Desenvolvimento de Software para Gerenciamento e Análise dos Distúrbios da Qualidade da Energia Elétrica em Redes de Distribuição

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1 Desenvolvimento de Software para Gerenciamento e Análise dos Distúrbios da Qualidade da Energia Elétrica em Redes de Distribuição Job de Figueiredo S. Alves; Thais M. Abadio; Felipe T. Vicente; José Rubens M. Jr.; Carlos Eduardo Tavares; Isaque N. Gondim; Arnaldo José F. Rosentino Jr; João Areis F. Barbosa. Jr. Resumo Este artigo apresenta os principais resultados de um projeto de pesquisa e desenvolvimento voltado para a análise dos impactos dos distúrbios da qualidade da energia elétrica (QEE) em redes de distribuição, no qual foram desenvolvidos dois sistemas computacionais específicos. O Sistema de Gestão de Medições de Parâmetros da Qualidade da Energia Elétrica SigQEE, teve como objetivo a gestão dos resultados das medições de parâmetros da QEE, realizadas em mais de 2000 pontos distintos em cinco distribuidoras do Grupo Energisa. O Power Quality Analyzer - PQA, ambiente de simulação computacional, permite avaliar os impactos dos distúrbios da QEE causados por cargas perturbadoras, assim como realizar estudos associados com a propagação dos fenômenos associados à QEE nas redes de distribuição. Palavras-chaves PRODIST, Campanha de Medição, Simulador Computacional, Qualidade da Energia Elétrica. I. INTRODUÇÃO A preocupação com a qualidade do fornecimento da energia elétrica é uma questão que vem se destacando cada vez mais nos últimos anos, sobretudo devido à combinação de fatores, tais como: maior esclarecimento por parte dos consumidores, a grande dependência de equipamentos eletroeletrônicos nas residências, comércios e indústrias e o aumento da sensibilidade desses mesmos componentes frente aos desvios da tensão de alimentação em relação ao padrão esperado como ideal [1]. Tais desvios, dependendo de sua severidade, podem acarretar sérios danos aos dispositivos, provocando desde a queima de eletrodomésticos até reflexos econômicos devido a paradas das linhas de produção industrial. Esse fato tem motivado uma grande discussão envolvendo pesquisadores, engenheiros e agentes reguladores, quanto ao estabelecimento de limites e indicadores para os diversos fenômenos associados a qualidade da energia elétrica, a exemplo do módulo 8 do PRODIST da ANEEL [2]. A inserção cargas potencialmente perturbadoras, sem prévia consulta das concessionárias, podem comprometer a qualidade da energia elétrica na rede de distribuição, causando impactos como o mau funcionamento de máquinas e equipamentos, aumento das perdas elétricas, etc. A ausência de informações sobre estas cargas, bem como de programas computacionais para simulação dos impactos da conexão das mesmas nos sistemas de distribuição, dificultam o desenvolvimento de ações mitigadoras prévias por parte das distribuidoras de energia elétrica. Buscando-se um equacionamento para tais questões, a seção 8.3 do PRODIST, a qual trata das Disposições Transitórias, propõe: a implantação dos indicadores de qualidade do produto para os fenômenos harmônicos, desequilíbrio de tensão, flutuação de tensão e variação de tensão de curta duração; o estabelecimento dos valores limites para os parâmetros definidos; a realização de campanhas de medições dos indicadores de qualidade definidos, e por fim, a definição de ferramentas ou programas computacionais para simulações e cálculos, a serem avaliados pela ANEEL [2]. Diante do exposto, surge o presente trabalho, o qual objetiva oferecer um instrumento balizador para tomada de decisão das concessionárias quando da conexão de cargas potencialmente perturbadoras aos seus sistemas. Esta ferramenta contribuirá para as futuras decisões de aprimoramento regulatório a serem tomadas pela ANEEL. Para tanto, foi realizada uma campanha de medição em pontos estratégicos de toda a rede de distribuição das áreas de concessão de cinco diferentes distribuidoras do Grupo Energisa, quais sejam: Energisa Paraíba, Energisa Sergipe, Energisa Borborema, Energisa Minas Gerais e Energisa Nova Friburgo. Esta campanha de medição fornece informações detalhadas sobre as atuais condições da qualidade da energia elétrica nos sistemas de distribuição do grupo Energisa, frente aos indicadores já estabelecidos. Dada a quantidade massiva de registros de medições oriundos desta campanha, foi identificada a necessidade de desenvolvimento de um programa para gestão e análise destas informações. Nesse sentido, foi então desenvolvido o Sistema de Gestão das Medições dos Parâmetros da Qualidade da Energia Elétrica - SigQEE. Este programa permite a visualização gráfica de todas as grandezas de um determinado ponto medido, assim como a emissão de relatórios. Adicionalmente, foi desenvolvido um segundo aplicativo computacional, baseado em técnicas de modelagem no domínio do tempo, denominado Power Quality Analyzer (PQA). Este programa é capaz de simular, através de modelos elétricos equivalentes de cargas perturbadoras, os possíveis impactos da conexão destas cargas na rede elétrica da concessionária, permitindo analisar, de forma preventiva, a necessidade de exigência de ações mitigadoras. A aplicabilidade do PQA para análises relativas à conexão de cargas perturbadoras nas redes de distribuição em baixa tensão e em média tensão são indicados na Fig. 1 e Fig. 2, respectivamente.

2 dos alimentadores de distribuição em 3 (três) regiões distintas, as quais foram identificadas pelo comprimento do tronco do circuito primário, conforme indicado na Fig. 3. A primeira região elétrica, correspondeu ao trecho localizado entre 0 e 30% do comprimento L do alimentador. Já a segunda região, foi delimitada entre 30 e 70% do mesmo comprimento, enquanto a terceira região abrangeu a parte final do alimentador, ou seja, entre 70 e 100% de seu comprimento. Fig. 1. Aplicabilidade do PQA em redes de distribuição em baixa tensão. Fig. 3. Regiões de abrangência das medições por alimentador de distribuição. Além disso, as medições foram classificadas de acordo com o local da medição a ser realizada. Definindo-se quatro pontos estratégicos: Fig. 2. Aplicabilidade do PQA em redes de distribuição em média tensão. II. CAMPANHA DE MEDIÇÃO E BANCO DE DADOS PARA GERENCIAMENTO DAS INFORMAÇÕES A campanha de medição realizada no sistema de distribuição do grupo Energisa possibilita o conhecimento das reais condições de operação das redes elétricas da concessionária, tanto no que se refere ao perfil de consumo de seus clientes, quanto aos indicadores da qualidade do produto. O conhecimento destas informações é extremamente importante para a política de planejamento da empresa, no que se refere a realização de obras de manutenção, expansão de rede, remanejamento de cargas e, principalmente, no atendimento aos padrões recomendados pelo Poder Concedente. Dentre os vários fatores envolvidos que nortearam o planejamento de uma campanha de medição sobre QEE, pode-se destacar: Quantidade e diversidade de consumidores; Tipo e quantidade de medidores a serem utilizados; Quantidade de equipes para a instalação dos medidores; Duração de cada medição e da campanha de medições. Buscando viabilizar a realização da campanha de medição, de forma que a mesma contemplasse a maior diversidade de consumidores e regiões elétricas possíveis, o critério adotado para a alocação dos medidores tomou por base a segmentação Tipo 1: secundário dos transformadores de distribuição (TRD); Tipo 2: ponto de derivação (poste) do ramal de ligação de consumidores de baixa tensão (CLB); Tipo 3: consumidores de média tensão (A4 e A3a) (CLM); Tipo 4: secundário dos transformadores de força das subestações. Os quatro tipos de medições consideradas na campanha são mostrados na Fig. 4. Fig. 4. Tipos de medições consideradas. Uma vez identificada a diversidade de consumidores e regiões elétricas, bem como os tipos de medições a serem realizadas, determinou-se a quantidade necessária e os tipos de medidores a serem utilizados durante a campanha, conforme a seguir: 40 medidores de tensão e parâmetros de qualidade da energia elétrica tipo IP65. Definiu-se tais medidores como sendo medidor do tipo A, conforme indicado na Fig. 5 (a); 17 medidores de tensão, corrente e parâmetros de qualidade da energia elétrica tipo IP65. Definiu-se tais

3 medidores como sendo medidor do tipo B, conforme mostra a Fig. 5 (b); 3 medidores de tensão, corrente e parâmetros de qualidade da energia elétrica para uso abrigado (medidor tipo C). Definiu-se tais medidores como sendo medidor do tipo C, conforme apresenta a Fig. 5 (c). Falhas de procedimento das equipes terceirizadas, responsáveis pela instalação dos medidores, apesar do intensivo treinamento realizado. Por exemplo, pode-se citar a conexão ruim de garras de tensão em cabos piloto (destinados à iluminação pública) dos circuitos de BT, resultando registros conforme mostrado na Fig. 7; Problemas de hardware, levando à necessidade de recall em alguns medidores; Falhas nos conectores de tensão devido aos efeitos de oxidação das garras, conforme apresenta a Fig. 8. (a) Medidor tipo A: Medidor de tensão (IP65) (b) Medidor tipo B: Medidor de tensão e corrente (IP65) (c) Medidor tipo C: Medidor de tensão e corrente (uso abrigado) Fig. 5. Medidores utilizados na campanha de medição nas redes de distribuição do grupo Energisa Os equipamentos utilizados durante a campanha de medição permitem o registro das seguintes grandezas: Tensão eficaz; Corrente eficaz (apenas medidores do tipo B e C); Variações de tensão de curta duração (EMT e AMT); Registro dos perfis RMS de tensão associados a eventos; Desequilíbrio de tensão; Flutuação de tensão (Pst e Plt); Distorções harmônicas totais e individuais até a 50ª ordem; Potência aparente, ativa e reativa (apenas medidores do tipo B e C); Fator de potência (apenas medidores do tipo B e C); Frequência. Outro fator essencial para realização da campanha de medição consistiu no treinamento das equipes de campo para a correta parametrização, instalação e retirada dos medidores, e exportação dos dados obtidos. A Fig. 6 mostra medidores instalados pela equipe de campo no centro de treinamento da empresa. Fig. 6. Medidores instalados no centro de treinamento da empresa. Durante a campanha de medição, foram constatadas algumas falhas, conforme destacadas a seguir: Fig. 7. Falha de procedimento com instalação da garra de tensão da fase A no cabo piloto de iluminação pública. Fig. 8. Oxidação das garras de tensão dos medidores. Estas falhas resultaram em constantes perdas de registros e consequentes retrabalhos, onerando substancialmente os custos e os prazos de instalação dos medidores. Dessa forma, para campanhas de medições subsequentes é essencial o uso de outros medidores a fim de detectar se os problemas estão vinculados mais a falhas do próprio medidor, ou a falhas de procedimento. Após a realização da campanha de medição nas redes de distribuição do Grupo Energisa, a próxima etapa consistiu no armazenamento, análise e processamento do grande volume de dados adquiridos. Para tanto, foi desenvolvido um Sistema de Gestão de Medições de Parâmetros da Qualidade da Energia Elétrica (SigQEE). O aplicativo SigQEE, além de unir todas as informações das medições, possui diversas ferramentas e funcionalidades de gerenciamento, as quais permitem: Visualização gráfica das informações; Exportação dos gráficos e dos dados das medições; Comparação de resultados de diferentes consumidores; Agrupamento dos dados por tipo de medição;

4 Agrupamento das informações por unidade consumidora; Agrupamento das informações por tipo de grandeza; Relatório gerencial; Relatório de medição de cada unidade consumidora; Tabela de eventos por instalações; Parametrização dos limites dos indicadores de qualidade. A título de ilustração, a Fig. 9 mostra a tensão eficaz de um consumidor no SigQEE. Já a Fig. 10 apresenta um relatório de medição de uma unidade consumidora, sintetizando os principais indicadores de qualidade da energia elétrica. simulações no domínio do tempo visando facilitar a avaliação técnica dos impactos da inserção e retirada de cargas perturbadoras da rede elétrica, assim como os impactos da propagação de distúrbios elétricos nas redes de distribuição da concessionária. A Fig. 11 apresenta a interface gráfica do programa PQA, desenvolvida em linguagem C#, a qual é composta por uma área para edição e montagem do circuito elétrico da rede de distribuição. Nesta área específica do programa, todos os comandos e campos são dispostos de forma direta e prática, onde o usuário visualiza facilmente os instrumentos ou opções de trabalho. Barra de Ferramentas Barra de Componentes do Sistema Area de Desenho Fig. 7. Representação da tensão eficaz de uma instalação no programa SigQEE. Fig. 11. Interface gráfica do PQA No módulo de configuração do sistema são disponibilizados componentes como: fonte de tensão, transformadores, banco de capacitores, dispositivos de manobra e proteção (disjuntor, chave-fusível e para-raios), cargas P e Q, cabos elétricos, distúrbios da QEE, analisador da qualidade da energia elétrica e o próprio consumidor. Já o módulo de edição permite a caracterização dos principais parâmetros dos dispositivos e fenômenos elétricos constituintes do sistema elétrico. Para que a montagem do sistema se torne prática, apenas os dados essenciais de cada componente são solicitados, ou seja, algumas propriedades, são calculadas internamente através de equações clássicas. Por exemplo, pode-se citar o caso das características não lineares de transformadores e pararaios. Outra opção, que torna o programa ainda mais prático, consiste na disponibilização de um banco de dados prédefinido para alguns componentes. As cargas lineares e não lineares existentes nas redes de distribuição foram modeladas no domínio do tempo, e inseridas no PQA, com o objetivo de analisar seu impacto na rede elétrica de uma forma mais próxima da realidade. Dentre estas pode-se destacar: sistema fotovoltaico, máquina de solda, motor trifásico, carga hospitalar, sistema eólico. Algumas das cargas modeladas e implementadas são indicadas pela Fig. 12. Fig. 8. Relatório de medição de uma unidade consumidora no programa SigQEE. IV. PROGRAMA POWER QUALITY ANALYZER - PQA O aplicativo computacional denominado PQA (Power Quality Analyzer) foi implementado de forma a proporcionar Sistema Fotovoltaico Maquina de Solda Motor Trifásico Carga Hospitalar Fig. 12. Cargas lineares e não lineares modeladas no programa PQA

5 Além de possibilitar a análise do impacto de qualidade de energia elétrica causado por cargas potencialmente perturbadora, o PQA proporciona a avaliação dos impactos causados pela propagação de distúrbios da qualidade da energia elétrica ao longo da rede de distribuição. Este estudo permite para a concessionária uma melhor análise de seus planos de expansão e melhorias de rede, e estabelecer as possíveis causas de perturbações no sistema de distribuição. A Fig. 13 mostra a tela, destacando as fontes de distúrbios de qualidade da energia elétrica implementadas no PQA, tais como: variações de tensão de curta duração (VTCD), flutuações de tensão, distorções harmônicas, desequilíbrios. Observa-se que o programa permite ainda, a inserção de medições das tensões reais verificadas nos barramentos do sistema. É importante salientar que tanto as modelagens das cargas lineares e não lineares, bem como os tipos de distúrbios implementados no PQA foram validados, comparando-se com resultados obtidos no programa ATP/EMTP. Scc 3700 MVA 138 kv Trafo SE 13,8 kv 13,8 kv Trafo DT 220 V 220 V 220 V 40 MVA 112,5 kva Cabo de Aluminio X: 20,6 % R: 3,2% Cabo de Aluminio 201 mm² 0,9 Km X: 3,2 % R: 1,4% Medidor 53 mm² 0,1 Km Y Fig. 14. Rede de distribuição empregada para os estudos computacionais. Conforme pode ser observado na Fig. 14, no aplicativo PQA foi desenvolvido um medidor, o qual propicia diversas análises, tais como: desequilíbrios de tensão, distorção harmônica total e individual de tensão e corrente, potência aparente, ativa e reativa, fator de potência, variação de tensão de curta duração (VTCD), flutuações de tensão, DRP e DRC. Assim, através desse medidor computacional, é possível monitorar e avaliar impactos de novas cargas perturbadoras a serem conectadas na rede elétrica sob análise. Nesse sentido, após a simulação do caso em pauta, a Fig. 15 (a) e (b) mostram, respectivamente, as formas de onda da tensão e da corrente no ponto de conexão. A Fig. 16 mostra a potência aparente da carga em estudo. Y Fig. 13. Fonte de distúrbios da qualidade da energia elétrica PQA Em fase de desenvolvimento, encontra-se uma ferramenta para extração de dados da rede elétrica representada no cadastro georeferenciado da distribuidora. Este aplicativo permitirá a importação de circuitos secundários, alimentadores e subsistemas elétricos de forma direta, e consequentemente otimizará tempo para a construção do diagrama elétrico no programa. (a) V. ESTUDO DE CASO UTILIZANDO O PROGRAMA PQA Para fins de ilustração da potencialidade e do processo de aplicação da metodologia e do programa PQA, a Fig. 14 mostra a modelagem de uma rede de distribuição, contemplando a conexão de uma carga hospitalar em um circuito secundário de baixa tensão. Este caso corresponde a um estudo hipotético da conexão de um aparelho de ressonância magnética, onde será analisado seu impacto na rede elétrica. (b) Fig.15. Formas de onda da tensão e corrente na entrada do Aparelho de Ressonância Magnética. Fig.16. Potência Aparente do Aparelho de Ressonância Magnética. A tensão eficaz é apresentada juntamente com as faixas definidas no Módulo 8 do PRODIST, conforme indicado pela Fig. 17. Observa-se que após a inserção do equipamento de

6 ressonância, a tensão eficaz permaneceu na faixa adequada durante todo o tempo. Fig.17. Tensão RMS na entrada do Aparelho de Ressonância Magnética. No que tange ao desequilíbrio de tensão, para o nível de tensão de 220V, recomenda-se um valor até 2%. A Fig. 18 destaca que após a inserção da carga, verificou-se um desequilíbrio de aproximadamente 0,5%, portanto, dentro do limite adequado. Fig.18. Desequilíbrio de tensão na entrada do Aparelho de Ressonância Magnética. Por fim, os resultados para as distorções harmônicas de tensão e corrente para o caso apresentado encontram-se na Fig. 19 (a) e (b), respectivamente. Observa-se que os limites de distorção total e individual de tensão (barras amarelas) não foram superados em qualquer uma das fases. Por exemplo, tomando-se a distorção total de tensão, o maior valor foi de aproximadamente 1,25% na fase B. Para baixa tensão, recomenda-se um valor até 10%. No que tange, distorção harmônica corrente, não há limites recomendados pelo PRODIST. Para a fase A, por exemplo, a distorção harmônica total de corrente foi em torno de 40%. Uma estratégia de campanha de medição e um aplicativo (SigQEE) para gerenciamento dos dados obtidos foram apresentados neste trabalho. O aplicativo foi empregado para avaliar o desempenho da rede elétrica em relação as normas e recomendações vigentes no Brasil. Uma segunda etapa do projeto consistiu em desenvolvimentos e modelagens computacionais representativas dos equipamentos encontrados nas redes de distribuição de energia, resultando em programa de análise da qualidade da energia elétrica, denominado PQA. A análise da consistência dos desempenhos obtidos pelo aplicativo PQA ofereceram resultados iniciais bastante consistentes com a proposição inicial do projeto. Vários outros testes avaliativos, empregando distintos arranjos de distribuição, equipamentos e distúrbios, foram realizados. Não obstante o fato de que os autores reconheçam o bom desempenho obtido pelos aplicativos desenvolvidos, reconhece-se a necessidade de investigações complementares para a consolidação do processo e melhorias das ferramentas disponíveis a exemplo da possibilidade de importação dos parâmetros de uma rede elétrica real através do sistema georeferenciado das distribuidoras. A realização das campanhas de medição, até o momento, além de ter apontado o nível de complexidade envolvido nesse tipo de proposta de trabalho de campo, tem permitido a realização de análises para avaliação de desempenho através do programa PQA. VII. REFERÊNCIAS [1] WANG, Y. J. Analysis of Effects of Three-Phase Voltage Unbalance on Induction Motors with Emphasis on the Angle of the Complex Voltage Unbalanced Factor. IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 16, no. 3, 2001, p [2] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica PRODIST, Módulo 8 Revisão 4, 2011, p [3] NRS Part 2: Voltage characteristics, compatibility levels, limits and assessment methods, 2003, P [4] MACEDO Jr, José Rubens; Gondim, I. N; Barbosa Jr, João A. F; Arnaldo J. P. Rosentino Jr; Tavares, C. E. Practical Aspects of Performance Tests on Power Quality Analyzers. Renewable Energy & Power Quality Journal (RE&PQJ), v. 10, p , (a) (b) Fig.19. Distorção Harmônica de Tensão e de Corrente na entrada do Aparelho de Ressonância Magnética. VI. CONCLUSÕES