PLATAFORMA SIRIS: SIMULADOR COMPUTACIONAL INTEGRADO PARA CONCEPÇÃO, ANÁLISE E VALIDAÇÃO DE REDES INTELIGENTES DE MÉDIA TENSÃO

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1 PLATAFORMA SIRIS: SIMULADOR COMPUTACIONAL INTEGRADO PARA CONCEPÇÃO, ANÁLISE E VALIDAÇÃO DE REDES INTELIGENTES DE MÉDIA TENSÃO A.L. BETTIOL * A. CARNIATO L.F.N. PASSOS NEO DOMINO NEO DOMINO NEO DOMINO Brasil Brasil Brasil N. PENNER J.A. CORTINA R. CALEFI JR. NEO DOMINO NEO DOMINO NEO DOMINO Brasil Brasil Brasil C.V.N. ALBUQUERQUE R.Z. HOMMA F.H. MOLINA UFF CELESC DISTRIBUIÇÃO CELESC DISTRIBUIÇÃO Brasil Brasil Brasil Resumo O projeto de P&D (Pesquisa e Desenvolvimento), código ANEEL /2013, atualmente em execução pela empresa NEO DOMINO para a CELESC DISTRIBUIÇÃO S.A, está desenvolvendo uma plataforma computacional voltada à simulação numérica das etapas de planejamento, análise, validação e implantação de Redes Elétricas Inteligentes (REI) em sistemas de distribuição de média tensão, considerando também os aspectos técnicos associados aos sistemas de comunicação disponíveis na empresa de distribuição. O simulador, baseado na plataforma aberta GridLab-D, é composto por diversos módulos para estudo da interação entre os diversos fenômenos elétricos e o comportamento do mercado de energia em diferentes cenários de consumo e sazonalidades, possibilitando a realização de estudos preliminares de viabilidade técnica, econômica e eficiência operacional para posterior implementação dos resultados em projetos reais. Palavras chave: Smart Grids, Redes Inteligentes, Simulação de Sistemas Elétricos. 1.1 INTRODUÇÃO A definição do conceito de Rede Elétrica Inteligente (REI) é ainda bastante difusa dentro do setor elétrico nacional e internacional. De acordo com [1], as REIs devem ser vistas como uma convergência tecnológica, como pode ser observado na figura 1. Em outras palavras, a adequada implantação de uma REI implica no completo conhecimento das cargas envolvidas (tipos, montantes e modos de controle), do processo de automação (tanto da operação quanto do sistema de medição), da infraestrutura de telecomunicações envolvida (tecnologias e confiabilidade dos enlaces) e da tecnologia da informação.

2 Figura 1 O conceito de REI visto como uma convergência tecnológica, adaptado de [1]. No projeto de P&D em desenvolvimento, os aspectos relacionados à operação de REI não são abordados, pois o enfoque principal é o desenvolvimento e/ou integração de ferramentas de simulação com o intuito de auxiliar no projeto e validação de uma REI, tanto no projeto de novas redes como no projeto da ampliação e modernização das já existentes. O simulador proposto auxiliará os engenheiros da CELESC nas fases de projeto e validação da rede elétrica e de determinação dos requisitos técnico-financeiros associados à definição dos sistemas de automação e da infraestrutura de telecomunicações necessários ao adequado funcionamento das REIs. 1.2 REQUISITOS DOS SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO PARA REI As REIs requerem comunicação bidirecional e possuem especificidades relacionadas ao tempo de atraso, largura de banda, frequência de atualização, confiabilidade, segurança e tempo de resposta distintos em cada aplicação nos seus diversos domínios de abrangência [4]. A segurança deve prover robustez para se evitar eventuais ataques cibernéticos e proporcionar estabilidade e confiabilidade à comunicação das REI. Segundo [2], a exigência de confiabilidade deve estar entre 99 e 99,99%. A tabela 1 mostra os requisitos de comunicação para cada aplicação típica em REIs. Tabela 1 Requisitos de comunicação para aplicações em REIs Tipo de Aplicação Banda (kbps) Latência Recursos Energéticos Distribuídos Renováveis 9, ms - 2s Veículos Elétricos Fornecimento s Veículos Elétricos Carga 9,6-56 2s - 5min Automação da Distribuição 9, ms Gestão da Distribuição 9, ms - 2s Gestão de Falhas 56 2s Automação de Subestações 9, ms Sistemas de Acompanhamento de Sobrecarga de Linha de 9, ms - 200ms Transmissão Gestão de Energia Residencial 9, ms - 2s Sistema de Conhecimento Situacional em Longa Distância ms - 200ms Gestão de Resposta à Demanda (por nó) 500ms-~min Gestão de Dados de Medição 56 2s AMI (por nó) 2s Neste projeto de P&D, é dada ênfase aos meios de comunicação por rede de telefonia celular e rede mesh padrão Zigbee. 2

3 1.3 PLATAFORMAS COMPUTACIONAIS PARA SIMULAÇÃO DE REDES ELÉTRICAS A simulação numérica é uma das principais ferramentas utilizadas no planejamento, operação e controle de sistemas de energia elétrica. No que se refere à simulação de REIs, nenhum sistema de simulação existente no mercado pode modelar o comportamento integrado dos sistemas combinados de energia elétrica, comunicações e dispositivos de supervisão e controle, o qual baseia-se na comunicação para monitorizar e controlar uma REI. Por ser um conceito ainda bastante recente, não há registros na literatura de nenhum simulador de REI que possibilite aprofundar os estudos de interação de máquinas eletromecânicas, sistemas de comunicação e algoritmos de controle. Na verdade, não existem simuladores de REI disponíveis no mercado, dentro do contexto de desenvolvimento do projeto de P&D em execução na CELESC. No entanto, existem diversas ferramentas de simulação de fenômenos elétricos e também de outras variáveis associadas ao comportamento elétrico do sistema de distribuição, que fazem parte das tarefas disponibilizadas pela plataforma computacional em desenvolvimento. Algumas das ferramentas e linguagens computacionais a serem integradas à plataforma em desenvolvimento no projeto de P&D são apresentadas abaixo, de forma simplificada GRIDAB-D GridLab-D TM é o primeiro de uma nova geração de simuladores para REIs desenvolvido pelo Department of Energy at Pacific Northwest National Laboratory dos Estados Unidos em colaboração com indústrias e universidades, aplicado a Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica (SDEE). O GridLab-D incorpora as mais avançadas técnicas de modelagem, com algoritmos de alto desempenho para a modelagem final, juntamente com modelos de distribuição de energia automatizada e ferramentas de integração entre programas de análise de sistemas de potência. Os recursos mais importantes do GridLab-D TM incluem: (i) Extensão quase estacionária para a solução de séries temporais; (ii) Modelos de dispositivos e equipamentos, modelos de consumo, todos implementados usando a simulação baseada em agentes; (iii) Modelos de fontes de energia distribuída, incluindo dispositivos de corte de carga e geração distribuída; (iv) Ferramentas de modelagem para mercado em varejo, incluindo ferramentas para simulação de contrato e operação, modelos de controle SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) e tecnologias de medição; (v) Conexão para os programas Matlab TM, MySQL TM, Microsoft TM Excel TM e Access TM e arquivo de texto, bem como para o programa de modelagem de sistemas de distribuição SynerGEE; e (vi) Capacidade de execução em máquinas com multiprocessamento. O GridLab-D foi desenvolvido como uma ferramenta que permite avaliar as tecnologias disponíveis para o projeto e implantação das REIs. Historicamente, a incapacidade de se modelar, de forma adequada e integrada, as tecnologias de REIs tem sido identificada como uma significativa barreira à adoção destes sistemas pelas concessionárias de distribuição. Assim, o GridLab-D é uma tentativa de se resolver este problema. Com o GridLAB-D é possível se estudar o comportamento do sistema de distribuição com variação de poucos segundos a décadas, simulando-se a interação entre fenômenos físicos e comportamentos de mercado e de consumo. Os resultados incluem estatísticas do sistema, tais como: métricas de confiabilidade (por exemplo CAIDI, SAIDI e SAIFI) e métricas de negócios, tais como: rentabilidade, taxas de retorno e de custos [3] MATPOWER O Matpower é uma biblioteca que pode ser executada utilizando-se os programas MATLAB (versão comercial) e OCTAVE (versão open source). A biblioteca é destinada à análise de fluxo de potência e otimização de fluxo de potência (ou seja, fluxo de potência ótimo). Para sua utilização, é necessário gerar-se um arquivo de entrada que define o modelo a ser simulado PSL/DMS Ferramenta computacional de suporte ao planejamento e à operação de sistemas de distribuição. O software possui diversas ferramentas de simulação como fluxo de potência, análise da inserção de fontes de geração distribuída, alocação de bancos de capacitores e reguladores de tensão, entre outras. 3

4 1.3.4 MODELICA É uma linguagem de programação voltada à descrição de sistemas dinâmicos. É utilizada principalmente em sistemas híbridos, isto é, um sistema que envolve elementos elétricos, mecânicos, térmicos, químicos, entre outros. As cargas especiais (como veículos elétricos, sistemas de cogeração, geradores eólicos, células solares, baterias e inversores) são mais facilmente modelados nesta linguagem de programação. Há diversos aplicativos que simulam os modelos escritos em Modelica. Há ferramentas comerciais como o software Dymola, da Dassault, System Modeler, da Wolfram Research, entre outros. Há também softwares livres, como o Openmodelica (www.openmodelica.org), JModelica (www.jmodelica.org), Coselica, que é um pacote que roda sobre SCICOS, assim como o conhecido Matlab/Simulink, que também importa modelos escritos em Modelica. 1.4 PLATAFORMA SIRIS (SIMULADOR DE REDES INTELIGENTES) Um dos objetivos do projeto é desenvolver uma ferramenta computacional que integre diversas ferramentas de simulação existentes, de forma mais transparente e amigável possível ao usuário final. Uma premissa adotada é a que as ferramentas de simulação são de alta exigência computacional. Como são diversas ferramentas de simulação, a instalação de todos os pacotes na máquina do usuário é mais complexa. Outro fator fundamental é que os resultados devem ser compartilhados e corretamente armazenados em um único banco de dados. A partir destas restrições, optou-se por estabelecer um único servidor para todas estas aplicações, sendo que o usuário final instala na sua máquina apenas a IHM (Interface Homem-Máquina). Portanto, esta IHM deve ser definida de tal forma a atender aos requisitos de todos os simuladores disponíveis e, ao mesmo, ser amigável ao usuário final Escopo da Plataforma SIRIS É uma plataforma computacional (ver logotipo na figura 1) para simular a implantação virtual e progressiva de componentes de automação em REIs em sistemas de Média Tensão, possibilitando estudos preliminares de viabilidade técnica, econômica e eficiência operacional para posterior implementação dos resultados em projetos reais. Figura 1 Logotipo Plataforma SIRIS O simulador incorpora avançadas técnicas de programação e algoritmos de alto desempenho na modelagem da operação em regime permanente das REIs em diferentes escalas de tempo, juntamente com ferramentas de integração entre tradicionais programas de análise de sistemas de potência. Desta forma, é possível estudar-se o comportamento das REIs em várias escalas de tempo, sendo possível a simulação da interação entre os diversos fenômenos elétricos e o comportamento do mercado de energia, para diferentes cenários de consumo e sazonalidades. Adicionalmente, poder-se-á realizar ensaios virtuais de automação no modelo da REI 4

5 real, sem instalação física dos componentes de automação, para avaliar o impacto de melhoria da eficiência operacional do sistema frente aos custos de implantação destes componentes. As inovações integradas ao simulador computacional são: (i) Simulação das diversas tecnologias de comunicação usadas pelas concessionárias na automação das RI, considerando modelagem tridimensional do terreno, aspectos de direcionalidade e nível de atenuação do sinal de recepção/envio; (ii) Simulação integrada de algoritmos de fluxo de potência desequilibrado, análise de curto-circuito, esquemas de proteção/manobra, alocação ótima de componentes de automação, sistemas de geração e armazenamento distribuído, estações de carregamento de veículos elétricos e medidores inteligentes; (iii) Montagem de arquivos históricos de defeitos nas REIs, permitindo a efetiva determinação da contribuição de cada componente de proteção/manobra nos índices globais de continuidade; e (iv) Simulação dos hábitos de consumo e montante de carga até o nível do consumidor final, visando otimizar sua carga horária e resposta às novas formas de tarifação e modalidades de suprimento Definição do IHM Principalmente no caso do planejamento do sistema de telecomunicação utilizando-se rádio-frequência, foi necessário o uso de sistema com georreferenciamento, pois a alocação dos equipamentos depende da geografia da região em análise. Por outro lado, os simuladores também utilizam informações georreferenciadas associadas à topologia da rede elétrica e às características construtivas dos elementos da rede. Para esta finalidade, uma ferramenta do tipo GIS (Geographic Information System) é utilizada como ferramenta única de entrada de dados de georreferenciamento. Existem diversos servidores de mapas disponíveis, como o GoogleMaps e o Openstreetmap. Ambos são excelentes plataformas, mas possuem a desvantagem de exigir a conexão via internet com os servidores. Diversas ferramentas GIS utilizam mapas para utilização off-line, ou seja, sem conexão com a internet, em um formato conhecido como Shape (.shp). Este formato é utilizado tanto por ferramentas comerciais quanto de código aberto, permitindo, inclusive, o intercâmbio de mapas entre elas. Desta forma, a ferramenta GIS (www.qgis.org) foi a ferramenta escolhida para a manipulação de dados georreferenciados. De código livre e aberto, ela permite a utilização de todos os provedores de mapas disponíveis, tais como GoogleMaps, Openstreetmap, Yahoo, entre outros. Além disso, além de ser uma ferramenta de visualização de mapas, é também uma IDE, ou seja, uma plataforma de desenvolvimento. A interface pode ser adaptada através de plug-ins escritos em linguagem Python, sendo que as camadas podem ser criadas de acordo com a aplicação do usuário. A figura 2 mostra uma tela da Plataforma SIRIS construída através desta ferramenta. Figura 2 Ferramenta QGIS O QGIS possui ainda um servidor Fast CGI, o qual permite que a aplicação possa ser acessada via navegador de internet. Para esta finalidade, é utilizada uma biblioteca javascript chamada Lizmap. A figura 3 mostra uma tela da Plataforma SIRIS construída através desta ferramenta. 5

6 Figura 3 Lizmap O QGIS, neste projeto, é uma ferramenta de interface com o usuário para a configuração da rede elétrica e para executar diversos tipos de simulação. Cada simulador é definido por um plugin. As figuras na sequência mostram a simulação de fluxo de potência para um alimentador. O fluxo de potência é executado pela ferramenta Gridlab-D. Os resultados são apresentados de forma numérica, ou seja, ao lado de cada nó aparecem os valores de tensão e corrente por fase do circuito, e também de forma pictórica. As tensões são representadas por um mapa de calor onde a cor verde significa que a tensão está dentro dos limites adequados. As correntes são representadas por uma linha cor de vinho cuja largura é proporcional à intensidade da corrente. Cada trecho do alimentador tem a ligação representada por uma linha com largura proporcional à capacidade de corrente dos cabos no trecho. Desta forma, pode-se ter uma idéia se o trecho está sofrendo sobrecarga ou não. A última figura mostra os fasores de corrente em chaves e fusíveis, de tal forma que se pode ter uma idéia do desequilíbrio no circuito. A representação pictórica tem a função de simplificar, para o engenheiro, a análise dos resultados, focalizando-se a análise nos pontos com problema. Figura 4 Janela de Simulção onde são escolhidos os parâmetros 6

7 Figura 5 Resultado da simulação gerada pelo Gridlab-D Figura 6 Mapa de calor correspondente aos níveis de tensão nos nós Figura 7 Simulação das correntes no alimentador 7

8 Figura 8 Simulação das correntes existentes nas chaves e fusíveis 1.5 CONCLUSÃO O artigo mostra alguns aspectos conceituais do desenvolvimento da Plataforma SIRIS (SImulador de Redes InteligenteS). A plataforma é destinada à simulação numérica integrada das etapas de planejamento, análise, validação e implantação de Redes Elétricas Inteligentes em empresas de distribuição, mas considera também as características dos sistemas de comunicação disponíveis na empresa (tecnologias, enlaces, visibilidades, etc.) e o perfil e sazonalidade do mercado de energia. O simulador, baseado na integração de diferentes plataformas computacionais como o GridLab-D, é composto por diversos módulos responsáveis pela interação entre os diversos fenômenos elétricos e o comportamento do mercado de energia em diferentes cenários de consumo e sazonalidades, possibilitando a realização de estudos preliminares de viabilidade técnica, econômica e eficiência operacional para posterior implementação dos resultados em projetos reais. 1.6 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer o apoio financeiro e técnico da CELESC DISTRIBUIÇÃO S.A. disponibilizados à NEO DOMINO por meio do projeto de P&D ANEEL / REFERÊNCIAS [1] KAGAN, N. et al. Redes Elétricas Inteligentes no Brasil: Análise de Custos e Benefícios de um Plano Nacional de Implantação. 1ª Ed., Rio de Janeiro, [2] V. C. Gungor, D. Sahin, T. Kocak, S. Ergut, C. Buccella, C. Cecati, and G. P. Hancke, A survey on smart grid potential applications and communication requirements, IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 9, no. 1, pp , [3] D. P. Chassin, K. Schneider, C. Gerkensmeyer, GridLAB-D: An Open-source Power Systems Modeling and Simulation Environment, Transmission and Distribution Conference and Exposition IEEE/PES, Chicago, [4] V. C. Gungor, D. Sahin, T. Kocak, S. Ergut, C. Buccella, C. Cecati, and G. P. Hancke, "Smart grid technologies: Communication technologies and standards," IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 7, no. 4, pp ,

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