Modelagem e Aplicação do Programa ATP para Estudos de Paralelismo nas Redes de Distribuição Atendidas por Subestações de Diferentes Fontes

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1 a 5 de Agosto de 006 Belo Horizote - MG Modelagem e Aplicação do Programa ATP para Estudos de Paralelismo as Redes de Distribuição Atedidas por Subestações de Diferetes Fotes M.Sc. Daiel P. Berardo AES Sul Divisão de Operação do Sistema daiel.berardo@aes.com Roberto Rech AES Sul Divisão de Operação do Sistema roberto.rech@aes.com Fracisco D. Veiga AES Sul Divisão de Operação do Sistema fracisco.diuer@aes.com Gerete Lucas T. da Luz AES Sul Divisão de Operação do Sistema lucas.luz@aes.com RESUMO Apesar de ormalmete os sistemas de distribuição operarem radialmete, eles apresetam possibilidades de alteração da topologia através da abertura ou fechameto dos equipametos de maobra. Esta alteração pode ocorrer em duas situações. a primeira, quado se procura otimizar a cofiguração elétrica das redes, buscado alcaçar ídices meores de queda de tesão e de perdas, bem como aumeto da cofiabilidade. a seguda, quado se tem a ecessidade de trasferir carga de um alimetador para outro, em decorrêcia de alguma cotigêcia ou desligameto programado. Em ambas situações, deve-se levar em cota que múltiplas comutações as redes, devem provocar, durate um curto espaço de tempo, algus desligametos em cosumidores, especialmete quado os alimetadores são atedidos por subestações de diferetes fotes. Estas iterrupções provocam íveis de cotiuidade de eergia idesejáveis aos cosumidores, os quais estão mais rigorosos quato à qualidade do forecimeto de eergia elétrica. Esse cotexto motivou o presete trabalho, cuja proposta é o desevolvimeto de uma metodologia para aálise da viabilidade técica dos paralelismos as redes de distribuição, através do uso do programa ATP (Alterative Trasiet Program), evitado assim o desligameto de cosumidores. Como resultado, serão apresetados estudos de casos a área de cocessão da AES Sul. PALAVRAS-CHAVE ATP, Modelagem Elétrica, Paralelismo, Redes de Distribuição.. ITRODUÇÃO A partir da década de 60, iiciou-se o desevolvimeto do programa EMTP (Eletromagetic Trasiet Program) por Herma W. Dommel, para a Boeville Power Admiistratio (BPA). O programa iicial trabalhava com simulação de circuitos moofásicos através de modelos de idutâcias, capacitâcias e resistêcias em lihas sem perdas, icluido uma chave e uma fote de excitação. Os elemetos cocetrados utilizavam a regra de itegração trapezoidal e as lihas de trasmissão, o método Bergero. /9

2 Com o passar dos aos, o programa foi sofredo alterações de diversos colaboradores do mudo todo. A partir de 973, Scott Meyer assumiu a coordeação e o desevolvimeto do programa a BPA, estabelecedo um processo de desevolvimeto articulado com os usuários do EMTP, que o torou uma ferrameta poderosa em estudos de trasitórios em sistemas elétricos. Divergêcias etre Scott Meyer e o EPRI (Electric Power Research Istitute, que ivestiu o projeto do EMTP a partir de 984) levaram à criação de uma ova versão do EMTP (baseada a versão M39), a qual foi eviada para a Bélgica, ode foi istalado o Leuve EMTP Ceter (LEC). Esta ova versão é deomiada ATP - Alterative Trasiet Program, que costitui a cotiuação das versões ateriores do programa. As ovas atualizações dispoibilizadas do programa ATP/EMTP, possuem melhores facilidades gráficas como o pré-processador gráfico e o gráfico PLOTXY, os quais permitem trabalhar utilizado somete o ambiete widows, a esta versão mais sofisticada chamamos de ATP Draw. O ATP Draw os permite modelar adequadamete os sistemas elétricos, reproduzido o mais fiel possível à cofiguração elétrica real das redes, além de apresetar o uifilar em ambiete gráfico. A proposta deste trabalho é o desevolvimeto de uma metodologia para aálise da viabilidade técica dos paralelismos as redes de distribuição atedidas por subestações de diferetes fotes, através do uso do programa ATP Draw, evitado assim o desligameto de cosumidores, durate um curto espaço de tempo, para fechameto e/ou abertura de equipametos de maobra. Os estudos elétricos serão realizados sob os aspectos de carregameto, tesão e proteção, tato em regime trasitório como em permaete. Porém, por questões de seguraça operativa, os paralelismos serão executados somete para realização das trasferêcias de carga, retorado a cofiguração radial, após as maobras. A vatagem da aplicação desta metodologia está a represetação dos sistemas de trasmissão e de distribuição uma mesma plataforma e as aálises dos trasitórios eletromagéticos, ode os softwares covecioais ão cotemplam estes recursos.. MODELAGEM DOS SISTEMAS ELÉTRICOS A modelagem eficiete e adequada dos elemetos de um sistema elétrico é um dos pricipais fatores o processo de aálise dos paralelismos as redes de distribuição, atedidas por subestações de diferetes fotes. Depededo da quatidade e qualidade das iformações dispoíveis as cocessioárias de eergia elétrica, pode-se obter um grau maior ou meor de precisão em comparação a uma situação real 3. este tópico são descritas as técicas utilizadas para a modelagem dos elemetos elétricos pertecetes às redes de trasmissão e de distribuição, o programa ATP Draw... Fote o ATP Draw as fotes são represetadas por geradores trifásicos e simétricos, ou seja, sistema trifásico em que as tesões os termiais dos geradores são seoidais, de mesmo valor máximo, e defasadas etre si de 0. Assim, para sua represetação, basta o usuário idicar o valor da amplitude e defasagem agular da fote. Como valor de impedâcia itera é iserido o equivalete dos sistemas de trasmissão. /9

3 .. Trasformadores de Potêcia FIGURA : Circuito Elétrico Equivalete da Fote. um trasformador real, embora hermeticamete acoplado pelo úcleo de ferro, uma pequea porção de fluxo disperso é produzida os erolametos primário e secudário, φ e φ, respectivamete, além do fluxo mútuo, φ m 4. FIGURA : Represetação de um Trasformador com Dois Erolametos. O fluxo disperso primário, φ, produz uma reatâcia idutiva primária X L e o fluxo disperso secudário, φ, produz uma reatâcia idutiva secudária, X L. Além disto, os erolametos primário e secudário são costituídos de codutores de cobre, que têm certa resistêcia. A resistêcia itera do erolameto primário é r e a do secudário é r. As resistêcias e reatâcias dos erolametos produzem quedas de tesão o iterior do trasformador, como resultado das corretes primária e secudária. a Figura 3 está represetado o circuito equivalete de um trasformador com a resistêcia e reatâcia iteras secudárias refletidas ao primário. A correte primária, I, é a soma da correte de magetização, I m, e da correte de carga, I, ambas refletidas ao primário. Além disto, R m represeta o parâmetro equivalete às perdas de potêcia o ferro do úcleo do trasformador (perdas por histerese e por corretes parasitas) e devidas à correte de magetização, I m. ote-se que X Lm está em paralelo com R m e represeta as perdas reativas devido à excitação magética do úcleo. FIGURA 3: Circuito Equivalete do Trasformador. Se o trasformador estiver com carga, a compoete de carga da correte primária I pode ser muito maior que a correte de magetização, I m, sedo esta cosiderada como desprezível. Fazedo isso, é 3/9

4 possível agrupar as resistêcias e reatâcias iteras dos circuitos primário e secudário, de modo a produzir os seguites parâmetros equivaletes: R e = r + a r = resistêcia equivalete referida ao primário X e = X L + a X L = reatâcia equivalete referida ao primário Z e = R e + jx e = impedâcia equivalete referida ao primário FIGURA 4: Circuito Equivalete do Trasformador. O ATP Draw ecessita das impedâcias equivaletes para represetação do trasformador, além da relação de trasformação e tipo de ligação..3. Redes Elétricas O trasporte de eergia elétrica em um sistema de potêcia é realizado através das redes elétricas, e o seu desempeho depede quase exclusivamete de sua geometria, ou seja, de suas características físicas. Os parâmetros das redes são represetados por uma impedâcia em série, resistêcia e reatâcia, como segue: Z = r L + j x L L () Ode: Z = impedâcia do trecho de rede por fase ( Ω ); r = resistêcia uitária por fase ( Ω /km); xl = reatâcia idutiva uitária por fase ( Ω /km); L = comprimeto do trecho de rede (km). FIGURA 5: Represetação dos Parâmetros Elétricos das Redes. Para modelagem o ATP Draw é suficiete que as cocessioárias teham o cadastro do comprimeto, da quatidade de fases e do tipo de codutor utilizado em cada trecho de rede..4. Equipametos de Maobra Estes dispositivos são cosiderados como chaves que iterligam dois potos da rede, costado à idicação do seu estado, aberto ou fechado. Também é ecessário idicar o tempo de abertura e fechameto dos equipametos..5. Cargas Elétricas As cargas elétricas podem ser equilibradas ou desequilibradas, sedo represetadas por um cojuto de impedâcias complexas Z = R + jx. A potêcia absorvida por uma carga depede de sua atureza, e pode variar em fução da tesão a ela aplicada. Existem vários modelos para a represetação do comportameto da carga em fução da tesão aplicada, detre os quais destacamos 5 : 4/9

5 - cargas de potêcia costate com a tesão; - cargas de impedâcia costate com a tesão. Para as cargas de potêcia costate com a tesão, as potêcias ativa e reativa permaecem costates, e iguais aos seus valores omiais, ou seja: S = P + Q () Ode: S = potêcia aparete omial; P = potêcia ativa omial; Q = potêcia reativa omial. este caso, a correte absorvida pela carga, quado alimetada com uma tesão qualquer V, é obtida por: S I = (3) V ou seja, a correte absorvida é iversamete proporcioal à tesão aplicada. Para as cargas de impedâcia costate com a tesão, a impedâcia da carga matém-se costate, e é obtida a partir das potêcias ativa e reativa absorvidas quado alimetada com tesão omial. Assim, sedo: S = P + Q (4), potêcia absorvida com tesão omial (V ), resulta para a impedâcia (costate): V Z = (5) S Para qualquer valor de tesão V aplicada à carga, a potêcia absorvida será dada por: V S = Z S = V V = V V S (6) ou seja, a potêcia absorvida pela carga varia quadraticamete com a tesão a ela aplicada. Optou-se em represetar as cargas elétricas o ATP Draw como sedo de impedâcia costate com a tesão. 3. MODELAGEM DAS CARGAS ELÉTRICAS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO Um dos passos iiciais e que pode ser cosiderado base para o desevolvimeto de métodos e ferrametas eficietes para aálise de sistemas de distribuição é a modelagem adequada das cargas elétricas, de forma que suas variações ao logo do tempo possam ser corretamete represetadas. Qualquer método de modelagem ecessita trabalhar, da melhor maeira possível, com a carêcia de iformações dispoíveis, característica ierete às particularidades dos sistemas de distribuição, ormalmete costituídos por uma grade quatidade de trechos de rede com várias ramificações, cobrido extesas áreas geográficas, com a preseça de equipametos de medição somete para registro do cosumo de eergia dos cosumidores. Porém, a utilização direta desse tipo de iformação ão é possível, pois uma correta modelagem das cargas os sistemas de distribuição requer a determiação de valores de demada em períodos bem meores do que um mês. A represetação das cargas elétricas através de curvas diárias de demadas horárias (curvas típicas de carga), ormalizadas em fução da demada ativa máxima, ormalmete gera resultados satisfatórios e foi utilizada este trabalho. A grade diversidade de tipos de carga (cosumidores) ecotradas os sistemas de distribuição e a ecessidade de realização de um eorme volume de medições, dificultam a utilização de curvas de carga com apeas um valor (determiístico) para a represetação da demada o itervalo de uma hora. Por isso, foram desevolvidos e propostos ovos métodos para o tratameto dos dados utilizados 5/9

6 para a costrução das curvas típicas de carga. Essa proposta apreseta vatages em relação aos métodos estatísticos tradicioais, tato pela redução da ifluêcia de valores aleatórios quato pela quatidade meor de medidas ecessárias para formar uma amostra represetativa dos tipos de carga. o lugar da utilização da simples média para a determiação dos valores de potêcia ativa e reativa para uma ordeada da curva típica de carga, é proposto o uso da seguite equação 6 : X t = [ M { X t } + Me{ X t } + Mo{ X t }] (7) 5 Ode: X t = valor de potêcia ativa ( Pt ) ou reativa ( Q t ) para a hora t da curva típica de carga; M{Xt} = média da amostra; Me{Xt} = mediaa da amostra; Mo{Xt} = moda da amostra de valores. De acordo com os dados de cosumo mesal de eergia elétrica e atividade ecoômica desevolvida, cada cosumidor é associado a uma curva de carga típica, permitido assim, também a defiição do seu fator de carga (f C ). Com base os valores de fator de carga e de cosumo mesal de eergia elétrica, calcula-se a demada máxima para um grupo de cosumidores k: P Wk Máx T (8) f Ck Como as curvas típicas utilizadas são ormalizadas em relação à demada ativa máxima, a costrução da curva de carga para um grupo de cosumidores k é realizada através da multiplicação de cada ordeada por esse valor: * * P = P P ; P = P * P ; P = P P (9) Q kut kut Máxk Máxk kut * kut kst Máxk kst kdt Máxk = P Q ; Q * ; Q * = P Q (0) k = P k Q kst Máx kst Ode: P* kt e Q* kt = valores de potêcia, ativa e reativa, ormalizados para a ordeada t da curva típica k; U = Dias Úteis; S = Sábados; D = Domigos ou Feriados. kdt A costrução das curvas de carga itegrais para dias úteis, sábados e domigos para o trasformador de distribuição j é realizada através da soma das curvas de carga dos diversos grupos de cosumidores i a ele coectado: P jut P iut Q jut Q iut ; P jst P ist e P jdt P idt () Máx ; Q jst Q ist e Q jdt Q idt () Assim, tem-se a possibilidade de aalisar vários patamares de carga o ATP Draw, de acordo com a ecessidade da cocessioária. 4. ESTUDO DE CASO DE PARALELISMOS AS REDES DE DISTRIBUIÇÃO ATEDIDAS POR SUBESTAÇÕES DE DIFERETES FOTES Como estudo de caso, serão cosideradas as aálises realizadas para ateder a solicitação de desligameto programado a subestação ovo Hamburgo (69/3kV 4MVA), pertecete a AES Sul, um domigo das 08:00h às 7:00h. O objetivo pricipal é trasferir toda a sua carga para outras subestações, através do fechameto e abertura de chaves as redes de distribuição, sem ocasioar ehuma iterrupção de curta duração os cosumidores, 0.3 clietes ligados a esta SE. Para isto, é ecessário verificar a viabilidade técica kdt kdt 6/9

7 das maobras, que serão realizadas em ael, resultado o paralelismo das redes de distribuição atedidas por subestações de diferetes fotes. 4.. Seqüêcia de Maobras FIGURA 6: Represetação do Estudo de Caso o Programa ATP Draw. A subestação ovo Hamburgo (SE HA) possui oito módulos de alimetadores (AL s), sedo que um deles é utilizado como trasferêcia (AL 0 SE HA). Para os remaejo de carga, primeiramete avaliou-se os carregametos das subestações evolvidas, em regime permaete, para o período de maior carregameto (h). Assim, defiiu-se a ordem de trasferêcia a ser executada, visado equilibrar os carregametos durate o paralelismo. Segue a seqüêcia de maobras:. Colocar o AL 04 SE HA juto com o AL 03 SE HA, através de maobras em ael a rede de distribuição, para posteriormete fechar o paralelismo etre as subestações ovo Hamburgo, 69/3kV, e Scharlau (SE SCH), 30/3kV, através do AL 3 SE SCH.. Colocar os AL s 05, 06 e 07 da SE HA o barrameto de trasferêcia da SE HA, para possibilitar o paralelismo dos mesmos, através da rede do AL 06 SE HA com o AL 0 SE SCH, o qual é atedido pela SE SCH, porém pelo trasformador 38/3kV. 3. Trasferir o AL 0 SE HA para o AL 05 da subestação Campo Bom (SE CBO), 30/3KV, através do paralelismo. 4. Trasferir o AL 08 SE HA para o AL 05 da subestação Caudos (SE CD), 69/3KV, através do paralelismo. Assim, caso o estudo elétrico seja viável, todos os alimetadores da subestação ovo Hamburgo são trasferidos, via redes de distribuição, para as Subestações Scharlau, Campo Bom e Caudos, sem ocasioar ehuma iterrupção de curta duração os cosumidores. 4.. Tempos de Fechameto e Abertura dos equipametos de Maobra O ATP DRAW os permite aalisar todas as etapas da maobra uma úica simulação, sedo ecessário apeas idicar os tempos de fechameto e abertura dos equipametos. este trabalho, adotou-se o itervalo de tempo de s etre os passos da maobra. Também se idicou tempos 7/9

8 diferetes etre as fases, para as chaves moopolares, possibilitado verificar as corretes que circulam o eutro, o istate de fechameto ou abertura do paralelismo Aálise dos Comportametos Trasitórios durate o Paralelismo Após modelagem e aplicação do ATP Draw, avaliou-se os seus resultados (corretes e tesão), em três potos pricipais: chaves de iterligação, saída dos circuitos alimetadores e os trasformadores de potêcia. O objetivo é verificar o carregameto dos equipametos evolvidos, afudametos e sobretesões, valores ajustados os dispositivos de proteção. Se o estudo ão apresetar estas restrições, ele é cosiderado viável tecicamete, pois ão acarretará sobrecarga e em distúrbios de tesão ao sistema, além da garatia que ão haverá desarme por proteção. a Figura 7 está represetado o comportameto das corretes o istate de fechameto da chave de iterligação HA 3, paralelismo das redes de distribuição etre as subestações HA (69/3kV) e SCH (30/3kV). Também está ilustrado o mometo de abertura do paralelismo, através do desligameto do disjutor do AL 03 SE HA. FIGURA 7: Comportameto das Corretes o Istate de Fechameto da Chave HA 3 e Desligameto do Disjutor do AL 03 SE HA. Assim, com a realização destes passos da maobra, o sistema de trasmissão também sofre alterações, seja de aumeto ou perda de carga, durate o paralelismo, coforme demostra a Figura 8. 8/9

9 FIGURA 8: Comportameto das Corretes as Subestações ovo Hamburgo e Scharlau. Como os resultados ão apresetaram restrição, cosiderou-se o estudo viável tecicamete. Ressaltase que este desligameto foi realizado em campo, ode a oportuidade realizou-se a seqüêcia de maobra apresetada, sem ocasioar ehuma iterrupção de curta duração os cosumidores. Também se compararam os resultados da simulação com os de campo, apresetado-se satisfatórios. 5. COCLUSÕES O objetivo pricipal do trabalho cosistiu em desevolver uma metodologia para aálise da viabilidade técica dos paralelismos as redes de distribuição atedidas por subestações de diferetes fotes, através do uso do programa ATP (Alterative Trasiet Program), resultado em uma aplicação cofiável para as cocessioárias de eergia elétrica, além de melhorar a qualidade dos serviços prestados aos clietes. Para uma avaliação real da metodologia, realizaram-se estudos de casos com dados reais da AES Sul, distribuidora gaúcha de eergia. Como os resultados demostrados e discutidos, apresetaram-se satisfatórios, o objetivo do trabalho foi alcaçado. 6. REFERÊCIAS BIBLIOGRÁFICAS BERARDO, D.P. et al. Emprego de ovas Metodologias e Algoritmos mais eficietes para Modelagem das Cargas Elétricas e Estimação de Estados em Sistemas de Distribuição. XVI SEDI Semiário acioal de Distribuição de Eergia Elétrica, Brasília / DF, ovembro/004. AMO, J. Fº; PEREIRA, M.P. ovos Desevolvimetos dos Programas ATP/EMTP e APTDraw. XVI STPEE, Campias / SP, outubro/00. 3 CIPOLI, J.A. Egeharia de Distribuição. Rio de Jaeiro, Ed. Qualitymark, KOSOW, Irvig L.. Máquias elétricas e trasformadores. 4.ed. São Paulo: Globo, ROBBA, Eresto João. Itrodução a sistemas elétricos de potêcia: compoetes simétricas. São Paulo: Forese, p. 6 KÖIG, A.L.; BERARDO, D.P.; CAHA, L..; POPOV, V.A. Modelagem das Curvas de Carga dos Cosumidores de um Sistema de Distribuição. CPFL Evolução Semiário Técico, Campias / SP, 00. 9/9