PAPER 1/6. Algoritmo para Localização de Faltas em Redes de Distribuição de Energia Elétrica com a Presença de Unidades de Geração Distribuída

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1 PAPER 1/6 Tite Agoritmo para Locaização de Fatas em Redes de Distribuição de Energia Eétrica com a Presença de Unidades de Geração Distribuída Registration Nº: (Abstract) Empresa o Entidad Universidade de São Pauo USP Daimon Engenharia e Sistemas LTDA Authors of the paper Name Country e-mai Giovanni Manassero Junior Brazi manassero@uspbr Vitor Takeda Brazi vitortakeda@daimoncombr Pauo Ricardo Radatz de Freitas Brazi pauoradatz@gmaicom Keywords Sistemas de distribuição de energia eétrica, ocaização de fatas, unidades de geração distribuída Este trabaho apresenta o desenvovimento e a impementação de um agoritmo para a ocaização de fatas em redes primárias de distribuição que possuam unidades de geração distribuída instaadas ao ongo de seus aimentadores O agoritmo de ocaização de fatas é capaz de identificar corretamente os ocais dos eventos de curto-circuito, com base nos registros dos sinais de tensões e correntes fornecidos por dispositivos eetrônicos inteigentes instaados na subestação e nas barras onde as unidades de geração distribuída estão conectadas, bem como na topoogia das redes de distribuição e em informações sobre o seu estado de funcionamento Aém disso, esses agoritmos utiizam as informações sobre os parâmetros eétricos dos aimentadores, dos transformadores de distribuição e os parâmetros eétricos dos geradores A vaidação dos agoritmos desenvovidos é baseada em simuações computacionais que utiizam modeos de rede impementados no software Aternative Transient Program - ATP 1/6

2 PAPER 2/6 I INTRODUÇÃO Tradicionamente, os requisitos empregados nos processos de especificação, projeto e construção dos sistemas eétricos de potência foram concebidos para garantir o atendimento aos consumidores, respeitando imites de toerância com reação aos níveis de tensão e interrupção do fornecimento [1], [2] Com a desreguamentação do setor eétrico as concessionárias de energia viram-se obrigadas a operar em um ambiente de competição, que resutou na necessidade de redução de custos, no aumento da confiabiidade do sistema e na mehoria dos índices de quaidade do serviço prestado ao consumidor [3] Atuamente, o crescimento na demanda de energia e, em particuar, o aumento da demanda por energia proveniente de fontes impas e renováveis impuseram novos desafios ao setor [4], [5] Essas constantes mudanças de cenário têm impuionado sobremaneira o crescimento de estudos e pesquisas no campo dos sistemas eétricos de potência Iniciamente, o objetivo desses estudos e pesquisas era restrito às mehorias nos índices de continuidade de serviço da rede e na quaidade da energia entregue aos consumidores, para atender às necessidades impostas pea desreguamentação do setor [1] Atuamente, os esforços têm se concentrado no aumento da apicação da tecnoogia digita, no que se refere ao monitoramento, supervisão, proteção, medição e controe dos sistemas [6], bem como no estudo de novas topoogias que possam acomodar de maneira adequada autoprodutores de energia eétrica, de forma a suprir a crescente demanda [7] Nesse contexto, parte dos estudos no campo dos sistemas eétricos de potência foi direcionada à eaboração de novos requisitos para o processo de especificação, projeto e construção dos sistemas de distribuição de energia eétrica, com o objetivo de aprimorá-os, otimizando o fuxo da energia de acordo com a demanda individua dos consumidores, o suporte de reativos e a possibiidade de estabeecimento de novos negócios Sendo assim, novas características estão em processo de incorporação às redes de distribuição de energia eétrica para torná-as redes eétricas inteigentes [8] Dentre eas pode-se destacar: Participação dos consumidores: a troca de informações e de energia entre consumidores e concessionárias pode viabiizar a impantação de diversos programas de resposta peo ado da demanda, a precificação dinâmica da energia eétrica e a otimização dos recursos energéticos distribuídos (DER Distributed Energy Resources) Atuamente, a infraestrutura avançada de medição (AMI Advanced Metering Infrastructure) é a tecnoogia capaz de tornar viáve essa troca [9]; Acomodação de produtores independentes de energia eétrica: a garantia de ivre acesso às redes eétricas pode produzir cenários favoráveis para a captação de recursos peo setor eétrico para a acomodação de produtores independentes de energia eétrica, resutando em redução no preço dessa energia No entanto, a proiferação desses produtores pode produzir impactos negativos nos índices de confiabiidade dos sistemas eétricos convencionais e, aém disso, pode inviabiizar o uso de métodos tradicionais de proteção e controe, especiamente quando os produtores independentes são conectados às redes de distribuição, aterando sua característica tipicamente radia [10] [11]; Novos produtos e serviços: veícuos eétricos do tipo pugin e eetrodomésticos que podem ser controados remotamente via AMI são exempos de produtos que podem ocupar posição de destaque no mercado, com o desenvovimento das redes eétricas inteigentes Não obstante, a viabiização de novos produtos e serviços depende da consoidação de poíticas, reguamentações, tecnoogias, incentivos e financiamentos para o desenvovimento e impantação dessas redes; Quaidade de energia: como nem todos os consumidores possuem os mesmos requisitos de quaidade de energia eétrica, variações nos níveis de tensão e presença de conteúdo harmônico podem afetá-os distintamente A produção independente de energia pode contribuir para mitigar esse probema (pexa geração distribuída pode contribuir com a manutenção dos níveis de tensão nas redes e as microrredes podem operar de maneira independente da infraestrutura de distribuição)no entanto, essa maneira de se produzir energia possui os inconvenientes descritos anteriormente; Otimização dos ativos e eficiência energética: a busca pea eficiência energética passa necessariamente peas empresas do setor e peos consumidores Do ponto de vista dos consumidores, informações acerca de seu padrão de consumo podem contribuir com a redução no desperdício de energia eétrica, por meio de mudanças em seus hábitos Do ponto de vista das empresas do setor, a eficiência energética pode ser obtida com a substituição, ainda que gradua, dos equipamentos e sistemas menos eficientes, bem como com a uti- 2/6

3 PAPER 3/6 I S Z Z I DG Início k = 0 V S V DG Z Z 20 Z Z 30 Investigação do k-ésimo trecho Z Trecho de inha entre duas ou mais fontes? sim Figura 1- Rede de distribuição ização de técnicas de controe que possam contribuir com a redução das perdas técnicas e do congestionamento das redes eétricas Para esse propósito pode-se empregar unidades de geração distribuída; Operação resiiente a distúrbios: a expansão dos sistemas de automação e o emprego de unidades de geração distribuída, principamente nas redes de distribuição, pode ampiar a capacidade de isoar rapidamente regiões afetadas por perturbações nos sistemas eétricos, sem interromper o fornecimento de energia eétrica às demais regiões Aém disso, o avanço no emprego das unidades de medição fasoria sincronizada pode contribuir para mehorar a percepção do estado operativo dos sistemas eétricos como um todo; A incorporação dessas características deve produzir impactos significativos nos processos de especificação, projeto e construção de novos empreendimentos e ampiações nos sistemas eétricos de potência Ademais, a incorporação de produtores independentes nos sistemas eétricos de potência pode ocasionar aterações nos sistemas de proteção e automação, em especia quando essa incorporação ocorrer em redes de distribuição radia É nesse contexto que se insere o trabaho proposto II METODOLOGIA A metodoogia de ocaização de fatas proposta neste trabaho foi desenvovida para aimentadores de distribuição, que possuam unidades de geração distribuída Essa metodoogia é baseada no cácuo eétrico do curto-circuito, em componentes de fase, e utiiza como dados de entrada as informações sobre a topoogia e os parâmetros eétricos do aimentador de distribuição, bem como medições de tensões e correntes na barra da subestação e nas barras onde as unidades de geração distribuída estão conectadas A Fig 1 iustra esse cenário Nessa figura pode-se notar que o aimenta dor possui quatro barras distintas (10, 20, 30 e 40) e apenas uma unidade de geração distribuída A subestação Figura 2- Diagrama de bocos da metodoogia proposta está conectada na barra 10 e a GD está conectada na barra 30 e há medições de tensões e correntes em ambas as barras Em virtude das dimensões típicas dos aimentadores de distribuição, seus trechos podem ser modeados pea matriz de impedâncias série, em componentes de fase ( a ) e as cargas podem ser modeadas peas não Agoritmo I (apenas um termina) x(k), R F (k) k = k 1 matrizes de carga, também em componentes de fase ( a ) A metodoogia proposta consiste em efetuar o procedimento para a ocaização da fata em todos os trechos do aimentador, utiizando dois agoritmos distintos, em consequência da natureza do trecho investigado Isto é, caso os vaores dos fasores das tensões e correntes em ambas as barras que deimitam o trecho investigado possam ser cacuados, a metodoogia proposta utiiza um agoritmo Caso apenas os vaores dos fasores das tensões e correntes no início do trecho investigado possam ser cacuados, a metodoogia proposta utiiza outro agoritmo A Diagrama de bocos Agoritmo II (dois teminais) x(k), ΔV F (k) O diagrama de bocos representado pea Fig 2 iustra o procedimento desenvovido para a determinação do ponto de ocorrência da fata Como descrito, a investigação do ponto de ocorrência da fata pode utiizar dois agoritmos distintos: o ago ritmo baseado nos fasores das tensões e correntes disponíveis apenas no início do trecho investigado (agoritmo I); ou o agoritmo baseado nos fasores das tensões e correntes disponíveis em ambos os terminais do trecho investigado (agoritmo II) B Agoritmo I - Fasores de tensões e correntes em apenas um termina Para exempificar o agoritmo proposto, 3/6

4 PAPER 4/6 x x x x 20 I 20 Z 20-F V 20 F Z 40-F I I F R F V F Z I 20 Z 20-F V 20 F Z 30-F I R F V F V 30 Figura 3 Agoritmo I considere o modeo de rede de distribuição iustrado na Fig 1 Caso o trecho investigado pea metodoogia seja o trecho deimitado entre as barras 20 e 40 pode-se obter o sistema equivaente iustrado na Fig 3 e proceder com a ocaização da fata utiizando o agoritmo I Neste caso, as incógnitas são: : ponto de ocorrência da fata; : resistência de fata; E os demais dados conhecidos são: : fasor da tensão de pós fata no nó 20; : fasor da corrente de pós fata no nó 20; : impedância por quiômetro do trecho Para o cácuo dos fasores das tensões e correntes no início deste trecho investigado, deve-se partir dos fasores das tensões e correntes na barra da subestação e na barra de conexão da unidade de geração distribuída A partir desses dados é possíve cacuar as quedas de tensão nos trechos de rede e as correntes fornecidas as cargas nesses trechos Sendo assim, considere que a tensão na barra 20 pode ser obtida pea equação (1) (1) Enquanto a corrente no trecho pode ser obtida pea equação (2): ; = (2) A partir desses vaores, pode-se cacuar a parcea da corrente injetada na barra 20 a partir da subestação e da unidade de geração distribuída, conforme descrito pea equação (3) =! ; (3)! Onde: = "# $ ; (4) $ O cácuo da distância da fata e da resistência de fata pode ser efetuado a partir da soução da equação (5): = (5) Para tanto, é necessário determinar a corrente de fata Essa determinação pode ser efetuada admitindo-se que a corrente de carga no instante Figura 4 Agoritmo de dois terminais imediatamente anterior à fata é igua à corrente de carga durante a fata, conforme a equação (6) Vae ressatar que a corrente de pré-fata pode ser estimada pro quaquer método de cácuo baseado no cácuo do fuxo de potência, durante a pré-fata % = Onde: %,'() : %,'() (6) fasor da corrente de pré-fata consumida pea carga; e % %,'() (7) A distância do oca da fata e a resistência de fata ( e ) podem ser cacuadas separando-se a equação (5) em parte rea e parte imaginária Nesse caso, é possíve construir um sistema inear que possui duas equações e duas incógnitas C Agoritmo II - Fasores de tensões e correntes em ambos os terminais O agoritmo de dois terminais é usado caso o trecho candidato possua medições de tensões e correntes em ambos os terminais Considerando a rede iustrada na Fig 1, pode-se utiizar este agoritmo para os trechos ou A Fig 4 iustra o trecho entre os nós 20 e 30, por exempo Nesse caso, a corrente injetada no nó 20 é dada pea equação (8)!!! - *!, /!,0, ; (8) No nó 30, as medições fornecem os vaores da corrente e da tensão, segundo a equação (9) = "#; e ="# 12 ; (9) $ A tensão no ponto de fata, cacuada por meio dos dados de tensões e correntes no nó 20 é 3 ; (10) Porém, essa mesma tensão pode ser cacuada a partir dos dados no nó % ( ) (11) A tensão no ponto de fata, cacuada peos dois ados deveria ser idêntica Sendo assim 3 33 = (12) 4/6

5 PAPER 5/6 I S Z Z Z Z I GD, V S Z I DG,2 Z 20 Z Z 30 Z Z Z Z 90 Z 40 Z Z 100 V DG,3 Z 50 I DG,3 V GD,1 A B C 08 N E V DG,2 Z 120 I DG,4 Figura 5 Rede de distribuição simuada % = % ( ) (13) Portanto = 7!$0*!$!$ / $ /!0/$ III Z Z V DG,4 Z 130 SIMULAÇÕES (14) O sistema de ocaização de fatas foi simuado utiizando dados produzidos peo ATP Simuações de curto-circuito foram reaizadas em um aimentador de distribuição cuja topoogia está representada na Fig 5 Esse aimentador possui tensão nomina de 13,8 [kv] é composto por um tronco cujas barras são 10, 20, 30, 40 e 50 Quatro geradores são conectados a esse aimentador: GD1 a GD4 As cargas foram modeadas como impedância constante e o consumo tota é 2,2 [MVA] (fator de potência 0,92) A potência de curto-circuito trifásico (8 : 9 ), a potência de curto circuito monofásico (8 : 9 ), e as tensões na saída da subestação e nos geradores distribuídos estão presentes na Tabea I Os postes e os condutores utiizados nos casos de simuação são tipicamente empregados em redes de 13,8 [kv] e estão iustrados na Fig 6 Os trechos de inha foram simuados utiizando a rotina Line Constants do ATP e esses trechos são compostos por condutores de fase de 336,4 MCM ACSR e condutor de cobre 1/0 AWG no neutro O soo possui ρ = 100 [Ωm] Tabea II apresenta os parâmetros utiizados na simuação do ATP Quatro tipos de fatas, com resistências de fata variando de 0 até 50 [Ω] foram simuadas, em doze pontos dis Obs A distances in meters Obs: Todas as distâncias em metros Figura 6 Poste de Distribuição Tabea I Dados de curto-circuito Nó 8 : 99 [MVA] 8 99 [MVA] ;[pu] SE º º 105 0º DG º º 100-2º DG º 75-80º 101-1º DG º º 099-3º DG º 85-85º º Tipo da fata Tabea I Dados de curto-circuito Instante Número de da Fata pontos [Ω] 0,1,5,20 Número simuações AN 60 e 50 37,50 12 BC/BCN 0,1 e 5 72 ABC 0,1 e 5 36 tintos Aém disso, para anaisar o efeito dos erros no cácuo da distância foram produzidos três conjuntos de casos de simuação descritos a seguir Esses conjuntos de casos foram comparados com o caso idea (Caso I) para que fosse possíve determinar individuamente os seus impactos Caso idea (Caso I); Estimativa das cargas (Caso II): neste conjunto de simuações foi introduzida deiberadamente uma variação de média 100 [%] e desvio padrão de 10 [%] para cada impedância de carga; Resistividade(Caso III): neste conjunto de simuações optou-se por utiizar as matrizes de impedâncias dos trechos do aimentador, cacuadas resistividade diferente da simuada Foi utiizada ρ = 400 [Ωm]; Resistividade e geometria (Caso IV): a resistivida de adotada foi a mesma na utiizada no conjunto anterior e foi incuída uma variação na geometria do poste para o cácuo das matrizes de impedâncias dos trechos do aimentador IV RESULTADOS Neste capítuo são apresentadas as respostas dos dois agoritmos que foram descritos no capítuo 5/6

6 PAPER 6/6 III Os resutados apresentados na Tabea III indicam que o agoritmo baseado em medições de apenas um termina do trecho investigado apresenta um resutado adequado para a ocaização das fatas no aimentador simuado Os erros encontram-se, em média, inferiores a 60 [m], mesmo quando são introduzidas variações nos parâmetros de cácuo Já os resutados apresentados na Tabea IV indicam que o agoritmo baseado em medições em ambos os terminais do trecho investigado apresenta um resutado mais preciso para a ocaização das fatas no aimentador simuado Os erros encontram-se, em média, inferiores a 40 [m], mesmo quando são introduzidas variações nos parâmetros de cácuo V CONCLUSÕES Neste artigo foi proposto um novo método de ocaização de fatas em redes de distribuição primárias com a presença de geradores distribuídos utiizando os dados de medição na subestação, as medições nos gerados distribuídos e os dados de topoogia da rede A partir dos resutados apresentados é possíve observar a eficácia da metodoogia proposta e como varia a precisão do método na presença dos das variações introduzidas VI AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao auxíio da FA- PESP para o desenvovimento deste projeto de pesquisa Processos nos 2013/ e 2013/ , Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Pauo (FAPESP) Caso I II III IV Caso I II III IV Tabea III Resutados Agoritmo I Tipo Erro [m] Mínimo Máximo Média Desvio Padrão 1FT 2, ,684 44,177 68,332 2F 0,636 3,756 1,825 1,452 2FT 0,775 4,422 2,097 1,692 3F 1,749 5,002 2,942 1,451 1FT 2, ,455 57, ,181 2F 0,507 3,226 1,519 1,222 2FT 0,689 3,781 1,805 1,470 3F 1,581 4,112 2,540 1,196 1FT 13, ,429 59,711 69,848 2F 0,484 3,906 1,718 1,184 2FT 0,942 6,431 3,584 1,935 3F 27,939 38,987 33,055 4,437 1FT 13, ,429 59,711 69,848 2F 0,484 3,906 1,718 1,184 2FT 0,942 6,431 3,584 1,935 3F 27,939 38,987 33,055 4,437 Tabea IV Resutados Agoritmo II Tipo Erro [m] Mínimo Máximo Média Desvio Padrão 1FT 0,036 1,049 0,256 0,260 2F 0,036 0,143 0,066 0,024 2FT 0,589 4,427 2,275 1,097 3F 0,036 1,131 0,202 0,253 1FT 0,040 61,954 5,739 11,510 2F 0,036 2,306 0,491 0,712 2FT 0,040 4,992 2,787 1,398 3F 0,036 2,478 0,561 0,734 1FT 0,036 98,714 4,440 14,042 2F 0,040 33,063 16,050 12,068 2FT 0,040 30,597 14,358 10,718 3F 14,495 49,876 34,399 12,475 1FT 0,036 98,714 4,440 14,042 2F 0,040 33,063 16,050 12,068 2FT 0,040 30,597 14,358 10,718 3F 14,495 49,876 34,399 12,475 VII REFERÊNCIAS [1] F L Mussoi and R C Teive, Distribution system project seection based on the power quaity vaue, in Transmission and Distribution: Latin America Conference and Exposition (T&D- LA), 2012 Sixth IEEE/PES IEEE, 2012, pp 1 8 [2] P J Baducci, L A Schienbein, T B Nguyen, D R Brown, and E Fatherrahman, An examination of the costs and critica characteristics of eectric utiity distribution system capacity enhancement projects, in Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 2005/2006 IEEE PES IEEE, 2006, pp [3] T Xiaowen and P Chen, System reiabiity, safety and quaity, in Eectricity Distribution (CICED), 2010 China Internationa Conference on IEEE, 2010, pp 1 5 [4] L L Lai, S Chan, P Lee, and C Lai, Chaenges to impementing distributed generation in area eectric power system, in Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2011 IEEE Internationa Conference on IEEE, 2011, pp [5] J Driesen and R Bemans, Distributed generation: chaenges and possibe soutions, in Power Engineering Society Genera Meeting, 2006 IEEE IEEE, 2006, pp 8 pp [6] V Terzija, G Vaverde, D Cai, P Reguki, V Madani, J Fitch, S Skok, M M Begovic, and A Phadke, Wide-area monitoring, protection, and contro of future eectric power networks, Proceedings of the IEEE, vo 99, no 1, pp 80 93, 2011 [7] J Dougas, N Roscoe, and S Andrews, Future network architecture: power network, protection, contro and market requirements for 2020, in SmartGrids for Distribution, 2008 IET-CIRED CIRED Seminar, 2008, pp 1 4 [8] G Schaeffer and R Bemans, SmartgridsU a key step to energy efficient cities of the future, in Power and Energy Society Genera Meeting, 2011 IEEE IEEE, 2011, pp 1 7 [9] H Sui, H Wang, M-S Lu, and W-J Lee, An ami system for the dereguated eectricity markets, Industry Appications, IEEE Transactions on, vo 45, no 6, pp , 2009 [10] F A Ituzaro, R H Dougin, and K L Buter-Purry, Zona overcurrent protection for smart radia distribution systems with distributed generation, in Innovative Smart Grid Technoogies (ISGT), 2013 IEEE PES IEEE, 2013, pp 1 6 [11] H Zeinedin, Y A-R I Mohamed, V Khadkikar, and V R Pandi, A protection coordination index for evauating distributed generation impacts on protection for meshed distribution systems, IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID, vo 4, no 3, pp , /6