Estudos de Paralelismo de Alimentadores para Reconfiguração Automática de Redes de Distribuição

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1 Estudos de Paralelismo de Alimentadores para Reconfiguração Automática de Redes de Distribuição Luciano L. Pfitscher, Daniel P. Bernardon, Luciane N. Canha, Vinícius F. Montagner, Lorenzo Comassetto, Maicon J. Ramos Resumo--A reconfiguração de redes de distribuição permite reduzir perdas, balancear cargas e melhorar indicadores de qualidade. Com o aumento do uso de equipamentos telecomandados, torna-se viável o desenvolvimento de sistemas que permitam que a reconfiguração da rede seja feita de forma automática. Esse artigo apresenta um sistema de reconfiguração automática de redes de distribuição, baseado em um método heurístico para determinação da melhor configuração. A análise da viabilidade de ligação de alimentadores em paralelo durante a reconfiguração é abordada, com enfoque nas respostas em regime transitório e permanente do sistema. A metodologia proposta está em fase de implantação e testes em um sistema real de grande porte, e resultados preliminares são apresentados nesse artigo. Palavras chave--redes de Distribuição. Redes Inteligentes. Reconfiguração. Automação. Paralelismo. Transitórios. A I. INTRODUÇÃO necessidade de melhoria da qualidade e confiabilidade dos Sistemas de Potência tem contribuído para o avanço das pesquisas sobre Redes Inteligentes (Smart Grids), e tem sido favorecida pelo aumento de recursos relacionados à tecnologia de informação e à automação. No aspecto tecnológico, as Redes Inteligentes têm impacto direto nos sistemas de informação e automação das empresas, seja nos sistemas de supervisão e aquisição de dados e nos equipamentos telecomandados (e outros que utilizam algum tipo de microprocessamento ou que compõem infraestruturas de medição avançadas), seja ainda na operação e serviços (gerenciamento, planejamento, engenharia, manutenção, tarifação, entre outros). As Redes Inteligentes caracterizam-se por integrar uma série de tecnologias, metodologias e procedimentos de Os autores agradecem o suporte técnico e financeiro da AES Sul Distribuidora Gaucha de Energia e da Coordenação de Aperfeiçoamento de pessoal (CAPES). L. Pfitscher: Universidade Federal de Santa Maria e Universidade Federal do Pampa, Alegrete, RS, lucianopfitscher@unipampa.br. D. Bernardon, L. Canha, V. Montagner: Universidade Federal de Santa Maria, RS. L. Comassetto, M. Ramos: AES Sul Distribuidora Gaucha de Energia, São Leopoldo, RS. planejamento e operação das redes elétricas. Uma das suas principais características é que ela deve ser reconfigurável, de maneira rápida e flexível, em caso de mudanças nas condições de serviço [1]. Uma rede de distribuição (RD) pode ter sua topologia alterada através da abertura ou fechamento de chaves seccionadoras, permitindo isolar faltas e restaurar o fornecimento, em situações de contingências, e também nos casos de desligamentos programados. Além disso, a mudança de topologia permite fazer um melhor balanceamento de cargas entre alimentadores, transferindo cargas de alimentadores muito carregados para outros alimentadores, melhorando dessa forma os níveis de tensão e reduzindo perdas nos alimentadores e condutores, além de aumentar os níveis de confiabilidade. Diversas pesquisas são relacionadas à reconfiguração de RD, baseadas em métodos matemáticos, heurísticos e em técnicas de Inteligência Artificial []. Nos últimos anos, novas metodologias de reconfiguração de redes de distribuição têm sido apresentadas, explorando a maior capacidade e velocidade dos sistemas computacionais, a maior disponibilidade de informação, e o avanço da automação, em especial, dos sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) [3]. Com o aumento do uso de sistemas SCADA e da automação na distribuição através do uso de chaves e equipamentos telecomandados a reconfiguração das RDs tornou-se mais viável como uma ferramenta de planejamento e controle em tempo real. O objetivo desse trabalho é o desenvolvimento de metodologia e ferramenta computacional para reconfiguração dinâmica de redes de distribuição por meio do uso de equipamentos automatizados, sob o enfoque das Redes Inteligentes. O sistema definirá a melhor topologia das redes em tempo real incluindo estudos de paralelismos para realização das manobras. A pesquisa explora as informações e funcionalidades dos equipamentos telecomandados instalados nos sistemas de distribuição, aplicando em um sistema computacional que permite a reconfiguração da rede em regime normal de operação. Para isso, além da pesquisa relacionada aos aspectos tecnológicos de automação e comunicação da rede, são abordados algoritmos e metodologias de reconfiguração baseados em análise multicriterial, e também características e requisitos do sistema envolvendo o paralelismo de alimentadores.

2 II. MÉTODO PROPOSTO PARA RECONFIGURAÇÃO AUTOMÁTICA DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO As etapas do planejamento da reconfiguração de uma RD em geral envolvem a coleta de informações da rede e da carga, a aplicação de metodologias de estimação de cargas e cálculo de fluxos de potência, e a aplicação da metodologia para otimização da rede. Geralmente, a reconfiguração visa atender o máximo possível de consumidores ou a máxima demanda, com a minimização de perdas e o balanceamento de carga. A redução de perdas muitas vezes é tida como o objetivo primário das reconfigurações de RD. Nos casos em que há mais de um objetivo estabelecido, é necessária a aplicação de métodos multicriteriais de apoio à decisão. Entre as restrições, observase a necessidade de manter a radialidade da rede, bem como a operação dentro dos limites de tensão e da capacidade de corrente dos equipamentos e dos condutores da linha. Embora esse objetivo seja normalmente referido como uma restrição do problema, afundamentos de tensão devem ser reduzidos para aumentar a qualidade de energia e para garantir a capacidade de controle da rede. A coordenação do sistema de proteção da nova configuração de rede deve ser levada em consideração. A seguir são descritas as metodologias empregadas nesse trabalho. correntes [5]. Este método foi implementado na metodologia proposta para o processo de reconfiguração das redes de distribuição, sendo usado para verificar o atendimento das funções objetivo e restrições. C. Método de Reconfiguração A reconfiguração de uma RD é considerada um problema de otimização, no qual busca-se, entre várias soluções possíveis, aquela que leva ao melhor desempenho, considerando o objetivo final da reconfiguração e observandose as restrições da rede. Um dos fatores que aumenta a complexidade do problema é o elevado número de chaves existente em uma RD real, o que leva a uma grande quantidade de possibilidades diferentes de configurações a serem analisadas. Além disso, a solução da melhor configuração pode ser buscada a partir de múltiplos objetivos, o que torna esse tipo de problema de difícil tratamento devido à sua natureza combinatorial e à dificuldade na sua formulação matemática. A técnica de reconfiguração empregada é baseada na interligação entre alimentadores por chaves normalmente abertas (NA). O fluxograma da Fig. 1 apresenta a sequência de análise empregada, e a Fig. ilustra a aplicação da técnica em uma rede. A. Modelagem da carga A análise do comportamento da carga é fundamental em um estudo de reconfiguração de uma RD, pois características variadas de carga provocam picos de demanda em horários diferentes, e dessa forma a reconfiguração para um estado da rede em um determinado momento pode não satisfazer os objetivos e restrições em momentos posteriores. O método apresentado em [4] é utilizado como referência nesse trabalho. O perfil de carga horário dos consumidores é modelado através de curvas típicas de carga, diferenciado por dias úteis, sábados e domingos, de acordo com a seguinte equação: 1 X t = [ M{ X t } + Me{ X t } + Mo{ X t }] (1) 5 Sendo: X t - é o valor de potência ativa ( P t ) ou reativa ( Q t ) para a hora t da curva típica de carga; M{X t } - média da amostra; Me{X t } - mediana da amostra; Mo{X t } - moda da amostra de valores. A estratégia utilizada para definir a necessidade de reconfiguração da rede é baseada na análise de variações significativas de carga, trabalhando-se com patamares de carga. B. Fluxo de potência Para o cálculo do fluxo de potência em redes de distribuição radiais usou-se o algoritmo tradicional de somatório de Fig. 1. Fluxograma do Método de Reconfiguração Proposto

3 (a) (c) (d) Fig.. Demonstração dos passos do fluxograma: (a) Configuração inicial da rede, Configuração ao fechar chave de interligação NA e abrir 1ª chave NF a montante no sentido chave-fd, (c) configuração ao fechar chave aberta no passo anterior e abrir chave próxima chave NF, (d) inversão do sentido de teste, ao abrir chave NF a montante da chave de interligação, no sentido chave-fd1. A pesquisa desenvolvida por [6] constitui a principal referência desse trabalho. Nela, foi utilizada a técnica de branch-exchange para reconfiguração da rede, associada ao método de Bellman-Zadeh [7] para decisão multicriterial. Para a reconfiguração automática, são considerados apenas os equipamentos telecomandados da rede. Foram adotadas as seguintes funções objetivos e restrições: - minimização das perdas técnicas de energia; - minimização do número esperado de consumidores interrompidos ano; - manutenção da radialidade da rede; - manutenção da operação dentro dos limites da rede, considerando sobrecargas, ajustes da proteção e faixas de tensões admissíveis. A verificação destas condições é realizada durante o processo de cálculo de fluxo de potência, para as diferentes topologias e patamares de carga analisados. O procedimento apresentado na Fig. 1 é repetido para cada interligação da rede, partindo-se da configuração original. D. Algoritmo de tomada de decisão multicriterial Com os resultados obtidos nas análises independentes das interligações, é necessário definir a sequência das alterações na rede, considerando as interligações que apresentam os melhores resultados e as duas funções objetivo definidas. Para exemplificar o problema, uma determinada interligação pode levar a uma maior redução de perdas, e outra pode levar a uma maior redução de consumidores interrompidos ano. A solução ótima pode ser obtida através de análises multicriteriais. O método escolhido para a aplicação nesse projeto é o Método de Bellman-Zadeh, e os detalhes da aplicação desse método são apresentados em [8]. III. ESTUDO DO PARALELISMO DE ALIMENTADORES O paralelismo de redes de distribuição é um recurso que é normalmente utilizado para transferência de cargas entre os alimentadores em situações de contingência ou desligamentos programados. Esse recurso tem como principal objetivo permitir que as transferências de carga ocorram sem a necessidade de desligamento dos consumidores por curta duração - tempo correspondente à realização das manobras. O paralelismo de alimentadores pode também ser utilizado na reconfiguração das redes para melhoria de níveis de tensão e redução de perdas de energia. As manobras para o paralelismo devem ser precedidas de estudos que visam determinar sua viabilidade técnica e operacional. Diante desse panorama, esse item apresenta um estudo que aborda os aspectos de carregamento, proteção e níveis de tensão relacionados ao paralelismo de redes, com análise em regime transitório e em regime permanente. O estudo é direcionado para aplicação em tempo real em redes com reconfiguração automática. A. Integração com o Sistema de Reconfiguração As etapas para a execução do paralelismo são apresentadas na Fig. 3 e levam em consideração os seguintes aspectos: 1) modelagem da rede, considerando as características das fontes, transformadores, linhas e o comportamento da carga. A modelagem dos componentes da rede deve levar em conta o paralelismo como fonte do transitório, para uma correta representação; ) estudos do paralelismo de alimentadores, para determinação de sua viabilidade técnica e operacional, considerando dados provenientes de medições e estimações baseadas no modelo da rede. Os estudos são feitos em tempo real, aplicando a metodologia e a ferramenta desenvolvidas no

4 projeto e, 3) operacionalização do paralelismo, atuando em chaves telecomandadas da rede. Na análise em regime transitório, deve ser feita uma abordagem baseada em transitórios eletromagnéticos, visando identificar as restrições do paralelismo sob o enfoque de sobretensões, sobrecorrentes e limites dos dispositivos de proteção. Os efeitos transitórios ocorrem tanto no chaveamento da rede para a ligação em paralelo, como no retorno à configuração radial (fechamento e abertura das chaves). Na análise em regime permanente, deve ser feita uma abordagem em relação a estudos de carregamentos, baseados em dados de carga de tempo real e em curvas típicas de carga. B. Modelagem da Rede Com a maior disponibilidade de dados das concessionárias de energia elétrica, pode-se chegar a modelos que permitem uma boa representação do sistema real. Para modelagem da rede, foram feitas as seguintes considerações: - Representação dos alimentadores: os alimentadores são representados como uma fonte de tensão em série com uma impedância RL; - Representação da rede de distribuição: são classificadas como linhas curtas, sendo desprezadas as capacitâncias (admitâncias) para a terra, ficando o modelo representado como uma impedância RL em série; - Representação dos equipamentos de manobra telecomandados: Estes dispositivos são representados como chaves que interligam dois pontos da rede, sendo que o modelo indica o estado (aberto ou fechado) e os tempos de abertura e fechamento. - Representação da carga: dentre os modelos possíveis, as cargas foram consideradas como cargas de impedância constante com a tensão, obtidas a partir das potências ativa e reativa absorvidas quando alimentada com a tensão da rede. Assim, a potência absorvida com tensão nominal (V n ), resulta para a impedância (constante): n V Z = () S n Para qualquer valor de tensão V aplicada à carga, a potência absorvida será dada por: V S n V S = = V = S n Z V V (3) n n As cargas elétricas são representadas através de componentes RLC, o que possibilita a inclusão de bancos de capacitores no modelo. C. Algoritmo proposto A metodologia proposta é baseada em estudos prévios realizados com o programa ATP (Alternative Transient Program) que é um programa específico para análise de transientes [4]. A Fig 4 apresenta um modelo básico de rede para análise, alimentando um conjunto de cargas RLC. Nesse circuito, a carga LD. está originalmente ligada ao alimentador FD através da chave normalmente fechada (NF) SW. A rede é reconfigurada, e a carga LD. é transferida para o alimentador FD1, através da chave de interligação normalmente aberta (NA) SW3. Para verificação dos efeitos transitórios durante os chaveamentos, foram definidos os seguintes tempos: em t = 5s, a chave SW3 fecha e os dois alimentadores ficam ligados em paralelo; em t = 10s, a chave SW abre, e o paralelismo é desfeito. A Fig. 5 apresenta o resultado da simulação originado pelo ATP, no qual observam-se as variações de carga nos dois alimentadores durante o paralelismo e após a reconfiguração da rede. A Fig. 6 apresenta o detalhe dos transitórios de corrente que ocorrem no início e no fim do paralelismo e a Fig. 7 ilustra variações de tensão observadas na saída do transformador do alimentador FD. FD: alimentador, LT: linha, TR: transformador, LD: carga, SW: chave Fig. 3. Esquema geral ilustrando o estudo de paralelismo como uma das etapas do processo de reconfiguração automática. Fig. 4. Rede de teste no ATP

5 O algoritmo desenvolvido para o estudo de paralelismo realiza a seguinte sequência de análise: 1) Cálculo do carregamento esperado dos alimentadores após as manobras de reconfiguração. Os resultados dos cálculos de fluxo de potência realizados na etapa de determinação da melhor configuração podem ser aproveitados nessa etapa; ) Comparação dos valores calculados com limites operacionais da rede; 3) Cálculo da sobrecorrente máxima esperada durante os chaveamentos. Esse cálculo utiliza uma equação, baseada na teoria de circuitos, do modelo equivalente da rede, representado pelas impedâncias do alimentador, da carga e da linha e pelas duas fontes. Ressalta-se que o propósito do estudo dos transitórios é identificar violações das restrições dos limites operacionais da rede. Dessa forma, os pontos de interesse da análise são os pontos de máximo e mínimo das grandezas (tensão e corrente), observados durante os chaveamentos. A análise da forma de onda das grandezas durante os transitórios não é implementada no algoritmo. 4) Comparação dos valores calculados com limites operacionais e ajustes dos dispositivos de proteção; 5) Cálculo das tensões esperadas durante os chaveamentos; 6) Comparação dos valores calculados com limites operacionais e ajustes dos dispositivos de proteção. Em cada etapa de comparação, o algoritmo fornece uma indicação da viabilidade técnica da operação. Caso haja violação de restrições em qualquer uma das etapas, as etapas seguintes são abortadas e o programa fornece a indicação de que não é possível executar a reconfiguração. Caso não haja violação de restrições, a reconfiguração automática da rede é viabilizada. I FD1(A), I FD(A) (a) 1 3 (a) I FD1(A), I FD(A) Fig. 6. Detalhe do transitório de corrente: (a) ao fechar SW3 e iniciar o paralelismo, ao abrir SW e finalizar o paralelimo Fig. 5. Simulação de paralelismo de redes no ATP: 1- Antes do paralelismo, - Durante o paralelismo, 3 - Após o paralelismo; (a) Corrente no alimentador FD1, Corrente no alimentador FD. Fig. 7. Variação na tensão de linha no alimentador FD

6 IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS O sistema apresentado está em fase de implantação e testes em uma região piloto da AES Sul Distribuidora Gaucha de Energia, composta por 0 subestações, 15 alimentadores, 14 equipamentos telecomandados (chaves e religadores) e atendendo mais de 50 mil consumidores. Os algoritmos desenvolvidos (definição da melhor topologia e análise multicriterial, e estudos de paralelismo) rodam em uma mesma plataforma computacional, com interface com o sistema supervisório da empresa. A Fig. 8 apresenta o aspecto das telas do programa. Para demonstração de resultados, são apresentados os dados da Tabela 1. Foram consideradas as funções objetivo e restrições apresentadas nesse trabalho, aplicadas a uma rede em horário de patamar de carga pesada. Observa-se que a configuração proposta pelo programa para aquela condição de carga apresenta uma redução considerável nos dois critérios utilizados. A etapa de estudos de paralelismo não apresentou restrições. Os resultados da Tabela 1 são preliminares e demonstram a potencialidade do programa. O sistema desenvolvido ainda não está em operação na rede real. (a) TABELA 1 RESULTADOS DA RECONFIGURAÇÃO DA REDE DA FIG. 8 PARA O PATAMAR DE CARGA PESADA. N Esperado de Perdas de Energia Configuração Consumidores Elétrica Interrompidos Ano Inicial MWh ,4 Proposta MWh ,7 Redução 6, % 8, % Fig. 8. Aspecto das telas do programa desenvolvido: (a) rede elétrica da região metropolitana da AES Sul, tela do sistema desenvolvido com os resultados do fluxo de potência. VI. REFERÊNCIAS V. CONCLUSÕES Foi apresentado um sistema de reconfiguração automática de redes de distribuição, aplicando metodologias de otimização e decisão multicriterial, sendo dada ênfase às condições de paralelismo de alimentadores, que ocorrem durante a reconfiguração da rede. Esse trabalho explora os recursos das tecnologias de medições e controle de equipamentos telecomandados, bem como o avanço na capacidade computacional para simulações e suporte para tomada de decisão on-line, seguindo o conceito das redes inteligentes. O algoritmo desenvolvido apresenta como resultado principal uma indicação confiável da viabilidade técnica da ligação de alimentadores em paralelo. A integração com as chaves telecomandadas, de forma que a reconfiguração da rede possa ser feita de forma automática é um dos diferenciais do projeto. Os testes do protótipo desenvolvido são feitos em uma rede de distribuição real de uma concessionária de energia, e os resultados preliminares indicam que o sistema deve possibilitar a redução de perdas de energia e do número de consumidores interrompidos ano da concessionária. [1] Z. Vale et al, Distributed Energy Resources Management with Cyber- Physical SCADA in the Context of Future Smart Grids, in Proc. IEEE th Mediterranean Electrotechnical Conference, pp [] T. Thakur and Jaswanti, Study and Characterization of Power Distribution Network Reconfiguration, in Proc. 006 IEEE Transmission & Distribution Conference and Exposition: Latin America, pp [3] P. Zhang, F. Li, N. Bhatt, Next-Generation Monitoring, Analysis, and Control for the Future Smart Control Center, IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 1, Issue, pp , July 010. [4] D. Bernardon, L. Comassetto and L.N. Canha, Studies of Parallelism in Distribution Networks Served by Different-Source Substations, Electric Power Systems Research, Elsevier, vol. 78, no. 3, pp , 008. [5] W.H. Kersting and D.L. Mendive, An application of ladder network theory to the solution of three-phase radial load-flow problems, in Proc IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, vol. A , pp [6] D. Bernardon et al, A Real-Time Operation Analysis System for Distribution Networks, Electric Power Systems Research, Elsevier, 007. [7] R. Bellman, L. Zadeh Decision making in a fuzzy environment, Management Science, Vol.17, p , [8] D. Bernardon, V.J. Garcia, A.S.Q. Ferreira and L.N. Canha, Multicriteria Distribution Network Reconfiguration Considering Subtransmission Analysis, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 5, no. 4, pp , 010.