O Papel dos Sistemas Integrados de Gerenciamento de Distribuição nas Implementações do Smart Grid. Brasil & Austrália

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1 O Papel dos Sistemas Integrados de Gerenciamento de Distribuição nas Implementações do Smart Grid HERING, Ricardo (1), BOARDMAN, Eathan (2) AREVA T&D de Energia Ltda. ULPH, Ian IRU Consulting Pty. Ltd. Brasil & Austrália RESUMO O mercado de Empresas de Distribuição Elétrica se encontra no advento da era do Smart Grid quando uma variedade de tecnologias de automação está sendo desenvolvida, com freqüência simultaneamente, a fim de aprimorar o desempenho dos ativos existentes: alimentadores, transformadores, medidores, relés de proteção,gis, Call Center, etc. O Sistema Integrado de Gerenciamento de Distribuição (IDMS) possui o papel de fornecer maior assertividade situacional sobre a rede de distribuição, uma visão geral da interação entre os diversos esquemas de automação, e a oportunidade de administrar, de forma pró-ativa, a estratégia de gerenciamento da rede. O Smart Grid ainda é um conceito em desenvolvimento e, portanto há uma variedade de definições para explicar exatamente o que constitui um Smart Grid. Contudo há um consenso geral no que se refere à lista básica de suas características. A intensidade das implementações atuais pode variar de acordo com as necessidades específicas da empresa ou da rede PALAVRAS CHAVE Smart Grid; aprimorar o desempenho dos ativos existentes; Sistema Integrado de Gerenciamento de Distribuição; assertividade situacional Ricardo Hering, AREVA T&D, tel. 11)

2 Introdução O mercado de Empresas de Distribuição Elétrica se encontra no advento da era do Smart Grid quando uma variedade de tecnologias de automação está sendo desenvolvida, com freqüência simultaneamente, a fim de aprimorar o desempenho dos ativos existentes: alimentadores, transformadores, medidores, relés de proteção,gis, Call Center, etc. O Sistema Integrado de Gerenciamento de Distribuição (IDMS) possui o papel de fornecer maior assertividade situacional sobre a rede de distribuição, uma visão geral da interação entre os diversos esquemas de automação, e a oportunidade de administrar, de forma pró-ativa, a estratégia de gerenciamento da rede. O Smart Grid ainda é um conceito em desenvolvimento e, portanto há uma variedade de definições para explicar exatamente o que constitui um Smart Grid. Contudo há um consenso geral no que se refere à lista básica de suas características. A intensidade das implementações atuais pode variar de acordo com as necessidades específicas da empresa ou da rede. As características chave de um Smart Grid [1] são: Restauração Autônoma: a habilidade de restaurar as seções saudáveis da rede, com a identificação do local provável da falha, sem a intervenção de operadores, recuperando o maior número possível de consumidores, inclusive considerando sua prioridade, também conhecida como auto-cicatrização. Resistente a ataques: a habilidade de resistir aos ataques à rede física, e seus sistemas de controle seja diretamente ou via Internet. Suporte a recursos distribuídos: a capacidade de incorporar fontes de geração e equipamentos de armazenamento de energia distribuídos por toda a rede em todos os níveis de tensão. Suporte a fontes renováveis de energia: a capacidade de integrar e explorar, de forma efetiva, todos os tipos de fontes de energia renovável a fim de reduzir as emissões globais de carbono. Fornecer qualidade da energia: a habilidade de monitorar e controlar a qualidade da energia entregue em um nível que satisfaça as necessidades de cada consumidor. Garantir a segurança do fornecimento: a habilidade da rede em manter o fornecimento aos consumidores mesmo sob condições anormais, particularmente evitando-se blackouts. Suporte a custos baixos de operação: capacidade de fornecer um alto nível de eficiência global na rede através da inovação, gerenciamento avançado de energia, assim como suporte aos arranjos para um fornecimento competitivo. Minimizar perdas técnicas: utilização de dispositivos eficientes e tecnologias de controle, a fim de reduzir perdas em todos os pontos na rede e reduz, de forma efetiva, custos e emissões de carbono. Minimizar manutenção e intervenção manual: explora ao máximo a inteligência adicional incorporada em todos os níveis da rede a fim de reduzir a manutenção e intervenção manual necessárias para manter a rede operando de forma eficaz. O Sistema Integrado de Gerenciamento de Distribuição (IDMS) é uma ferramenta importante para tratar muitas das características do Smart Grid. Um IDMS é um sistema de gerenciamento de dados de rede que integra totalmente, em um único sistema de 1

3 visualização, sem emendas, os fluxos de dados de múltiplas funções de operação da rede e sub-sistemas de automação. Eles incluem: SCADA Gerenciamento de Cortes de fornecimento de Energia Elétrica Análise e Otimização da Rede Procedimentos de Manobra Monitoramento e Despacho de Equipes Operação Automatizada Controle Automático de Volt/VAR Infra-estrutura Avançada de Medição (AMI) Visualização da Rede: A habilidade de visualizar, monitorar, e analisar múltiplas atividades de Operação da Distribuição em uma única plataforma de usuário, torna um IDMS idealmente adequado para a supervisão do Smart Grid de uma empresa. Uma visualização única e consistente da rede em tempo real como mostra a Figura 1 fornece a base para a ampla variedade de funcionalidades incorporadas no IDMS e apresenta ao operador a habilidade de, tanto monitorar quanto controlar a rede a partir de uma única tela. O estado em tempo real de todos os elementos da rede é mostrado através da utilização de símbolos, cores e halos dinâmicos. O processamento da topologia atualiza a visualização para que os estados de energização dos alimentadores reflitam o estado atual de comutação de rede como mostrado na Figura 2. Desta forma, os resultados de funções sofisticadas de controle combinados com os dados de SCADA, informações de interrupção, atualizações manuais e outras operações de rotina da rede podem facilmente ser visualizados em uma única tela. A visualização da rede é capaz de suportar tanto vistas geográficas quanto esquemáticas da rede. 2

4 Figura 1 Visão Geográfica da Rede em tempo real A visualização da rede é uma representação do modelo de rede que está no núcleo do IDMS. A fim de fornecer o nível necessário de integração das funções do IDMS o sistema é capaz de modelar, de forma precisa, a rede com realismo físico. Isto vai desde a rede transmissão até as cargas individuais dos consumidores. A conectividade completa de todos os elementos de rede é modelada para cada fase e incluindo-se os detalhes necessários para suportar cada uma das funcionalidades requeridas. A utilização de uma arquitetura padronizada de modelagem tal como o Modelo Comum de Informações CIM (Common Information Model - DRAFT IEC Rev. 4) pode aperfeiçoar grandemente a criação de modelos e o processo de manutenção utilizando-se as informações existentes da rede no Sistema de Gestão de Ativos da empresa, o GIS (Sistema de Informações Geográficas). O modelo é tão flexível quanto extensível tornando-o capaz de suportar todos os tipos de configurações e dispositivos, e não apenas aqueles atualmente em uso. Além de utilizar a arquitetura CIM para a captura de informações do modelo, o CIM pode ser a base para interfacear o IDMS com outros sistemas operacionais tais como Informações individuais dos Consumidores ou o Gerenciamento das equipes de manutenção. A flexibilidade desta arquitetura de interfaceamento permite a atualização independente dos sistemas, isto é, automática, reduzindo grandemente os custos totais de operação. Com um único e abrangente modelo de rede é relativamente simples gerar múltiplas instâncias que podem ser utilizadas para estudos off-line ou simulação de treinamento. 3

5 Figura 2 Visualização topográfica da rede mostrando o efeito da operação do interruptor do Alimentador da Subestação Supervisão, Controle e Aquisição de Dados (SCADA): É muito comum em redes de distribuição que as subestações sejam remotamente monitoradas e controladas por um sistema SCADA. Os dados recuperados pelo sistema SCADA não estão usualmente disponíveis para outros sistemas corporativos e assim requerem coordenação manual do operador quando um interruptor de alimentador é a causa de um grande número de consumidores sem energia. A manobra ao longo dos alimentadores é, contudo, tipicamente realizada manualmente. Além disso, o crescente número de chaves automatizadas sendo instaladas ao longo dos alimentadores criou 4

6 SCADA Control Symbol Automated Switch Indicator SCADA Control popup Figura 3 Operação de chaves controladas pelo SCADA através da visualização de Rede outro problema de coordenação. Muitas destas chaves têm alguma inteligência e podem se comunicar uma com a outra para isolar falhas e restaurar as seções saudáveis da rede. Contudo, sem a integração total de um IDMS estas chaves não terão ciência da completa visualização em tempo real da rede ou das previsões de carga e, portanto estes automatismos devem ser extremamente conservadoras em suas ações. Integrando-se as chaves controláveis remotamente ao SCADA dentro das funções de otimização da Rede e a capacidade de manobra automatizada do IDMS, pode-se obter um resultado muito mais efetivo, reduzindo-se assim o número de consumidores afetados pelas interrupções e inclusive levando-se em conta, se for o caso, o grau de prioridade de alguns consumidores. A visualização integrada da rede possibilita que as operações do SCADA sejam realizadas diretamente nas telas padrão, evitando-se a necessidade de abrir ou mover para telas separadas como mostra a Figura 3. Gerenciamento de Interrupções: O processo de gerenciamento de interrupções não planejadas é frequentemente iniciado pelo consumidor ao ligar para o Call Center da empresa para reportar a falta de energia. O consumidor é identificado ou pelo número de telefone ou por digitar um número de conta. O endereço elétrico do consumidor é a identificação do ponto na rede elétrica ao qual o consumidor está conectado. Isto corresponde tipicamente ao transformador de distribuição mais próximo do consumidor. Baseado nesta informação, um modelo de conectividade da rede é utilizado para realizar uma previsão inicial do dispositivo de proteção que interrompeu a falha. O IDMS aperfeiçoa grandemente a capacidade de previsão da localização da falta 5

7 levando-se em consideração todas as outras informações que possam estar disponíveis agora para analisar o problema: - Eventos do SCADA identificando operações de chaves - Informações atuais de falta a partir de relés digitais - Informações de tele-medição vinda dos detectores de falta - Medidores digitais indicando quais consumidores foram afetados Figura 4 Telas do Gerenciamento de Faltas e correspondente visualização da Rede Além de melhorar o desempenho na previsão e localização da falta, as ferramentas de visualização da rede permitem que informações sobre a natureza e extensão da falha possam ser mostradas nas telas em tempo real. Esta ferramenta proporciona enorme ajuda ao operador no processo de recomposição da rede e na coordenação das equipes de campo, responsáveis pelos reparos, particularmente em situações onde falhas múltiplas tenham ocorrido em locais próximos. Análise e Otimização da Rede: O núcleo das funções de Análise e Otimização da Rede é o Fluxo de Energia da Distribuição (FED), o qual determina as tensões complexas e fluxos de energia para todos os nós do alimentador da rede de distribuição. Além do Fluxo de Energia de Distribuição as seguintes funções também são realizadas: Análise da Qualidade da Energia determina o grau de violações de tensão para cada nó de alimentador 6

8 Análise de Perda determina as perdas incorridas em cada elemento de rede Análise de Curto Circuito Calcula a corrente máxima de curto circuito para cada nó de alimentador na rede. Previsão de Carga Modelagem de cargas e a previsão de cargas individuais e do alimentador. Localização da Falha utiliza informações a partir dos relés de proteção e detectores de falha para determinar a provável localização de falha em um alimentador. Figura 5 Previsão da Localização da Falha através da exibição de informações do relé e do detector da falta O modelo abrangente e as ferramentas de análise da rede do IDMS são capazes de gerenciar uma rede complexa incluindo-se geração distribuída, armazenamento e dispositivos de gerenciamento da demanda de forma uniforme e consistente. A combinação com as ferramentas de visualização da rede fornece um elevado nível de gestão e suporte para a implementação de um Smart Grid. Procedimentos de Operação: Os procedimentos de operação são o processo formal de documentação e execução das alterações de operação na rede com o propósito de manutenção, reconfiguração da rede, restauração de interrupções não planejadas e aumento da rede de distribuição. O núcleo dos Procedimentos de Operação é a Ordem de Operação, uma lista estruturada de instruções de manobra que é utilizada para registrar e coordenar a operação entre o operador da sala de controle e o pessoal de campo. Ordens de Operação podem ser criados de forma manual ou gerados automaticamente pelas funções de Otimização da Rede, funções de operação automatizada e restauração de alimentador. Na abordagem manual o IDMS permite que 7

9 Ordens de Operação sejam rapidamente criadas clicando-se no dispositivo requerido no diagrama de rede. Depois que uma Ordem de Operação for criada, a mesma poderá ser verificada através de sua execução em versão de modo de estudo do modelo de rede no IDMS. Deste modo, cada passo poderá ser totalmente analisado a fim de detectar quaisquer violações ou outros impactos na rede. Uma vez que a Ordem de Operação tenha sido verificada, ela poderá ser executada. O IDMS permite que a execução seja realizada diretamente no modelo e telas em tempo real. A operação a partir do SCADA pode ser realizada pelo operador utilizando-se a interface SCADA. Os passos da operação manual são coordenados com as equipes de campo e o reconhecimento do operador para confirmar a operação de campo e replicando a operação nas telas do SCADA em tempo real. Deste modo, o modelo em tempo real acompanha paripassu a rede real e o impacto das operações são claramente exibidos. Monitoramento e Envio das Equipes: A designação de equipes nos casos de faltas e o monitoramento de suas localizações e estados atuais poderão ser avaliados diretamente nas telas de Gerenciamento de Faltas ou na visualização da rede em tempo real. Símbolos para acompanhamento das equipes poderão ser posicionados na visualização geográfica da rede ou na visualização Geral das Informações de Faltas. Cores podem ser utilizadas para indicar a situação das equipes. O tipo de veículo, nomes das equipes e estado das tarefas são exibidos na Figura 6 como uma ferramenta de operação. A facilidade de busca permite a rápida identificação de qualquer equipe pelo nome, tarefa ou identificação do caminhão. Figura 6 Visualização das informações de localização e designação das Equipes na Rede Operação Automatizada e Restauração do Alimentador: Esta função gera os planos de operação que isolam as faltas, restaurando com otimização as seções saudáveis da rede e reconfigurando-a de maneira a mitigar as sobrecargas, as violações de tensão e o desequilíbrio dos alimentadores. As funções de restauração tomam as condições anormais do sistema como entradas e fornecem planos de operação baseados na operação de dispositivos que possam ser 8

10 remotamente e manualmente controlados. Os planos propostos podem ser enviados para o aplicativo de Operações de Chaves ou, em alguns casos, executados automaticamente. As funções são capazes de realizar transferências de cargas complexas que não seriam fáceis de determinar manualmente. Ao restaurar um alimentador, as funções envolvem não somente os alimentadores adjacentes, mas também aqueles próximos aos adjacentes. Portanto, se um alimentador vizinho possuir reserva insuficiente para tomar uma área morta, será possível transferir a carga deste alimentador para outro a fim de aumentar sua reserva e assim permitir que este possa absorver a área sem energia. As funções de reconfiguração seguem regras práticas e objetivos de isolar, restaurar ou reconfigurar a rede e, a cada passo do processo, realizar a verificação dos limites necessários para assegurar a operação normal. A análise e otimização baseadas nos dados disponíveis em tempo real e coordenadas em toda a rede de distribuição aprimoram muito as capacidades da rede e oferecem melhora significante no desempenho. Os custos operacionais totais da rede serão reduzidos permitindo determinar com maior precisão, as cargas e reduzindo a necessidade de grandes reservas de contingências. Controle Automatizado de Volt/VAR: A função de controle automatizado de Volt/Var controla capacitores e reguladores de tensão para melhorar a operação da rede e atingir os objetivos operacionais especificados. As perdas de rede são reduzidas através da minimização da transmissão de energia reativa. As perdas de excitação dos transformadores de distribuição são reduzidas. A capacidade da rede de distribuição existente será maximizada e poderá postergar os gastos com ampliações na rede. Cargas dependentes de tensão poderão ser ativamente gerenciadas para diminuir os picos do sistema, reduzir cargas como parte de um programa de gerenciamento de demanda ou melhorar a economia da rede durante os períodos de carga leve. A qualidade da energia pode ser mantida através do gerenciamento dos perfis de tensão dos circuitos de distribuição. 9

11 Orignal VVO Local Figura 7 Efeito do controle de Volt/Var do IDMS (VVO) sobre a demanda da subestação O controle de Volt/Var da rede de distribuição também pode aprimorar a confiabilidade da rede de transmissão associada, minimizando os impactos reativos de energia, fornecendo suporte reativo a fim de melhorar a estabilidade de tensão e reduzir a demanda durante as condições de pico de carga. O aspecto crítico para se atingir um resultado realmente efetivo a partir de Volt/Var automatizado é que os comandos de controle devem ser baseados na análise de uma área significativa da rede de distribuição e as alterações devem ser coordenadas em todos os dispositivos ativos reguladores. O método tradicional de controlar individualmente os dispositivos reguladores de tensão através de medições locais é incapaz de alcançar o nível de desempenho de rede com o controle automatizado e geral. Contudo, o IDMS é capaz de utilizar o modelo em tempo real da rede inteira para otimização da análise e pode controlar todos os dispositivos simultaneamente. A Figura 7 mostra um gráfico da demanda em uma subestação de distribuição (kw) por um período de 24 horas para os três casos: sem controle, controle local de dispositivos e controle coordenado via IDMS. Como se pode observar no gráfico, o IDMS é capaz de fornecer uma redução de % na demanda total sobre os métodos convencionais. 10

12 Infra-estrutura Avançada de Medição (AMI): Para muitas concessionária, a medição Automatizada dos Consumidores é o principal foco da implementação do Smart Grid. A instalação dos medidores eletrônicos e automatizados em cada consumidor proporciona a oportunidade de se obter muito mais informação sobre a operação da rede sendo muito importante que o IDMS seja capaz de explorar completamente estes dados. A exibição dos dados de cada medidor via AMI na visualização de rede fornece meios altamente eficientes para visualizar o estado do medidor em combinação com os dados de todos os outros elementos da rede como indica a Figura 8. O AMI pode aprimorar a operação do IDMS dos seguintes modos: Maiores detalhes e constantes informações dos perfis de carga do cliente utilizando as leituras em intervalos reduzidos do AMI ao invés dos dados de uma única leitura mensal para adaptar os perfis de carga armazenados. Exatidão do fluxo de energia da distribuição através da comparação dos dados atuais de carga com a alocação dos fluxos de circuitos monitorados pelo SCADA. Uma vez que o tratamento de dados do AMI é feita em tempo real, os dados de carga podem ser diretamente utilizados pelo software de Fluxo de Energia da Distribuição, aumentando a exatidão dos resultados em toda a rede. Uma vez que a recuperação de dados do AMI é feita em tempo real, será possível validar e melhorar o modelamento da resposta de voltagem de carga e das características de captura de carga fria. Os modelos de carga sendo continuamente adaptados com base nas leituras de AMI irão proporcionar uma base muito superior para o planejamento de atividades de operação em prazos mais longos. Mensagens automáticas de faltas vindas dos medidores de AMI irão auxiliar na identificação e consequente redução das durações de interrupção na rede uma vez que a extensão verdadeira das interrupções serão conhecidas antes mesmo dos clientes realizarem chamadas. A interrogação seletiva dos medidores de AMI permitirá uma determinação mais exata da extensão da falta e a verificação integral da atividade de restauração. Redução dos gastos operacionais evitando a utilização das equipes para apoiar na resolução de assuntos relativos a identificação do local da falta. Melhora na qualidade do modelo de rede através da identificação dos erros de conexão do cliente sem a custosa verificação manual. Auxílio na identificação de perdas não técnicas, uma vez que os fluxos de energia podem ser comparados com os valores esperados. O IDMS é uma ferramenta altamente eficiente para a utilização e exibição das informações do AMI e, ao mesmo tempo, o IDMS é capaz de explorar estas informações para melhorar a operação geral da rede. 11

13 Figura 8 Exibição dos Medidores Automatizados indicando o estado de energização Simulação e Treinamento: A arquitetura do IDMS permite que o Simulador de Treinamento do Operador seja fornecido utilizando-se os mesmos componentes de software, interfaces e Interface de Usuário que o sistema de gerenciamento de rede em tempo real e representa exatamente o comportamento e a resposta do sistema real. Deste modo, os operadores podem ser totalmente treinados em todos os aspectos operacionais de rede sob situações de rotina e de emergência. A exatidão do simulador de treinamento possibilita que este seja utilizado para desenvolver e validar as estratégias de operação do Smart Grid. Desenvolvimento Atual: A Southern Company e a Alabama Power Company, em conjunto com a AREVA, estão aumentando seus investimentos em SCADA de Distribuição, automação extensiva dos alimentadores e capacitores, GIS, Sistema de Gerenciamento de Faltas (OMS), dados móveis, e agora com a integração do AMI a fim de desenvolver, empregar e demonstrar o primeiro e mais completo Sistema de Gerenciamento de Distribuição Integrada (IDMS). Outras empresas públicas de distribuição poderiam utilizar o resultado deste projeto como guia para eventualmente instalar e utilizar os elementos que conduzem a um IDMS. Este projeto preenche o espaço entre as operações atuais e os sistemas Smart Grid de um futuro próximo. A apresentação descreve o IDMS e seu papel nas implementações do Smart Grid. O projeto do IDMS é co-financiado pelo US Department of Energy (DOE) GridWise Initiative e pelo Electric Power Research Institute (EPRI). O GridWise Alliance é um fórum onde as empresas do setor elétrico podem trabalhar em cooperação sobre um conjunto comum de assuntos. Ele proporciona soluções tecnológicas para suportar a visão do DOE de um sistema elétrico transformado. O DOE considera o IDMS como a plataforma de operação de distribuição da próxima geração para auxiliar no aumento da habilidade do país em fornecer um serviço elétrico mais confiável. 12

14 Conclusão: As expectativas do Smart Grid estão aumentando a pressão sobre todos os aspectos da operação de rede para alcançar um desempenho melhor. Uma vez que os níveis de automação da rede aumentam, também aumenta a necessidade de modelamento preciso em tempo real além de uma visualização eficiente. O desenvolvimento em direção ao AMI é um componente chave do Smart Grid e significa que ele se tornará uma ferramenta primordial para a observabilidade da operação do sistema em tempo real e para a resposta sob demanda do ssitema elétrico. A necessidade de capacidades de soluções automáticas de auto-cicatrização em todos os dispositivos utilizados em campo envolve um alto nível de conhecimento da conectividade em tempo real da rede combinada com as ferramentas de análise que possuem acesso às informações disponíveis. A habilidade em gerenciar a ampla introdução de dispositivos de geração distribuída, armazenamento de energia e sistemas de gestão da demanda requer funções avançadas de análise e controle amplas para toda a rede. A infra-estrutura regulamentada e as pressões competitivas irão exigir níveis cada vez mais altos de desempenho e confiabilidade da rede. É dentro deste ambiente de mudanças em grande escala na operação de rede, conhecido como Smart Grid, que o IDMS proporciona uma plataforma muito eficiente para o monitoramento e supervisão das redes de distribuição de energia.. 13

15 BIBLIOGRAFIA [1] Meir Shargal, Smart Grid: Leveraging Technology to Transform T&D Operating Models, Energy Pulse forum, 14