Programa de Análise Confiabilidade de Alimentadores de Distribuição

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1 Programa de Análise Confiabilidade de Alimentadores de Distribuição Otavio H. S. Vicentini, Airton Violin, Cícero Lefort FUPAI Fundação de Pesquisa e Assessoramento a Indústria otaviohsv@hotmail.com Manuel L. B. Martinez, Renata Bachega, Marco Saran UNIFEI Universidade Federal de Itajubá martinez@iee.efei.br Renato Oling, Hermes R. P. M. de Oliveira AES Sul Distribuidora Gaúcha de Energia S. A. renato.oling@aes.com Resumo: O objetivo deste trabalho é aresentar um rograma comutacional ara o cálculo de índices de confiabilidade (FIC, DIC, FEC e DEC) de sistemas de distribuição, desenvolvido através de um rojeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D). Esse rograma ermite calcular enalidades e custo médio anual das interruções e comara-las com metas de continuidade estabelecidas ela ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, ara diferentes conjuntos de consumidores, tendo como base, as informações obtidas diretamente da banco de dados da emresa ou através do usuário do rograma. O rograma desenvolvido ermite também alterar as taxas de desemenho e a toologia da rede, e desse modo, realizar uma análise de sensibilidade ara verificar o efeito de diferentes equiamentos de roteção e tios de rede, justificando assim investimentos que odem melhorar a confiabilidade, a qualidade do serviço e reduzir custos de interruções e outros custos. Os rinciais módulos e etaas deste rograma são mostrados neste trabalho, incluindo um exemlo rático com resultados. Palavras Chaves: Programa de Confiabilidade, Redes de distribuição, Indicadores de continuidade. 1. Introdução Aesar de 80% das interruções de energia elétrica ocorrerem nos sistemas de distribuição, a avaliação da confiabilidade desses sistemas nunca recebeu grande atenção até alguns anos atrás. No entanto, com a reestruturação do setor elétrico brasileiro e a rivatização das emresas distribuidoras de energia essa situação mudou. Em 1996, foi criada a ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, que assou a fiscalizar as emresas do setor elétrico e que em 2000 decretou as resoluções RES 024 e RES 522, estabelecendo limites ara os índices de continuidade coletivos e individuais existentes (FEC, DEC, FIC e DIC) e exressões ara o cálculo de multas nos casos de violações dessas metas. Para atender as exigências e metas estabelecidas ela agência reguladora (ANEEL), a maioria das emresas assou a cadastrar digitalmente as suas redes e equiamentos de distribuição assim como todas as incidências e interruções, facilitando assim o desenvolvimento de rogramas e ferramentas comutacionais ara análise de fluxo de otência, curto-circuito e confiabilidade dos sistemas de distribuição. Para avaliar a confiabilidade de sistemas de distribuição freqüentemente são utilizadas duas diferentes análises: (1) Histórica; (2) Preditiva. Através da análise histórica são consideradas as interruções ocorridas em determinados locais e num determinado eríodo de temo. A análise reditiva, or sua vez, determina o comortamento do sistema a longo razo, combinando taxas de falhas dos comonentes e a duração de rearo, restauração e chaveamento ara diferentes equiamentos e sistemas de distribuição. Considerando que estes fatores são, or natureza, aleatórios, é necessário utilizar valores médios calculados a artir das distribuições de robabilidade desses eventos, ou seja, através da análise histórica. Desse modo é ossível calcular índices como, a taxa de falha média (FIC) e a duração acumulada das falhas ou indisonibilidade (DIC) ara cada onto de carga. Entre os métodos existentes ara análise reditiva da confiabilidade de sistemas elétricos ode-se citar a robabilidade condicional, conjuntos mínimos de corte e o rocesso de Markov. Nesse trabalho será aresentada uma ferramenta comutacional ara análise reditiva da confiabilidade de alimentadores de distribuição que utiliza o método de Markov ara o cálculo do FIC e DIC de cada onto de carga existente. O maior desafio desse trabalho foi estabelecer uma interface automática e adrão entre as informações disoníveis no banco de dados da emresa concessionária e o módulo comutacional caaz de reresentar a toologia da rede, sendo isso fundamental ara a análise de confiabilidade em distribuição, considerando o elevado número de comonentes (linhas, chaves, transformadores, etc) que comõem um alimentador.

2 2. Descrição do Programa Comutacional O PCA (Programa de Confiabilidade de Alimentadores) é uma ferramenta comutacional ara análise de confiabilidade de alimentadores de distribuição que ermite calcular os índices de continuidade individuais (FIC e DIC) e de conjuntos de consumidores (FEC e DEC) a longo razo, assim como multas devido a violações de metas de continuidade estabelecidas ela ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. Para realização desses cálculos, o rograma utiliza dados do alimentador e seus comonentes (trechos, chaves, transformadores, etc) obtidos diretamente da base de dados relacional da emresa, e também dados de continuidade que devem ser informados elo usuário do rograma, como taxas anuais e durações médias de interrução, rearo, manobra e manutenção dos diferentes tios de equiamentos e redes existentes, e as metas de continuidade ara os conjuntos de consumidores existentes no alimentador de distribuição em análise. Desse modo, ode-se rever o comortamento do sistema ara diferentes condições de oeração e diferentes equiamentos de roteção ou manobra, avaliando seus resectivos resultados em termos de índices de confiabilidade e suas resectivas enalidades. O rograma está dividido em 6 etaas ou módulos rinciais, como mostra a Fig. (1). Figura 1. Diagrama de Funcionamento do Programa PCA.

3 3. Entrada de dados Na etaa (1), o rograma acessa informações de equiamentos e trechos de um alimentador de distribuição no sistema de gerenciamento de base de dados (SGBD) relacional da emresa. Para isso, são utilizados códigos SQL (strutured query language) e uma interface adrão, denominada ODBC (oen data base conectivity) ara conexão com bancos de dados oracle ou outros tios de bancos relacionais. As informações obtidas nesse rocesso são um vínculo de informações geográficas e diferentes registros alfanuméricos que são armazenados em um arquivo local com o nome do alimentador em análise na estação onde está instalado o rograma. Ao abrir este arquivo, são exibidas informações gerais e um gráfico com a toologia do alimentador, através do qual ode-se visualizar, com diferentes níveis de zoom, a subestação de distribuição, trechos rimários e equiamentos, como transformadores, chaves, religadores, fusíveis, banco de caacitores, etc. Além da reresentação georreferenciada de todos os comonentes, ode-se também visualizar suas rinciais informações e características. Esse tio de recurso comutacional, aliado a outras ferramentas, é denominado automated maing and facilities management, ou simlesmente AM/FM. A Figura (2) mostra a tela inicial aós a abertura de um arquivo de dados do rograma. Figura 2. Tela Inicial do Programa PCA. Na etaa (2), o usuário deve informar taxas e temos médios de interrução, manobra e manutenção referentes a diferentes comonentes de distribuição reconhecidos elo rograma, como tios de rede rimária, equiamentos de roteção, equiamentos de manobra, transformadores de rede, bancos de caacitores e transformadores de distribuição, etc. Essas informações são também armazenadas num arquivo local e devem ser obtidas a artir da literatura técnica, com valores tíicos, ou através da análise do histórico de incidências da emresa distribuidora, o que é mais aconselhado, considerando que esses valores influem diretamente nos índices de continuidade a serem calculados. Na etaa (3), devem também ser informadas as metas de continuidade (DEC, FEC, FIC e DIC) ara cada conjunto de consumidores existente no alimentador de acordo com suas resectivas metas estabelecidas ela ANEEL e as tabelas 2, 3 e 4 da Resolução nº 24 da ANEEL. Com isso, o rograma tem todos os dados de entrada necessários ara o cálculo dos indicadores de continuidade do alimentador. No entanto, antes do início dos cálculos, deve-se realizar um rocesso de identificação que divide os comonentes do circuito em barras e ramos, sendo que as coordenas geográficas são relacionadas as barras, enquanto as rinciais informações de confiabilidade, como taxas e temos médios de interrução, são associadas aos ramos, nos quais serão simuladas falhas durante o rocesso de cálculo, observando os resultados de falhas temorárias, falhas ermanentes, manutenções rogramadas e falhas de roteção ara cada onto de carga existe, que nesse caso, são as barras referentes aos transformadores de distribuição do alimentador.

4 4. Edição de dados Aós a identificação dos comonentes, ode-se editar o arquivo, alterando um ou mais comonentes do circuito através do gráfico do alimentador ou através de menus e listas dos diferentes tios de ramos existentes. Sendo que essas alterações odem ser salvas em outro arquivo. Com isso, ode-se verificar os resultados ara diferentes equiamentos e tios de rede, justificando investimentos e melhorias no sistema. Os rocessos de identificação e edição de comonentes comõem a etaa (4) que antecede a etaa referente aos cálculos Etaa (5). 5. Módulo de cálculo Na etaa (5) são realizados os cálculos dos indicadores de continuidade individual (DIC e FIC) e coletivos (FEC e DEC) através de um rocesso interativo analítico, no qual são simuladas contingências simles em todos os ramos do alimentador, verificando os resultados equivalentes (taxa de falha e duração) ara cada onto de carga, ou seja, o efeito combinado de falhas ermanentes, temorárias, manutenções rogramadas e falhas na atuação de equiamentos de roteção ao longo de um ano, ara cada transformador de distribuição de roriedade da concessionária ou articular. ou As Eq. (1), (2) e (3) são exressões utilizadas no cálculo do FIC e DIC (médios). FIC ( Total) = n = FICF. ermanete + FICManobra + FIC f. roteção DIC ( Total ) = DIC F. ermanete + DIC Manobra + DIC f. roteção (1) (2) DIC n ( Total ) = t( i) 1 (3) Deois de calculados os indicadores individuais (DIC e FIC) ara cada onto de carga, são calculados os indicadores coletivos (DEC e FEC) médios ara cada conjunto e ara o alimentador, de acordo com as exressões mostradas nas Eq. (4), (5), (6) e (7). FEC ( Conjunto ) k = 1 Ca( i) Cc (4) FEC ( A lim entador ) = nc 1 FEC ( conjunto ) i (5) DEC k Conjunto = 1 ( ) Ca( i) t( i) Cc (6) DEC ( Alim entador) = nc 1 DEC ( conjunto) i (7) Onde: DEC = Duração Equivalente de Interrução or Unidade Consumidora, (Conjunto) exressa em horas; FEC = Freqüência Equivalente de Interrução or Unidade Consumidora, exressa em número de interruções e centésimos do número de interruções; Ca(i) = Número de unidades consumidoras interromidas em um evento ( i ), no eríodo de um ano; t(i) = Duração de cada evento (i) em horas, no eríodo de um ano; i = Índice de eventos ocorridos no sistema que rovocam interruções em uma ou mais unidades consumidoras; k = Número máximo de eventos no eríodo considerado;

5 Cc = Número total de consumidores do conjunto considerado; nc = Número de conjuntos no alimentador. Aós o cálculo dos indicadores (valores verificados - FICv, DICv, FEC e DEC), são calculadas suas resectivas multas ara eventuais violações das metas estabelecidas (valores revistos - FIC, DIC, FEC e DEC). Além dos valores verificados, são utilizadas nesses cálculos outras informações, como número de clientes, otência instalada, tensão, conjunto e tio de instalação (urbana/rural) de cada transformador. As Eq. (8) e (9) mostram as exressões válidas ara o cálculo das enalidades médias anuais de FIC e DIC, de acordo com Resolução 24 da ANEEL, enquanto as Eq. (10), (11) e (12) mostram as exressões utilizadas no rograma ara o cálculo das multas anuais médias de FEC e DEC ara cada conjunto e ara o alimentador. Para o DIC: DIC Penalidade = DIC Para o FIC: FIC Penalidade = FIC v v 1 DIC 1 DIC CM k 8760 CM k 8760 (8) (9) Onde: DICv = Duração de Interrução or Unidade Consumidora, verificada num ano em horas; DIC = Metas de continuidade estabelecidas num ano ara o indicador de Duração de Interrução Individual em horas; DMICv = Duração Máxima de Interrução Contínua, verificada, or interrução, em horas; DMIC = Metas de continuidade estabelecidas ara o indicador, or interrução, em horas; FICv = Freqüência de Interrução or Unidade Consumidora verificada, em número de interruções or ano; FIC = Metas de continuidade estabelecidas no eríodo ara o indicador de Freqüência de Interrução or Unidade Consumidora, em número de interruções or ano; CM = Média aritmética do valor das faturas dos consumidores afetados no ano anterior à ocorrência; 8760 = Número médio de horas num ano; k = Coeficiente de majoração, que variará de 10 a 50, e cujo valor, fixado em 10 (dez),oderá ser alterado ela ANEEL a cada revisão ordinária das tarifas. Para o DEC: Penalidade Para o FEC: ( conjunto) DEC = DEC v 1 DEC CM ( 8760 conjunto) k (10) Penalidade Penalidade ( conjunto) ( a lim entador ) FEC = FEC = nc 1 v 1 DEC Penalidade CM ( 8760 nc DECi 1 conjunto) k Penalidade FECi (11) (12) Considerando que as multas de DEC e FEC são calculadas utilizando as exressões válidas ara o DIC e FIC, e que a maioria dos alimentadores é formada aenas or uma arte de um ou mais conjuntos, as multas referentes a esses indicadores ou médias anuais arciais, são aenas valores de referência.

6 Aós o término dos cálculos, o usuário ode também alterar o faturamento e o número de consumidores de cada onto de carga e recalcular os valores das multas, odendo desse modo, rever resultados ara um crescimento de carga eserado. 6. Saída de Dados Na saída de dados do rograma são exibidos relatórios ou tabelas arciais e comletas de FIC e DIC, FEC e DEC; e Multas, com informações de cada transformador de distribuição, além de um gráfico de diagnóstico, no qual é exibida a toologia do alimentador, e cujos ontos de cargas são reresentados em três diferentes cores (verde, amarelo e vermelho) de acordo com a violação da meta de cada transformador, sendo verde os ontos sem violação, amarelos os ontos com violação inferior ou igual a 10 % e vermelho, os ontos com violação suerior a 10 %. Através desse gráfico é ossível observar e searar assim as áreas com roblemas num mesmo alimentador, riorizando maior atenção e investimentos em melhoria ara essas áreas. 7. Exemlo de Alicação do Programa Para exibir o funcionamento e as características do rograma PCA, será mostrado nesse item uma alicação rática do rograma ara análise de confiabilidade de um alimentador de distribuição da concessionária AES Sul do Rio Grande do Sul. O alimentador escolhido ara essa análise foi o alimentador número 5 da Subestação Santa Maria 5, denominado Fernando Ferrari. A Figura (3) mostra a toologia desse alimentador. Figura 3. Alimentador Fernando Ferrari SE Santa Maria 5. As roriedades e equiamentos desse alimentador são mostrados na Tab. (1).

7 Tabela 1. Proriedades e Equiamentos do Alimentador. Dados do Alimentador Potência Instalada [kva] Potência Demanda [kva] 6493 Número de Conjuntos de Consumidores 2 Conjunto 1 : Santa Maria Centro URB Conjunto 2 : Santa Maria Camobi URB Número de Consumidores 3361 Extensão Troncal [km] 4,519 Disjuntores 1 Religadores 0 Chaves de Manobra Sob Carga 6 Chaves de Manobra a Vazio 10 Chaves Fusíveis 112 Transformadores de Distribuição 100 Transformadores de Rede 0 Bancos de Caacitores 1 Reguladores de Tensão 0 Para os diferentes tios de equiamentos e redes desse alimentador, foram utilizados as taxas e temos médios de interrução mostrados nas Tab. (2) e (3): Tabela 2. Taxas e Temos Médios de Interrução de Equiamentos. λ (x/ano) R - Temo de Rearo (h) S - Temo de Manobra (h) SE + Transmissão 0,800 5,0 5,0 Disjuntor 0,050 4,0 1,0 Chave Fusível 0,100 4,0 2,0 Chave de Manobra a Vazio 0,200 12,0 4,0 Chave de Manobra Sob Carga 0,200 12,0 4,0 Banco de Caacitores 0,085 4,0 2,0 Transformador de Distribuição + Rede Séc. 0,250 10,0 2,0 Tabela 3. Taxas e Temos Médios de Interrução de Redes. R m - Temo de Rearo (h) λ (x/ano/km) R - Temo de Rearo (h) S - Temo de Manobra (h) λ m taxa de manutenção Rede Aérea Troncal 0,6 8,0 2,0 0,2 6,0 Rede Aérea Ramal 0,4 8,0 2,0 0,2 8,0 Rede Comacta, Subterrânea e Isolada 0,2 4,0 2,0 0,1 4,0 A Tabela (4) mostra as metas de continuidade dos dois conjuntos existentes nesse alimentador. Tabela 4. Metas de Continuidade or Conjunto. 1 KV < Tensão < 69 kv Tensão < 1 kv e Pinst < 100 kva Conjunto: DEC FEC DIC FIC DIC FIC Santa Maria Centro Urbano Santa Maria Camobi Urbano As Tabelas (5) e (6) mostram os valores médios anuais de DEC/FEC e as multas médias referentes às violações de DIC, FIC, DEC e FEC ara os dois conjuntos existentes e ara todo alimentador.

8 Tabela 5. Valores Médios Anuais de FEC e DEC Calculados ara o Alimentador de Fernando Ferrari. Número de Número de DEC DECv FEC FECv Transformadores Consumidores Santa Maria Centro Urbano 11 44, , Santa Maria Camobi Urbano 52 36, , Alimentador 81,72 20, Tabela 6. Valores Médios Anuais de Multas Calculados ara o Alimentador de Fernando Ferrari. Multa de DEC Multa de FEC Multa de DIC Multa de FIC Multa Total (R$) (R$) (R$) (R$) (R$) Santa Maria Centro Urbano 127,60 0, ,64 0, ,24 Santa Maria Camobi Urbano 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Alimentador 127,60 0, ,64 0, ,24 Pode-se observar que a maior arte (2913,64 reais) da multa desse alimentador é devido a violações da meta de DIC do conjunto Santa Maria Centro Urbano, que ossui 97 transformadores de distribuição (ontos de carga) e 3335 consumidores. A Figura (4) mostra o gráfico de diagnóstico ara os resultados calculados ara esse alimentador. Região com Problemas Figura 4. Gráfico de Diagnóstico de Indicadores de Continuidade Individual. Pode-se observar que a região limitada no final do alimentador é região onde ocorrem as violações da meta de FIC com muitos transformadores em amarelo e vermelho.

9 7.1 Análise de Alternativa de Melhoria Uma alternativa seria investir em equiamentos de roteção, como religadores e chaves fusíveis. Para isso deve-se realizar um estudo de seletividade e coordenação. Nesse exemlo, foram instaladas 5 chaves fusíveis, sendo que 2, substituindo chaves do tio faca (chave de manobra a vazio). A localização desses equiamentos é mostrada na Fig (5) junto ao gráfico de diagnóstico dessa alternativa de melhoria. As Tabelas (7) e (8) mostram os resultados médios anuais ara essa alternativa de melhoria. Tabela 7. Valores Médios Anuais de FEC e DEC Calculados ara a Alternativa de Melhoria do Alimentador. Nome: DEC DECv FEC FECv Número de Transformadores Número de Consumidores Santa Maria Centro Urbano 11 38, , Santa Maria Camobi Urbano Alimentador 52 29, , ,18 15, Tabela 8. Valores Médios Anuais de Multas Calculados ara a Alternativa de Melhoria do Alimentador. Nome: Multa de DEC (R$) Multa de FEC (R$) Multa de DIC (R$) Multa de FIC (R$) Multa Total (R$) Santa Maria Centro Urbano 103,23 0, ,14 0, ,37 Santa Maria Camobi Urbano 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Alimentador 103,23 0, ,14 0, ,37 Pode-se concluir que essa alternativa aresenta bons resultados em termos de melhoria de indicadores, diminuindo valor médio anual de multas a 40 % do valor inicial ara esse alimentador. Considerando ara isso, os valores médios utilizados e um investimento equeno em equiamentos de roteção (aenas em chaves fusíveis). A Figura (5) mostra o gráfico de diagnóstico e a localização dos equiamentos substituídos ara essa alternativa de melhoria. Figura 5. Gráfico de Diagnóstico de Indicadores de Continuidade Individual ara Alternativa de Melhoria.

10 Pode-se observar uma redução da região com roblemas (com violações de metas) em comaração ao gráfico inicial - Fig (4). 8. Conclusões Através desse exemlo ode-se observar um ouco do funcionamento e da versatilidade do rograma PCA ara a análise de confiabilidade de alimentadores de distribuição, facilitando o lanejamento e a verificação de diferentes alternativas de roteção e oeração a longo razo, em termos de investimentos, multas e custos oeracionais. Entre as rinciais vantagens oferecidas or esse software, ode se destacar, o acesso direto e simles a diferentes tios de banco de dados, através da linguagem SQL e da interface OBDC, e também, a amigável interface homem-máquina oferecida elo ambiente windows e elos recursos gráficos, facilitando assim a visualização de resultados de continuidade e a tomada de decisões. 9. Referências ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução 24, 2000, Brasil. Brown, R. E., 2002, Electric Power Distribution Reliability, ABB Inc., Raleigh, North Carolina. Analysis Program of Reliability of Distribution Feeders Abstract: The objective of this aer is to resent a comuter rogram to comute reliability indices (FIC, DIC, FEC and DEC) for distribution network, develoed in a Research Project. This rogram ermits to comute enalties and medium annual costs of energy interrutions and comare the obtained indices with the reliability index targets set by the national regulatory agency (ANEEL) for the different sets of customers, using information obtained directly from utility database or informed by the rogram user. The devoloed rogram also allows changing the failure rates and in the toology of electrical network, this way, to realize a sensitive study to verify the effect of some different rotection devices and tyes of lines, justifying investments that can imrove the reliability, the ower quality, and reduce costs of energy interrution and other associated costs. The main stes and arts of this rogram are shown in this aer, including an entire and ractical examle with grahic results. Keywords: reliability rogram, distribution networks, reliability indices. Direito Autoral Os autores são os únicos resonsáveis elo conteúdo deste artigo.