ESTUDOS PRELIMINARES DA APLICAÇÃO DE CONTROLE COORDENADO DE TENSÃO NA ÁREA RIO

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1 VIII SIMPÓSIO DE ESPECIALISTAS EM PLANEJAMENTO DA OPERAÇÃO E EXPANSÃO ELÉTRICA VIII SYMPOSIUM OF SPECIALISTS IN ELECTRIC OPERATIONAL AND EXPANSION PLANNING 19 a 23 e Maio e 2002 May 19 th to 23 r 2002 BRASÍLIA (DF) BRASIL ESTUDOS PRELIMINARES DA APLICAÇÃO DE CONTROLE COORDENADO DE TENSÃO NA ÁREA RIO Camilo B. Gomes COPPE/UFRJ CEPEL Nelson Martins * CEPEL Glauo N. Taranto COPPE/UFRJ Júlio C. R. Ferraz COPPE/UFRJ CEPEL Marelos G. Santos ONS Resumo Este artigo apresenta uma análise preliminar os benefíios a utilização e um esquema e ontrole oorenao e tensão na Área Rio. Palavras-have: Estabiliae e Tensão, Controle Coorenao e Tensão, Simulaor Rápio. 1 - Introução O tema ontrole oorenao e tensão vem espertano grane interesse, omo emonstra o número resente e artigos ténios apresentaos em eventos ientífios internaionais. O CEPEL, a COPPE/UFRJ e o ONS vêm esenvolveno trabalho onjunto nessa área, visano sua apliação em áreas rítias o sistema brasileiro, sob o ponto e vista e ontrole e estabiliae e tensão. Este artigo esreve simulações o omportamento inâmio e tensão a Área Rio, onsierano ou não a presença e ontrole oorenao e tensão (CST), semelhante àqueles que vêm seno empregaos na Itália e França. O esempenho e tensão o sistema é avaliao onsierano-se uma urva e arga típia (24 horas, om isretização horária) para a Área Rio. O CST simulao, tal omo nos esquemas europeus existentes, onsiste em um sistema e ontrole a malha fehaa, e inâmias lentas, que regula a tensão e eterminaos nós o sistema, enominaos barras piloto, através a atuação oorenaa as fontes e reativo existentes na área. Os estuos esritos neste artigo iniam os benefíios operativos avinos a utilização o CST na Área Rio. Os geraores que partiipam este ontrole são, Santa Cruz,, além o ompensaor sínrono e. Os resultaos apresentaos foram obtios om a utilização e um simulaor rápio no omínio o tempo apaz e moelar aequaamente esquemas avançaos e CST. 2 - Controle Coorenao e Tensão O CCT, em geral, está subiviio em três níveis hierárquios, seno eles: o Controle Primário e Tensão (CPT), o Controle Seunário e Tensão (CST) e o Controle Teriário e Tensão (CTT). O CPT é o nível hierárquio mais rápio, poeno ser subiviio em ontrole iniviual os geraores (RAT) e ontrole onjunto as usinas (JVC - Joint Voltage Control) [1]. O CST onsiste na atuação e um grupo espeífio e regulaores e tensão os geraores, ompensaores estátios ou sínronos, taps e transformaores, et., e forma a manter o perfil e tensão esejao em barras, itas, piloto. As tensões essas barras piloto evem ser representativas o perfil e tensão a região na qual estão inserias. O ontrole seunário e tensão atua numa esala e tempo e 30s a 60s, por exemplo, e se arateriza por ser um ontrole e efeito regional. O CTT é o nível e oorenação mais lento, no qual a reserva isponível e geração e potênia reativa é otimizaa para manter um perfil e tensão aequao. Neste nível se utiliza um programa e fluxo e potênia ótimo uja função objetivo é a maximização a reserva e potênia reativa e ujas restrições são assoiaas aos limites a tensão nos prinipais barramentos o sistema. Restrições assoiaas à margem e estabiliae e tensão também poem ser introuzias na formulação o CTT. A Figura 1 mostra a estrutura hierárquia o CCT. Este trabalho, no entanto, trata somente o ontrole primário e ontrole seunário e tensão. 3 - Simulaor Rápio As simulações que serão apresentaas neste trabalho foram obtias om uma ferramenta e simulação rápia no omínio o tempo [2,3,4]. Esse tipo e simulaor somente onsiera as inâmias e méio e longo prazo. As inâmias rápias são onsieraas estáveis e instantâneas, o ponto e equilíbrio final assoiao om as inâmias rápias existentes são representaas por um onjunto e equações algébrias. O onjunto básio e equações não-lineares é apresentao em (1). y& = 0 = g(y, x, z, w) x& = 0 = z (k + 1) = h z& f (y, x, z, w) (y, x, z = h (y, x, z, z ), z (k)) (1) CEPEL/DTI Av. Um, s/n Ciae Universitária Rio e Janeiro RJ CEP Phone (21) Fax (21) / nelson@epel.br

2 V ref CPT V t V FPO V p CST Barra Piloto SCADA CTT região e interesse enominaa Área Rio é formaa pelas empresas Light, CERJ, ESCELSA e parte o sistema e. A Figura 3 mostra um iagrama esquemátio os iversos orreores e transmissão que alimentam a Área Rio. O fluxo e potênia para essa área flui através e quatro orreores e transmissão e energia ientifiaos na Figura 3 omo F1, F2, F3 e F4. O somatório esses fluxos ompõe o hamao Fluxo Rio e Janeiro (FRJ). Em estuos e fluxo e potênia a Área Rio, uma onição operativa é geralmente esrita em função o onsumo e potênia ativa as empresas Light, CERJ e ESCELSA e pelo valor o FRJ [2,5]. E f Restante o Sistema Araraquara 500 kv 345 kv V. Grane Constantes e Tempo Figura 1: Estrutura hierárquia o CCT. One y representa as variáveis algébrias, tais omo tensões e ângulos terminais, x representa as variáveis relaionaas aos fenômenos e urto prazo, tais omo tensões internas as máquinas, também é um onjunto e equações algébrias, z representa as variáveis e estao isretas e méio e longo prazos, por exemplo, a posição e tap, z representa as variáveis e estao ontínuas e méio e longo prazos, por exemplo, variáveis assoiaas à inâmia o CST, ao ontrole e tensão a barra e alta, et. Uma análise etalhaa o onjunto e equações apresentao em (1) é feita em [3]. A Figura 2 mostra uma omparação qualitativa os resultaos obtios om uma simulação ompleta no tempo, isto é, onsierano-se os fenômenos e urto, méio e longo prazos e uma simulação one os transitórios rápios são esprezaos. Essa simplifiação visa, entre outras oisas, aelerar o proesso iterativo, prinipalmente em se tratano a simulação e sistemas e grane porte. 0,18 0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 0,00 Simulação Completa Simulaor Rápio Tempo (s) Figura 2: Simulação ompleta simulação rápia (simplifiaa). 4 - Desrição o Sistema Exemplo Nesse estuo é utilizaa uma onfiguração o Sistema Interligao Brasileiro (Sul/Sueste), omposta por 730 barras, 1146 linhas e transmissão e transformaores, 85 usinas geraoras e ompensaores sínronos. A Apareia 230 kv Angra F4 Tijuo Preto F3 Campinas Funil V. Reona N. Peçanha SC Poços e Calas C. Paulista 345 kv 500 kv Santa Cruz F1 500 kv 345 kv Arianópolis Itutinga F2 Área RIO AREA Rio L.C.Barreto Vitória Campos Masarenhas Valaares 230 kv Figura 3: Prinipais linhas e transmissão que suprem a área rio. Um os prinipais objetivos o CST é regular a tensão a barra piloto num valor pré-espeifiao [6,7], nos iversos enários e arregamento o sistema. Os resultaos que serão apresentaos, neste trabalho, mostram o efeito o CST na regulação a barra piloto para uma urva e arga típia om uração e 24 horas. A barra esolhia omo barra piloto foi a barra e [2,5]. A usina e não partiipa o CST, porém a tensão na barra e alta esta usina é ontrolaa (High Sie Voltage Control HSVC). A Tabela 1 mostra os fatores e partiipação e potênia reativa apliaos nas uniaes geraoras partiipantes o CST. Tabela 1: Fatores e partiipação e potênia reativa Barra Usina Fator e Partiipação (%) 10 FURNAS---7MQ ANGRA-1--1MQ 5 30 SCRUZ19--1MQ GRAJAU---2MQ 55 Iniialmente, a usina e seria exluía o CST, teno sua tensão ontrolaa por um esquema e HSVC. Isto, entretanto não foi possível evio a problemas e onvergênia nos programas e fluxo e potênia e no simulaor rápio. Desta forma, as quatros usinas listaas na Tabela 1 formam o grupo mínimo e usinas 2

3 neessárias para o orreto funionamento o CST. Como este trabalho tem aráter preliminar, não foi realizaa nenhuma investigação profuna busano ientifiar a melhor estratégia e operação e ajuste o CST Curva e Variação e Carga O esempenho o CST poe ser mais bem avaliao pela análise e simulação que ontemple o efeito a variação a arga ao longo e um ia ou ao longo e uma semana. Foi realizaa, neste trabalho, a omparação entre o esempenho o sistema om e sem o CST. A urva e arga utilizaa (Figura 4) foi baseaa em uma urva real e parte a arga total a empresa Light, para uma quarta-feira o mês e janeiro e As potênias ativas os geraores variam, para aa patamar e arga, e aoro om o estatismo os regulaores e veloiae as máquinas Curva e Carga 5 - Resultaos Figura 4: Curva e arga iária A Figura 5 e a Figura 6 apresentam, na ausênia e na presença o CST, o perfil e tensão as barras as usinas partiipantes o (,, Santa Cruz e ), a barra piloto () e a barra a UHE e. A usina e não possui HSVC, nos asos ujos resultaos estão esritos nas Figura 5 e Figura 6. A Figura 7 apresenta o perfil e tensão as usinas partiipantes o CST, a barra piloto e a usina e (om HSVC) na presença o CST. 0,92 Perfil e Tensão Figura 5: Perfil e tensão e barras a Área Rio sem CST e sem HSVC. Perfil e Tensão 0,93 0,92 Figura 6: Perfil e tensão e barras a Área Rio om CST e sem HSVC. Perfil e Tensão 0,93 0,92 Figura 7: Perfil e tensão em. A Figura 8 mostra a tensão na barra e (barra piloto) na presença e na ausênia e CST. A Figura 9 apresenta o etalhe (esala e tempo expania) o omportamento a tensão na barra piloto após uma reução e arga. 0, Barra Piloto () Figura 8: Tensão a barra piloto. Barra Piloto () Figura 9: Detalhe o omportamento a tensão na barra piloto após uma reução e arga. 3

4 A Figura 10, a Figura 11 e a Figura 12 mostram a tensão terminal as usinas e, e Santa Cruz na presença e na ausênia e CST. A Figura 13 mostra a tensão terminal o ompensaor sínrono e Barra 10 - Figura 10: Tensão terminal e. Barra 16 - Figura 11: Tensão terminal e. Barra 30 - Figura 12: Tensão terminal e Santa Cruz. Barra 44 - Figura 13: Tensão terminal e. A Figura 14 mostra a potênia reativa geraa pelas usinas partiipantes o CST e a usina e (om HSVC) na presença e CST. A Figura 15 mostra a potênia reativa total geraa pelas usinas partiipantes o CST e a usina e, na ausênia e na presença e CST Potênia Reativa Figura 14: Potênia reativa as usinas ( em ) Potênia Reativa Total Figura 15: Potênia reativa total as usinas. Avaliano-se as figuras anteriores, nota-se que quano o CST está ativo, apesar as variações signifiativas e tensão nas barras terminais e (Figura 10), (Figura 11), Santa Cruz (Figura 12) e (Figura 13), o somatório as potênias reativas estes geraores apresenta variação pequena (Figura 15). Desta forma, o perfil e tensão a barra piloto é regulao no valor esejao urante a variação iária a arga sem impliar, neessariamente, no aumento a geração e potênia reativa o sistema. A Figura 16 e a Figura 17 mostram a potênia reativa geraa pelas usinas e e Santa Cruz na presença e na ausênia e CST. Poe ser observao que enquanto a geração e potênia reativa em iminui quano o CST está ativo, Santa Cruz tem sua geração aumentaa. Apesar a pequena variação e potênia reativa total o sistema, as potênias e aa máquina são eviamente alteraas om o objetivo e manter no valor esejao a tensão a barra piloto (). A Figura 18 mostra a potênia reativa as usinas partiipantes o CST verifiano-se que o fator e partiipação se á e aoro om o espeifiao. As isrepânias observaas nos fatores e partiipação espeifiaos, só oorrem urante um urto espaço e tempo, one a malha e ontrole o CST está orrigino os espahos e reativo para os novos valores requerios. 4

5 Potênia Reativa (om CST) (sem CST) - Figura 16: Geração e Potênia reativa a usina e. 70,0 58,8 47,5 36,3 25,0 13,8 2,5-8,8-20,0 Potênia Reativa (sem CST) (om CST) Figura 17: Geração e potênia reativa a usina e Santa Cruz. Repartição e Potênia Reativa 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0, 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00-0,05-0,10-0,15 Figura 18: Relação e Mvar entre a usinas 6 - Comparação entre o Simulaor Rápio e um Programa e Fluxo e Potênia Por se tratar e uma ferramenta nova, muitos testes têm sio feitos om o intuito e se valiar os resultaos obtios om simulaor rápio. Esta tarefa esbarra na inisponibiliae e ferramentas omputaionais similares. O objetivo esta seção é mostrar que os resultaos obtios om o simulaor rápio são oerentes e onfiáveis. Para tanto foi utilizao o Programa e Analise e Rees () o CEPEL. Há, entretanto, iferenças importantes entre os ois programas que evem ser levaas em onsieração: o simulaor rápio é uma ferramenta e simulação no omínio o tempo e a moelagem e barras e tensão espeifiaa não é feita. Apesar essas iferenças, foi feita uma omparação utilizano a urva e arga apresentaa na Figura 4. Toos os valores e aa um os patamares alulaos pelo simulaor rápio foram verifiaos no. Desta forma, as iferenças verifiaas nas simulações evem-se a iferença e moelagem as barras e tensão ontrolaa. A Figura 19 mostra a tensão na barra e (barra piloto). O resultao obtio om o é uma reta om valor igual a pu. O resultao obtio om o simulaor rápio, iferentemente, apresenta variações e tensão quano há alteração e arga. Barra Piloto () Figura 19: Comparação. A Figura 20, a Figura 21, a Figura 22 e a Figura 23 mostram respetivamente as tensões terminais as usinas e,, e Santa Cruz. A Figura 24 mostra a tensão terminal o ompensaor sínrono e Barra 10 - Figura 20: Comparação. Barra 16 - Figura 21: Comparação. A iferença entre os resultaos obtios om o e os resultaos obtios om o simulaor rápio aontee evio às iferenças e moelagem a barra e tensão ontrolaa. Poe-se observar que o omportamento a tensão as usinas menionaas aima é oerente nos ois programas. 5

6 Barra 20 - M arimbono 90 Figura 22: Comparação Barra 16 - Figura 26: Comparação. Barra Barra 20 - Figura 23: Comparação Figura 27: Comparação. Barra Barra Figura 24: Comparação. A Figura 25, a Figura 26, a Figura 27 e a Figura 28 mostram a potênia reativa geraa pelas usinas e,, e Santa Cruz, respetivamente. A Figura 29 mostra a potênia reativa geraa pelo sínrono e. 220 Barra Figura 28: Comparação. Barra Figura 25: Comparação Figura 29: Comparação. Mais uma vez verifia-se pequena iferença entre os resultaos, mas oorre o mesmo omportamento oerente as urvas. A Figura 30 mostra a potênia reativa total geraa pelas usinas partiipantes o CST e a usina e (om HSVC) na presença e CST. 6

7 Potênia Reativa Total Conlusões Figura 30: Comparação. Esse trabalho esreve uma apliação o esquema e ontrole seunário e tensão (CST) bem omo o esquema e ontrole enominao High Sie Voltage Control (HSVC) na Área Rio. Além isso, utiliza um programa e fluxo e potênia, o o CEPEL, para valiar os resultaos obtios. O uso o simulaor rápio, ferramenta que não representa as osilações eletromeânias e outras inâmias rápias, mostrou-se apropriaa para estuos e inâmia e tensão para o sistema brasileiro. A implementação e um esquema e ontrole seunário e tensão garante um perfil e tensão esejao bem omo a repartição aequaa e geração e potênia reativa entre as máquinas partiipantes o CST. O simulaor rápio possui várias funções que o tornam bastante útil na análise e fenômenos relaionaos à estabiliae e tensão e ao uso raional o suporte e potênia reativa e um sistema. Portanto além o esquema e ontrole seunário e tensão om orens e reativo e o esquema e High Sie Voltage Control, o simulaor rápio poe analisar o efeito a variação e arga em egrau, variação e arga em rampa, onexão e esonexão e banos e apaitores e reatores, egrau na referênia a tensão a barra piloto, abertura e fehamento e iruitos, bem omo a simulação e uma urva e arga e 24 horas omo foi apresentao nesse trabalho. O uso o simulaor rápio revelou ser bastante apropriao para estuos inâmios e tensão e méio e longo prazo, omo o estuo e estabiliae e tensão em sistemas elétrios. Os resultaos obtios om essa ferramenta foram totalmente valiaos om aqueles obtios por um programa omerial e estabiliae transitória, levano-se em onta a inâmia lenta assim omo o resultao e regime permanente [2]. Existem várias vantagens em se usar o esquema e ontrole seunário e tensão, omo: melhoria no perfil e tensão as barras vizinhas à barra piloto; Melhor utilização as reservas e potênia reativa o sistema; Repartição aequaa e geração e potênia reativa entre as máquinas partiipantes o ontrole. O esquema e ontrole oorenao e tensão já se enontra em operação em países europeus. O ontrole teriário e tensão etermina os ajustes a serem feitos para a tensão a barra piloto e os fatores e partiipação as usinas, bem omo oorena o haveamento e banos e apaitores ou reatores. Nesse aso um programa e fluxo e potênia ótimo é usao para se eterminar esses ajustes e ações. O ontrole oorenao e tensão poe utilizar também ténias e inteligênia artifiial omo a lógia fuzzy [8]. A utilização e banos e apaitores ou reatores haveaos e a apliação e esquema e ontrole teriário e tensão em áreas o sistema brasileiro serão objeto e investigação futura. 8 - Referênias [1] R. J. G. C. Silva, F. M. Silva, H. A. L. Duarte, J. C. R. Chaparro an R. Justino, Moelagem e Ajuste o Controle Conjunto e Tensão e Itaipu 50 Hz e 60 Hz, SNPTE, Foz o Iguaçu, PR, [2] C. B. Gomes, Implementação e Funções Utilizaas no Controle Coorenao e Tensão num Simulaor Rápio. Tese e M.S., COPPE/UFRJ, Rio e Janeiro, RJ, Brasil, [3] W. J. Causarano, Métoo e Simulação Rápia no Tempo para Avaliação a Estabiliae e Tensão. Tese e M.S., COPPE/UFRJ, Rio e Janeiro, RJ, Brasil, [4] W. J. Causarano, D. M. Falão an G. N. Taranto, A Fast Domain Simulation Metho for Voltage Stability Assessment, Proeeings of the VI SEPOPE, Salvaor, BA, May [5] G. N. Taranto, N. Martins, A. C. B. Martins, D. M. Falão an M. G. os Santos, Benefits of Applying Seonary Voltage Control Shemes to the Brazilian System, Proeeings of the IEEE/PES Summer Meeting, Seattle, WA, July [6] J. P. Paul, J. Y. Léost an J. M. Tesseron, Survey of the Seonary Voltage Control in Frane: Present Realization an Investigations, IEEE Transations on Power Systems, Vol. 2, No. 2, pp , May [7] S. Corsi, P. Marannino, N. Losignore, G. Moreshini an G. Piini, Coorination between the Reative Power Sheuling Funtion an the Hierarhial Voltage Control of the EHV ENEL System, IEEE Transations on Power Systems, Vol. 10, No. 2, pp , May [8] A. B. Marques, G. N. Taranto an D. M. Falão, Controle Coorenao e Tensão na Área Rio Utilizano Lógia Fuzzy, Anais o XVI SNPTEE, Campinas, SP, Outubro