Estudo do Impacto de Geradores. Distribuídos em Redes de Distribuição de. Energia Elétrica.

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1 Estudo do Impacto de Geradores Distribuídos em Redes de Distribuição de Energia Elétrica. Oliveira, F. B. R. 1 Cardoso, J. B. 2 Resumo: Os Sistemas Elétricos de Potência se estabelecem como unidades de estudos cada vez mais sofisticadas cuja operação eficiente e segura representa um verdadeiro desafio para o Setor Elétrico. A presença de Geração Distribuída nos SEPs tem se tornada expressiva nos últimos anos pela necessidade de diversificar a matriz energética brasileira e auxílio que esta técnica propicia na melhoria da qualidade de energia fornecida aos clientes das concessionárias. Desta forma, este trabalho tem o objetivo de analisar um Sistema Elétrico real realizando simulações e estudos com a presença de Geração Distribuída no período de maior demanda. Para tal, no desenvolvimento das implementações dos sistemas se utilizou duas plataformas OpenSource, Python e OpenDSS. O Arranjo se apresentou versátil e ágil na execução das simulações, proporcionando uma análise exata do Fluxo de Carga, Fluxo de Potência e Perdas do sistema elétrico analisado. Palavras-Chave: Geração Distribuída, OpenDSS, Python, Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica. 1 Oliveira, F.B.R. Eng. Mestrando Dpto. Engenharia Eletrica e Computação Escola de Engenharia de São Carlos USP fabricio.bonfim@usp.br 2 Cardoso, J.B.. Eng. Mestrando Dpto. Engenharia Eletrica e Computação Escola de Engenharia de São Carlos USP jasonbacard@usp.br

2 I. Introdução Os Sistemas Elétricos de Potência (SEP) devem fornecer energia elétrica para consumidores de grande a pequeno porte, que envolvem os processos de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica com qualidade e confiabilidade regulamentadas e controladas, no Brasil, pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Tais sistemas têm a função de produtores convertendo a energia de alguma natureza em energia elétrica e de distribuidores fornecendo a quantidade de energia demandada pelos consumidores a qualquer instante [1]. Os bancos de capacitores (BCs) são componentes presentes nos SEPs, sua instalação tornase frequentemente necessária, pois visa não só a redução das perdas ativas e reativas e melhoria nos perfis de tensão, mas também o controle do fluxo de potência, melhoria da estabilidade do sistema, redução do custo de operação dos sistemas, correção de fator de potência, compensação da potência reativa produzida por diferentes cargas, na maioria de natureza indutivas, e pelas reatâncias das linhas, redução das cargas aparentes [2][3]. Os benefícios reais obtidos com a instalação de capacitores em sistemas de distribuição dependem das características dos equipamentos e da forma como é feita essa instalação. Especificamente, dependem do número e tamanho dos capacitores, de sua localização, do tipo (fixos ou chaveados) e do esquema de controle utilizado. Muitas pesquisas já foram feitas no que tange à localização ótima de capacitores em sistemas de distribuição de energia balanceados [4]. Além dos BCs, a Geração Distribuída (GD), termo usado para designar a geração de energia elétrica realizada junto ou próxima dos centros consumidores, independente da potência, tecnologia ou fonte de energia, envolvendo equipamentos de medida, controle e comando que articulam a operação dos geradores, está presente nos SEPs. Acredita-se que Sistemas de Geração Distribuída tenham vantagens sobre a geração central, pois economizam investimentos 2

3 em transmissão e reduzem as perdas nestes sistemas, melhorando a estabilidade do serviço de energia elétrica [5]. A quantidade de pequenos geradores conectados aos sistemas de distribuição está crescendo rapidamente, contribuindo para redução das perdas do sistema. Tais geradores são, na maioria dos casos, de propriedade de diferentes produtores e podem ser controlados de maneira independente, levando a um possível problema de coordenação entre os controladores locais e o controle do sistema nas subestações distribuidoras de alta ou média tensão [4]. Com o aumento das preocupações com os níveis de qualidade de energia estabelecidos pela ANEEL, o gerenciamento da potência reativa tem se tornado cada vez mais importante para as empresas fornecedoras de energia. No entanto, o crescimento das cargas longe dos centros geradores, as extensas linhas e as perdas decorrentes dos cabos resultam em variações de tensão nas barras, e assim comprometem a qualidade da energia elétrica fornecida. O alto nível de potência reativa indutiva demandada nos sistemas de distribuição também causa problemas como a queda de tensão, o aumento das perdas, distorções no fator de potência e gastos com equipamentos mais robustos, causando dificuldades no controle da tensão [2]. Desta forma, o mercado exige cada vez mais esforços da engenharia de planejamento, contribuindo para a necessidade, ainda maior, de pesquisas relacionadas a análise dos sistemas elétricos: Presença de Geração Distribuída; Alocação de Capacitores; Análise do Perfil de Tensão; Análise do Fluxo de Potência; Análise de Perdas; Estudo de Faltas. 3

4 Poucas ferramentas de análise na área de automação de sistemas de distribuição dispõem de métodos de cálculo de fluxo de potência robustos e eficientes, com capacidade de apresentar as diferentes características dos sistemas, tais como estruturas radiais, sistemas trifásicos, desbalanceados, isolados ou não isolados e com geração distribuída [6]. Analisando, por exemplo, os perfis de tensão no sistema em diferentes períodos de carga é possível dizer se o sistema está dentro dos padrões de qualidade exigidos pela agência reguladora, a ANEEL, que estabelece os limites adequados, precários e críticos para os níveis de tensão em regime permanente [7]. Assim, este trabalho de pesquisa tem o objetivo simular um sistema de energia real com auxílio de softwares para o estudo do impacto positivo ou negativo da Geração Distribuída em Sistemas Elétricos de Potência. Se utilizará duas plataformas opensource com apelo de inovação e contemporaneidade: Python e OpenDSS. As análises tiveram como base a simulação do sistema em três casos. Em cada simulação, se estudou o perfil de tensão nas barras, o fluxo de potência e as perdas totais no sistema. II. Softwares de análise O OpenDSS é uma ferramenta de simulação de sistemas elétricos aplicável ao segmento de distribuição. Seu desenvolvimento data de 1997 quando era denominado apenas Distribution System Simulator DSS. O DSS foi adquirido pela Eletric Power Research Institute EPRI, que em 2008 lançou o OpenDSS sob uma licença de código aberto [6]. O OpenDSS possui código aberto e é uma plataforma opensource. Além disso, apresenta uma série de vantagens e aplicações que potencializam sua escolha para este estudo. Vantagens: Código Aberto; Personalizável; 4

5 Expansível; Material de Apoio; Suporte Técnico. Com vista a permitir que os usuários possam desenvolver e executar novas soluções adaptadas a partir de programas externos, o OpenDSS disponibiliza a interface Component Object Model (COM). A partir dessa interface o programa pode ser acionado de forma totalmente independente de qualquer banco de dados ou arquivo de texto fixo que defina um circuito [6]. Por exemplo, o programa pode ser iniciado a partir de uma ferramenta MS Office, ou se qualquer outro programa de análise que pode suportar a interface COM. Os usuários geralmente acionam o OpenDSS por meio dos programas MATLAB, Python, C, R, dentre outros. Isto possibilita a utilização de recursos analíticos externos, bem como outras formas gráficas para exibição dos resultados [6]. Na Figura 1, a estrutura da interface COM é mostrada. Os scripts são definidos em software externo ao OpenDSS, em que este são enviados via interface COM. O código.dll, escrito na plataforma OpenDSS, é executado de acordo com o comando passado pelo script. Para este trabalho, escolheu-se o Python (x,y) 2.7 como programa externo ao OpenDSS para efetuar os comandos e instruções. O Python é um software que possui praticidade, flexibilidade quanto a escolha do ambiente de desenvolvimento e sua plataforma também é opensource. Figura 1 Interface COM Serve OpenDSS [6]. 5

6 III. Comunicação python com opendss A comunicação OpenDSS com Python é realizada através da estrutura OpenDSSEngine.DLL registrada automaticamente no RegEdit do Windows quando o OpenDSS.exe é instalado. Desta forma, apenas é necessário verificar se a interface está disponível entre os dois programas. Com dois comandos, import win32com.client e win32com.client.dispath( OpenDSSEngine.DSS ), executados no Console do Python isto pode ser verificado, conforme observado na Figura 2. Figura 2 Verificação da interface Python com OpenDSS. Após esta validação, no ambiente de desenvolvimento do Python, neste estudo, no Spider, se configura a comunicação (Figura 3). A biblioteca DSSObj é definida pela estrutura OpenDSSEngine.DLL, através desta há possibilidade de se utilizar as funções e ferramentas do OpenDSS no ambiente Python. Figura 3 Configuração comunicação Python-OpenDSS. 6

7 IV. Sistema elétrico A planta é composta por 35 barras mais o barramento infinito que representa a subestação de 88 kv e Potência Trifásica de Curto-Circuito de 482,25 MVA, quatro trans-formadores, dois grupos de geradores distribuídos com Potência Nominal Total de 13,872 MVA e nove bancos de capacitores. As 22 cargas são trifásicas e balanceadas, estão distribuídas ao longo das barras do sistema e apresentam valores específicos. Na Figura 4, são representados, em diagrama unifilar, os elementos do sistema, evidenciando a origem dos alimentadores na subestação. Figura 4 Sistema Elétrico [8]. V. Metodologia A planta de estudo foi implementada em código Python e OpenDSS, como descrito. Os elementos subestação, cabos, barramentos e bancos de capacitores foram declarados em código OpenDSS, pois são estruturas fixas nas simulações, ou seja, não têm seus parâmetros alterados entre os casos de estudos. Os grupos de geradores distribuídos foram modelados em código Python, uma vez que se deseja realizar três análises, sendo elas: 7

8 1. Sistema sem Geração Distribuída e operação no período de maior demanda (GD=0 e P=1); 2. Sistema com Geração Distribuída e operação no período de maior demanda (GD=1 e P=1); 3. Dimensionamento ótimo de banco de capacitores. Esta divisão segmentação da implementação do Sistema Elétrico nas plataformas OpenDSS e Python é a estratégia para garantir agilidade e facilidade na obtenção dos dados de análise. Uma vez definido os elementos fixos do Sistema Elétrico no OpenDSS, os parâmetros variáveis podem ser facilmente controlados no ambiente Python. Desta forma, há a automação das simulações desejadas com o artifício proposto pela interface Python-OpenDSS. Após a implementação do Sistema, este foi simulado nos três casos de estudo descritos anteriormente. Em cada situação, obtiveram-se dados do fluxo de potência e das tensões nas barras. Ainda, nas simulações se estudou todos os perfis de tensão em cada barra pertencente a um dado alimentador. Após isto, se estabeleceu critério de seleção do alimentador com pior estado em suas tensões com base nos níveis de operação mapeados pela ANEEL, sendo mostrados na Figura 5. Figura 5 Limites de Operação ANEEL. 8

9 VI. Resultados e discussões Nesta seção serão apresentados os resultados para os casos descritos anteriormente, bem como as análises realizadas para o perfil de tensão e perdas do sistema elétrico de estudo. 1. Sem Geração Distribuída e Período de Maior Demanda Como pode ser observado na Figura 6, o Alimentador CPC_02 possui o maior número de barras com tensões abaixo da linha de limite crítico aceito pela ANEEL (V<0,90), ou seja, 4 barras estão com suas tensões abaixo de 0,90 pu. Desta forma, há a necessidade de melhoria na qualidade do perfil de tensão neste alimentador e nos demais, levando as tensões à zona adequada de operação (0,93<V<1,05). Figura 6 Perfil de Tensão Alimentador CPC_02 (GD=0 e P=1). 2. Com Geração Distribuída e Período de Maior Demanda Na Figura 7 são mostradas todas as barras do Alimentador CPC_02. A Geração Distribuída melhorou a qualidade do perfil de tensão, levando-o ao patamar da zona adequada de operação permitida pela ANEEL (0,93<V<1,05). Além disto, houve elevação média de 7,78% da tensão das barras com presença de Geração Distribuída em relação ao sistema suprido somente pela subestação como evidenciado na Tabela 1. 9

10 Figura 7 Perfil de Tensão Alimentador CPC_02 (GD=1 e P=1). Tabela 1 Tensões nas barras alimentadora CPC_02 (GD=1 e P=1). A presença de geradores diminuiu o total de perdas no sistema, 51,3 % de redução (Tabela 2). Ainda, o aumento das perdas nos transformadores se dá pelas perdas nos transformadores TR3 e TR4 serem computadas com a presença de GD. Tabela 2 Perdas no sistema com e sem geração distribuída para o período de maior demanda. 3. Dimensionamento Ótimo de Banco de Capacitores Considerando o arranjo Python-OpenDSS e a área Sistemas de Distribuição, há a possibilidade de se otimizar a operação da rede elétrica com aplicação de sistemas inteligentes, sendo implementados no software Python com variação de parâmetros dos elementos no 10

11 OpenDSS. Assim, se deseja determinar a configuração ótima dos bancos de capacitores mostrados na Tabela 3 com o objetivo de minimizar as perdas totais do sistema. Tabela 3 Banco de Capacitores originais alocados nas barras do Sistema Elétrico (Perdas=682,8 kw). Capacitor Barra kvar Com auxílio de uma metaheurística implementada no ambiente Python, conseguiu-se minimizar as perdas do Sistema Elétrico para 653,3 kw ajustando a configuração dos nove bancos de capacitores, isto é, houve uma redução de 4,3 % em relação a 682,8 kw. Além disto, o banco que estava na barra 1942 foi eliminado do sistema. A Tabela 4 mostra o novo arranjo dos bancos. Tabela 4 Nova configuração dos Bancos de Capacitores (Perdas=653,3 kw). Capacitor Barra kvar

12 VII. Conclusão A estratégia adotada nas simulações segmentação da implementação do sistema elétrico de estudo entre as plataformas OpenDSS e Python se mostrou eficaz quando se percebe as análises realizadas neste trabalho. O artifício permitido pelo OpenDSS, através da interface COM Server, proporciona ao trabalho praticidade e flexibilidade no controle das variáveis de análise. Além disto, por ser uma ferramenta opensource com notoriedade nas fontes de apoio a programação, o software Python corrobora para sua escolha em futuros trabalhos de pesquisa. Em relação às análises realizadas neste trabalho, pode-se destacar que a Geração Distribuída tem um importante papel nos Sistemas de Distribuição de Energia. Quando este se apresente sobre o período de maior demanda, contribui para que os níveis de tensão estejam na zona adequada de operação permitida pela ANEEL. No entanto, uma atenção especial deve ser dada aos períodos de menor demanda, sobre presença de Geração Distribuída. Nesta ocasião, há aumento nas perdas no sistema, potência reativa absorvida pelos geradores e aumento da corrente em seus terminais com a queda do fator de potência. 12

13 Referências [1] KAGAN, N., OLIVEIRA, C. C. De B., ROBBA, N. J. Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica. [2] BEÊ, R. T. Alocação de Bancos de Capacitores em Sistema de Distribuição de Energia Elétrica Utilizando Algoritmos Genéticos. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná, Março, [3] PEREIRA, B. R., COSSI, M. A., MANTOVANI, J. R. S. Alocação de Bancos de Capacitores em Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica Utilizando Algoritmo Evolutivo Multi-Objetivo. Grupo de Pesquisa em Planejamento de Sistemas de Energia Elétrica, Departamento de Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista Unesp. [4] SUBRAHMANYAM, J. B. V. Optimal Capacitor Placement in Unbalanced Radial Distribution Networks. Journal of Theoretical and Applied Information Technology, Vol. 6, No. 1, pp , [5] PAULA, C. P. Geração Distribuída e Cogeração no Setor Elétrico: Avaliação Sistêmica de um Plano de Inserção Incentivada. Tese (doutorado em energia Programa Interunidades de Pós-Graduação EP, FEA, IEE, IF) Universidade de São Paulo, [6] Aprimoramento da Metodologia de Cálculo de Perdas na Distribuição PRODIST Módulo 7: Cálculo de Perdas na Distribuição. Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL, revisado em 11/07/2014.BOMPARD, E., CARPANETO, E., CHICCO, G., NAPOLI, R., PIGLIONE, F. Computations and Users of the Energy Flows For the Distribution System Analysis Over Time Intervals. IEEE 10th Porto Power Tech Conference, Setembro [7] CHENG, C. S., SHIMOHAMMADI, D. A Three-phase Power Flow Method for Real-time Distribution System Analysis. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 10, No. 2, Maio [8] SILVA, S. B. Análise de operação de sistemas de distribuição utilizando o OpenDSS. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo USP. 13