tempos de reparo e manutenção BIBLIOGRAFIA [1] Barros, J. R. P.; Jesus, V. S.; Moura, J. J.: Análise de Desempenho dos Arranjos Disjuntor e Meio, Barra Dupla, Principal/Transferência e Barra Simples, Sob o Enfoque de Confiabilidade. I SNPTEE, RJ, 1991; [2] Eletrosul: Modelo Computacional CST Confiabilidade de Sistemas de Transmissão, Metodologia de Cálculo de Índices de Confiabilidade de Subestações, 1985; [3] Eletrobrás: Referências de Custos de Linhas de Transmissão e Subestações. Dezembro/1997; [4] Barros, J. R. P. B.; Andrade, V. S.: Um método Eficiente para Obtenção dos Índices de Confiabilidade de Arranjos de Subestações. VII ERLAC, P. Iguazú Argentina, Mayo 1997; [5] Mendes, D. P.; Melo, A. C. G.; Pereira, J. L. R.: Subtransmission Systems Reliability Evaluation Including Substation Originated Failures. 4 th PMAPS, RJ Brasil, September 1994.