Revisão dos Métodos para o Aumento da Confiabilidade em Sistemas Elétricos de Distribuição

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1 CIDEL Argentna 2014 Internatonal Congress on Electrcty Dstrbuton Ttle Revsão dos Métodos para o Aumento da Confabldade em Sstemas Elétrcos de Dstrbução Regstraton Nº: (Abstract) Authors of the paper Name Country e-mal Fernando Gulherme Kaehler Guarda Brasl fernandokg@gmal.com André Rossgnollo Brasl andrerossgnollo@gmal.com Ghendy Cardoso Junor Brasl ghendy@ufsm.br Key words Confabldade, Proteção de sstemas de Dstrbução, Alocação de dspostvos de proteção, Otmzação.

2 CIDEL Argentna 2014 Internatonal Congress on Electrcty Dstrbuton Revsão dos Métodos para o Aumento da Confabldade em Sstemas Elétrcos de Dstrbução Fernando Gulherme Kaehler Guarda André Rossgnollo Ghendy Cardoso Junor Unversdade Federal de Santa Mara Av. Rorama, 1000 CEP Santa Mara Ro Grande do Sul Brasl fernandokg@gmal.com andrerossgnollo@gmal.com ghendy@ufsm.br Resumo Neste trabalho são fundamentados os prncpas concetos envolvendo metodologas para alocação ótma de dspostvos de proteção em sstemas de dstrbução, tanto do ponto de vsta dos ndcadores de contnudade quanto dos dspostvos de proteção. Serão fornecdas nformações sobre dferentes métodos utlzados para a realzação dessa alocação, guando assm os engenheros de proteção à qual metodologa é a mas adequada para cada concessonára de energa elétrca. Palavras-Chave: Confabldade, Proteção de sstemas de Dstrbução, Alocação de dspostvos de proteção, Otmzação. I. INTRODUÇÃO O desenvolvmento econômco braslero e mundal trouxe consgo um aumento da demanda por energa elétrca. Sstemas de dstrbução de energa apresentam topologas complexas para suprr a demanda dos consumdores, e exgem então uma efcente gestão de manutenção e dagnóstco de falhas ocorrdas no sstema, sendo que essa responsabldade cabe às concessonáras de energa elétrca. Para atngr esse objetvo, são utlzados equpamentos dedcados a mnmzar a consequênca de quasquer falhas ocorrdas no sstema de dstrbução que afetem a confabldade do mesmo. Realzar a alocação otmzada desses equpamentos permte uma redução dos consumdores afetados por uma nterrupção de energa elétrca, sendo então um assunto recorrente em pesqusas atuas. Em [1] é apresentado um procedmento para a alocação ótma de chaves secconadoras, permtndo assm uma reconfguração efcente da rede e o remanejo da carga. O objetvo é mnmzar a energa não fornecda e duração méda de nterrupção do sstema, usando para sso Algortmos Genétcos (AG), uma metaheurístca que busca a melhor solução de um problema através de uma analoga com o processo de seleção natural. Já em [2], é proposto outro método para a alocação de chaves secconadoras, levando em consderação além da energa não fornecda, os custos assocados à manutenção e nvestmentos. Para encontrar a solução ótma para esse problema os autores modelaram a função objetvo como sendo dependente do custo esperado da falta de energa para o consumdor devdo à falha no suprmento, custos de nstalação das chaves secconadoras e custos de manutenção. Para encontrar o valor ótmo da função objetvo fo utlzada a metaheurístca smulated annealng, que consste em uma analoga entre a mnmzação e o recozmento de um metal utlzado para crstalzação em sstemas físcos. Nesse trabalho são analsadas três metodologas para a realzação da alocação de dspostvos de proteção, analsando suas vantagens e suas desvantagens, com o ntuto de fornecer ao engenhero de proteção as nformações necessáras para a escolha da metodologa de alocação mas adequada a rede consderada. II. CONFIABILIDADE DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Confabldade é a probabldade de que um sstema desempenhe a sua função durante um período de tempo especfcado e sob condções determnadas. Surgu com a necessdade de descrever a dsponbldade dos equpamentos para detectar subsstemas crítcos, estpular redundâncas e prever sobressalentes. As concessonáras não têm como garantr um servço contínuo de fornecmento de energa aos consumdores, mas estas são responsáves por fornecer o melhor servço possível, buscando um equlíbro entre a tecnologa dsponível e o custo de entrega da energa elétrca. Consderando um ponto de vsta prátco, as razões que justfcam a avalação da confabldade em um sstema de dstrbução são: Melhorar a sstemátca no projeto das redes, adaptando os parâmetros e componentes da mesma para que esses tenham efeto postvo na confabldade; Obedecer a resolução da ANEEL para servços de dstrbução de energa;

3 CIDEL Argentna 2014 Internatonal Congress on Electrcty Dstrbuton Realzar o projeto do sstema de dstrbução buscando mnmzar o efeto de quasquer falhas em componentes do mesmo; Identfcar programas de manutenção que resultem na melhora do desempenho do sstema; Equlbrar os nvestmentos através de uma avalação quanttatva do custo para a concessonára e benefíco ao consumdor, assocando sso a um nível de confabldade do fornecmento de energa. Uma ferramenta essencal para o planejamento do captal empregado na melhora do sstema de dstrbução é a análse econômca. O nível de confabldade é consderado deal quando o nvestmento aplcado na prevenção de nterrupções excede o custo atrelado à ocorrênca destas, como mostrado na Fgura 1. mportante quanto um grande consumdor ndustral. Esses índces são: DEC (Duração Equvalente de Interrupção por Undade Consumdora): Número de horas em méda que um consumdor fca sem energa elétrca durante um período, geralmente mensal. FEC (Frequênca equvalente de nterrupção por Undade Consumdora): Indca quantas vezes, em méda, houve nterrupção da undade consumdora, seja este resdencal, comercal ou ndustral. Esses índces podem ser calculados por: DEC Ce. te ( Horas) Cc (1) Fgura 1: Relação custo x confabldade É possível observar que a melhora da confabldade e o custo dos nvestmentos requerdos para tal são nversamente proporconas, e o nível deal corresponde ao custo ótmo, sendo esse o custo total mínmo. A. ÍNDICES DE CONTINUIDADE Segundo [3], índces de contnudade são agregações estatístcas de dados de confabldade para um conjunto de cargas, componentes ou consumdores bem defndos. A maora dos índces de confabldade são valores médos de uma característca partcular do sstema, regão, subestação ou almentador como um todo. Esses índces podem ser dvdos em: Índces baseados no consumdor; Índces baseados no carregamento; Índces baseados na energa; Índces baseados no consumdor são os mas utlzados e consderam os consumdores gualmente. São muto utlzados por agêncas regulamentadoras, pos consdera o pequeno consumdor resdencal tão (2) : Número de undades consumdoras nterrompdas no evento ; : Duração de cada evento ; : Índce de eventos ocorrdos no sstema que provocaram nterrupções a uma ou mas undades consumdoras; : Número total de eventos no período consderado; Cc: Número total de undades consumdoras no conjunto consderado. Ce te FEC Ce Cc Estes índces são apurados e relatados mensalmente ao órgão responsável pela regulação do fornecmento de energa. Esses órgãos reguladores estabelecem metas de contnudade (valores máxmos por conjunto para cada ndcador), de modo que esses índces são apurados mensal, trmestral e anualmente. A volação dessas metas acarreta em pesadas multas para as concessonáras. Como mutas cargas são sensíves às nterrupções, tornam-se necessáros índces relaconados às nterrupções momentâneas. Dos índces são consderados padrão, um baseado na frequênca das nterrupções momentâneas e outro baseado na frequênca dos eventos momentâneos. MAIFI (Momentary Average Interrupton Frequency Index) ndca a frequênca méda com que os consumdores são submetdos a nterrupções temporáras, consderando cada atuação e relgamento efetuada pelo dspostvo de proteção como uma nterrupção temporára. MAIFI E (Momentary Event Average Interrupton Frequency Index) ndca a frequênca

4 CIDEL Argentna 2014 Internatonal Congress on Electrcty Dstrbuton méda da ocorrênca de eventos causadores de nterrupções temporáras, desconsderando os eventos que antecedem o bloqueo do dspostvo de proteção. Esses índces são fáces de serem computados utlzando contagens de dsjuntores e relgadores e podem ser calculados por: (3) : Número de undades consumdoras nterrompdas no evento ; : Índce de eventos ocorrdos no sstema que provocaram nterrupções temporáras a uma undade ou um conjunto de consumdores; : Número total de eventos que causaram faltas temporáras no período consderado; Cc: Número total de undades consumdoras. Cet Deve-se observar que havendo o travamento do dspostvo de proteção na posção aberta (o que caracterza uma nterrupção permanente), não haverá ncremento no. MAIFI E Os índces de confabldade baseados na carga consderam a potênca conectada ao nvés de consderar cada consumdor soladamente. São eles o ASIFI (Average System Interrupton Frequency Index) e o ASIDI (Average System Interrupton Duraton Index). O ASIDI é defndo como o ntervalo de tempo em que, em méda, no período consderado, a carga nstalada no conjunto sofre uma nterrupção. : Carga nterrompda durante o evento [kva]; : Duração de cada evento [mnutos]; Sc: Carga total do conjunto consderado [kva]; Se te MAIFI ASIDI E (4) ASIFI é defndo como a carga méda nterrompda, no período de observação consderado. ASIFI (5) Em 2000, foram mplantados pela ANEEL três ndcadores destnados a aferr a qualdade prestada Cet Cc Se te Sc Sc Se dretamente ao consumdor: DIC (Duração de Interrupção por Undade Consumdora) e FIC (Frequênca de nterrupção por Undade Consumdora) ndcam a duração e a frequênca que uma undade consumdora fcou sem energa elétrca durante um período consderado. O DMIC (Duração Máxma de Interrupção por Undade Consumdora) é um ndcador que lmta o tempo máxmo de cada nterrupção, mpedndo que a dstrbudora dexe o consumdor sem energa elétrca durante um longo período de tempo. Esses ndcadores podem ser apurados por: (6) : Índce de nterrupções da undade consumdora consderada, no período de apuração; n: Número de nterrupções da undade consumdora consderada, no período de apuração; t(): tempo de duração da nterrupção () da undade consumdora consderada, expresso em horas e centésmos de horas; Os índces de contnudade baseados em energa são calculados consderando o somatóro da energa que não é fornecda devdo à ocorrênca de nterrupções. ENF: Energa Não Fornecda. Representa a energa total não fornecda, em um período de observação consderado, devdo à ocorrênca de nterrupções. (7) CENF (Custo da Energa não Fornecda): Representa os custos de não faturamento da energa não fornecda. É também denomnado Custo de Interrupção por Consumdor e reflete o valor monetáro da energa que não fo faturado pela concessonára devdo à ocorrênca de nterrupções, durante o período de observação consderado. Ccons DIC t() ENF Sete( kva. hora) CENF ( Ccons. CEcons ) Se te[$] (8) : São todas as dstrbuções percentuas de consumdores resdencas, comercas e ndustras nterrompdos no evento ; CEcons : São todos os custos da energa para consumdores resdencas, comercas e ndustras, respectvamente [$/kvah]. n

5 CIDEL Argentna 2014 Internatonal Congress on Electrcty Dstrbuton A utlzação desses ndcadores possblta sua defnção com um grande nível de objetvdade caso forem dsponíves nformações sobre topologas e parâmetros das redes elétrcas, dados hstórcos estatístcos sobre as falhas, etc. Outra característca mportante da utlzação da energa não fornecda é que seu uso não se restrnge apenas para a estmação da confabldade, mas também em problemas de otmzação onde a confabldade é a função objetvo ou uma das restrções. III. PROTEÇÃO DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Os dspostvos de proteção são de mportânca fundamental para a otmzação da confabldade nos sstemas de dstrbução de energa elétrca, vsto que seu objetvo é manter a ntegrdade físca dos equpamentos da rede e trabalhadores da concessonára e também restrngr os efetos de uma falta à mínma extensão da rede. O uso correto desses dspostvos tem como ntuto buscar maores níves de confabldade para fornecer energa com o melhor custo benefíco. Esses dspostvos de proteção devem ser seletvos e confáves, ou seja, devem permtr que, no advento de uma falta, o mínmo de consumdores sejam afetados. Caso não sejam utlzados corretamente e o defeto afetar um grande número de consumdores, os ndcadores de contnudade serão dretamente afetados. A. DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO E SECCIONAMENTO Os dspostvos de proteção e secconamento são nstalados ao longo do almentador de dstrbução com a ntenção de evtar que os consumdores permaneçam sem energa elétrca durante longo tempo e com frequênca. Sua alocação deve ser adequadamente escolhda, sendo dependente de seus tpos e as característcas de cada trecho do almentador. Os prncpas dspostvos de proteção são: Relgador: É um equpamento automátco que nterrompe e restabelece o fornecmento de energa de um trecho do almentador quando da ocorrênca de uma falta. Desta forma, o relgador é capaz de dferencar faltas temporáras de permanentes. Se a falta é permanente, o relgador abre seus contatos, mpedndo a contrbução de corrente para a falta, após um número predefndo de tentatvas de relgamento, devendo nesse caso ser reatvado manualmente. Fusível: É o equpamento de proteção mas utlzado nos sstemas de dstrbução devdo ao seu smples funconamento e custo reduzdo. Seu funconamento consste em suportar o fluxo de corrente elétrca em regme normal e, caso essa corrente exceda o valor da corrente nomnal do elo fusível, este sofre a fusão e elmna a sobrecorrente. Porém, este dspostvo não tem a capacdade de dferencar entre faltas temporáras e permanentes, devendo então sua alocação ser cudadosamente planejada. Chave Secconadora: Esses dspostvos tem o objetvo de reconfgurar o almentador. Embora não atuem dretamente no caso de uma falta, as chaves secconadoras podem ser usadas para solar os trechos sob defeto, permtndo que o fornecmento a alguns consumdores seja restaurado mas rapdamente. B. INFLUÊNCIA DA COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE DE DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO NOS ÍNDICES DE CONTINUIDADE DE SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO A escolha dos melhores locas para a nstalação dos dspostvos de proteção não é padronzada, vsto que cada rede possu característcas úncas e cabe aos engenheros de proteção da concessonára o estudo para a melhor alocação destes. Porém, alguns aspectos técncos e econômcos são comuns na busca entre a operação do sstema, o nível desejado de confabldade e os nvestmentos. Consderando a confabldade, [4] lsta os seguntes objetvos na alocação dos dspostvos de proteção: Reduzr o número de consumdores que são afetados quando da ocorrênca de faltas no sstema de dstrbução de energa; Possbltar o relgamento do sstema em um tempo programado, quando da ocorrênca de faltas transtóras; Em nterrupções permanentes, reduzr a área afetada pela falta apenas ao ramal em falha, possbltando a contnudade de servço ou o relgamento da troncal e demas ramas do almentador; Respetar as característcas de cada sstema na elaboração dos projetos de rproteção tas como: Tpo de carga, mportânca dos consumdores, carregamento dos almentadores e localzação da rede em zonas de rsco. IV. ALOCAÇÃO DE DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO Dpostvos de proteção, quando alocados e especfcados respetando crtéros de coordenação e seletvdade, proporconam uma sgnfcatva melhora nos índces de confabldade do almentador em que são nstalados e, consequentemente, a qualdade da

6 energa elétrca entregue ao consumdor. É necessáro que o engenhero de proteção decda a quantdade, localzação e quas os tpos de dspostvos de proteção devem ser alocados no almentador. Essa decsão pode ser tomada de uma forma heurístca, consderando a experênca do engenhero e nformações obtdas do banco de dados da concessonára, ou utlzando ferramentas computaconas de análse, que são desenvolvdas com base em modelos matemátcos e técncas de otmzação. Podem também ser utlzadas de uma forma ntegrada em um únco algortmo o conhecmento do engenhero e modelos de programação matemátca com o ntuto de obter uma ferramenta computaconal para estudos de alocação, coordenação e seletvdade do sstema de proteção. CIDEL Argentna 2014 Internatonal Congress on Electrcty Dstrbuton A. MÉTODOS PARA ALOCAÇÃO DE DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO Os métodos para a alocação de dspostvos de proteção dferem de acordo com o objetvo a ser alcançado realzando a alocação dos mesmos e também quas as restrções consderadas durante essa alocação. Para o engenhero de proteção ser capaz de escolher qual método utlzar em um projeto, deve estar cente das ntenções da metodologa proposta, bem como as suas lmtações. B. METODOLOGIA PARA ALOCAÇÃO 1 O método de alocação de dspostvos de proteção desenvolvdo por [5] faz uso de um modelo de programação não-lnear ntera com varáves bnáras. Neste trabalho, são levados em conta lmtações técncas e econômcas, como problemas de coordenação entre dspostvos de proteção em sére, equpamentos dsponíves, mportânca do almentador e topologa do crcuto. Para resolver esse problema, os autores utlzam Algortmos Genétcos (AG) que determnam a alocação ou não dos dspostvos de proteção em pontos predefndos da rede. Este método apresenta soluções de qualdade para a aplcação em um sstema teste real de 134 barras, porém os dspostvos de proteção são alocados em locas predefndos, não permtndo uma flexbldade ao engenhero de proteção para que este possa realzar a alocação em quasquer pontos da rede. Também não é verfcada a coordenação entre os dspostvos nstalados. Por consequênca, este método é ndcado para stuações onde exstem lmtações de locas onde há a possbldade de nstalação ou substtução de dspostvos de proteção e não seja necessáro um novo estudo de coordenação entre os dspostvos. C. METODOLOGIA PARA ALOCAÇÃO 2 O trabalho [6] desenvolveu uma metodologa para alocação, especfcação, coordenação e seletvdade da proteção de redes aéreas de dstrbução. Este método faz uso não só da base de conhecmentos que são desenvolvdas a partr das normas técncas das concessonáras, bem como, a experênca dos engenheros dos setores de planejamento e projeto das empresas dstrbudoras. Neste método é utlzado o AG como heurístca para a busca da solução do problema. É possível obter os possíves locas para nstalação dos dspostvos de proteção de forma heurístca, usando a experênca dos engenheros da empresa concessonára ou de forma otmzada. Para realzar a alocação otmzada, o problema é modelado como um problema de programação não lnear ntero msto, sendo utlzado o AG especalzado para a solução desse problema. Os resultados foram obtdos realzando um teste em um almentador real composto por 660 Barras. A coordenação entre os dspostvos de proteção fo obtda efcentemente, sendo verfcada para todos os dspostvos e também respetando crtéros de seletvdade. A grande vantagem dessa metodologa para o engenhero de proteção é a flexbldade permtda para a alocação dos dspostvos de proteção e a possbldade de executar o estudo de coordenação e seletvdade entre os dspostvos alocados. Além dsso, o algortmo destaca-se pela nteratvdade permtda ao usuáro, possbltando a alteração de dversos ajustes no método proposto. D. METODOLOGIA PARA ALOCAÇÃO 3 Em [7], é desenvolvda uma metodologa para determnação dos tpos e locas para nstalação dos dspostvos de sobrecorrente em almentadores de dstrbução, vsando melhorar a confabldade do fornecmento de energa elétrca. Neste trabalho, o processo de otmzação consste na mnmzação dos índces de confabldade SAIDI e ASIDI, sendo para sso utlzada uma varação do algortmo colôna de formgas, o Max-Mn Ant System agregando um procedmento de busca local. O algortmo possu restrções que dtam que o dsjuntor deverá ser alocado na prmera seção do almentador, chaves fusíves não podem ser alocadas no crcuto prncpal do almentador e também não podem ser alocadas à montante do relgador, sendo que podem ser alocadas no máxmo três chaves fusíves em sére.

7 CIDEL Argentna 2014 Internatonal Congress on Electrcty Dstrbuton Para o teste, fo utlzado um almentador com 51 seções, sendo cada seção correspondendo a um local canddato à alocação de um dspostvo de proteção e chaves de manobras e 4 pontos de nterlgação com almentadores adjacentes, onde as capacdades de reserva ndvduas são consderadas sufcentes para almentar toda a carga do almentador prncpal. Este método permtu a redução de 46,8% do SAIDI e 49,6% do ASIDI, mostrando uma possbldade de aumento da confabldade acetável para concessonáras de energa. Essa metodologa se mostra atratva devdo ao alto percentual de aumento da confabldade, bem como o fornecmento da nformação sobre quas os tpos de dspostvos de proteção a serem alocados. Isso fornece resultados ao engenhero de proteção de forma que estes podem sugerr alterações na confguração do sstema de proteção com o ntuto de realzar um ncremento consderável na confabldade do almentador de dstrbução consderado. Dstrbução, Revsta Controle & Automação, Vol. 21, Nº 3, pp , Mao e Junho [6] E. M. Camptell, L.G.W da Slva, R. A. F. Perera, J.R.S. Mantovan, Sstema Intelgente para Alocação, Especfcação, Coordenação e Seletvdade da Proteção em Redes Aéreas de Dstrbução de Energa Elétrca, XVII SENDI, 2006 [7] G. D. Ferrera, A. S. Bretas, M. O. Olvera, G. Cardoso Jr., A. P. de Moras, Seleção e Alocação Otmzada de Dspostvos de Proteção e Manobras em Sstemas Elétrcos de Dstrbução Utlzando o Algortmo Colôna de Formgas, CIDEL Argentna V. CONCLUSÕES Neste trabalho fo realzada uma revsão sobre concetos de confabldade de sstemas de dstrbução de energa elétrca e a nfluênca dos sstemas de proteção nos mesmos. Foram também analsadas as metodologas mas efcentes para a realzação da alocação de dspostvos de proteção em sstemas de dstrbução de energa elétrca. Cada metodologa teve suas vantagens e desvantagens elencadas de forma a guar a sua utlzação pelos engenheros de proteção de empresas concessonáras de energa elétrca. A metodologa mas completa envolve não só a alocação dos dspostvos na rede, bem como, o estudo de coordenação e seletvdade dos mesmos, o que possblta a sua utlzação em uma grande gama de stuações. VI. REFERÊNCIAS [1] R. Bllnton, S. Jonnavthula, Optmal Swtchng Devce Placement n Radal Dstrbuton System, IEEE Transactons on Power Delvery, Vol. 11, nº 3, Julho [2] G. Levtn, S. Mazal-Tov, D. Elmaks, Genetc algorthm for optmal sectonalzng n radal dstrbuton systems wth alternatve supply, Electrc Power Systems Research, Nº 35, pp , [3] R. Brown, Electrc Power Dstrbuton Relablty, Ed. Marcel Dekker, [4] Eletrobrás, Proteção de Sstemas Aéreos de Dstrbução, Centras Elétrcas Brasleras, V.2, Ro de Janero: Campus Eletrobrás, 1982 [5] L. G. W. da Slva, R. A. F. Perera, J. R. S. Mantovan, Alocação Otmzada de Dspostvos de Controle e Proteção em Redes de