Sistema Inteligente para Alocação, Especificação, Coordenação e Seletividade da Proteção em Redes Aéreas de Distribuição de Energia Elétrica

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1 21 a 25 de Agosto de 2006 Belo Horizonte - MG Sistema Inteligente para Alocação, Especificação, Coordenação e Seletividade da Proteção em Redes Aéreas de Distribuição de Energia Elétrica Eduardo M. Campitelli Unesp Ilha Solteira emcampitelli@aluno.feis.unesp.br Rodrigo A. F. Pereira Unesp Ilha Solteira rodrigof@aluno.feis.unesp.br Luis G. W. da Silva Unesp Ilha Solteira lgwesz@gmail.com José R. S. Mantovani FEIS / UNESP mant@dee.feis.unesp.br RESUMO Neste trabalho é proposto um sistema inteligente e interativo com o usuário para alocação heurística e/ou otimizada, e estudos de seletividade e coordenação de dispositivos de proteção contra sobrecorrentes em alimentadores aéreos e radiais de distribuição de energia elétrica. No desenvolvimento deste algoritmo utiliza-se uma base de conhecimentos desenvolvida a partir de normas técnicas de concessionárias de energia elétrica e da experiência dos engenheiros dos setores de planejamento e projetos das empresas distribuidoras. A base de dados contém as curvas de tempo inverso e os conjuntos de ajustes dos diferentes tipos de dispositivos de proteção contra sobrecorrentes. Os pontos para alocação dos dispositivos de proteção no alimentador podem ser obtidos de forma heurística, baseada no conhecimento dos engenheiros dos setores de planejamento e operação das empresas do setor elétrico, ou de forma otimizada. Na alocação otimizada o problema é modelado como um problema de programação não linear inteiro misto, que é resolvido através de uma metaheurística. Para avaliação da eficiência do algoritmo utiliza-se um alimentador real de 660 barras. PALAVRAS-CHAVE Redes de Distribuição, Projetos de Proteção, Otimização Combinatória, Confiabilidade. 1. INTRODUÇÃO Os sistemas de distribuição de energia elétrica devem atender os consumidores de acordo com os padrões de qualidade estabelecidos pelas agências reguladoras, através de soluções eficientes e seguras, tanto sob os aspectos do planejamento da expansão como de operação dos sistemas. Os dispositivos de proteção são alocados no sistema durante a fase de planejamento do sistema de distribuição. Devido a alterações dos hábitos de consumo, vulnerabilidade às faltas permanentes e temporárias em certas regiões do sistema em funções das características ambientais e físicas da rede, é necessário realocar alguns dispositivos de proteção. Os dispositivos de proteção, alocados e especificados atendendo critérios de seletividade e coordenação, melhoram os índices de confiabilidade do alimentador e conseqüentemente a qualidade do produto entregue aos consumidores. O projetista deve decidir a quantidade, localização e tipos de dispositivos de proteção que devem ser 1/11

2 alocados no alimentador. Esta decisão pode ser tomada de forma heurística com base na experiência do projetista e nas informações obtidas no setor de operação da empresa, ou utilizando ferramentas computacionais de análise desenvolvidas com base em modelos matemáticos e técnicas de otimização. Podem também ser utilizadas de forma integrada em um único algoritmo, o conhecimento prático e modelos de programação matemática para obter uma ferramenta computacional para estudos de alocação, seletividade e coordenação de sistemas de proteção. Alternativas que visem minimizar a quantidade de dispositivos a serem alocados são preferíveis uma vez que quanto maior o número de dispositivos alocados, mais difícil é para obter a seletividade e coordenação do sistema de proteção. Em geral os impactos causados aos consumidores devido a alocação de dispositivos de proteção no sistema estão relacionados com a freqüência e duração da interrupção do fornecimento de energia. Na literatura encontram-se vários trabalhos que abordam o problema de alocação otimizada de dispositivos de proteção [7], [8], [9] e de sistemas dedicados a efetuar estudos de coordenação e seletividade de dispositivos de proteção sob diferentes condições de reconfiguração de redes de distribuição de energia elétrica [1][2][4]. Neste trabalho apresenta-se um sistema computacional interativo com o usuário para efetuar simultaneamente a alocação de forma otimizada e/ou heurística e a especificação, coordenação e seletividade de dispositivos de proteção em alimentadores aéreos de distribuição. Normalmente estes alimentadores possuem ramais principais trifásicos e ramais laterais que podem ser monofásicos, bifásicos ou trifásicos. A rede de distribuição adequada para aplicação da metodologia proposta é composta por um sistema trifásico principal e o transformador da subestação possui uma ligação delta estrela aterrada. No algoritmo proposto utiliza-se uma base de conhecimentos construída a partir de normas técnicas e da experiência de engenheiros das empresas de energia elétrica. A base de dados é composta pelas curvas de tempo-corrente e características de operação de cada dispositivo de proteção de sobrecorrentes. A escolha dos pontos candidatos á alocação de dispositivos de proteção no alimentador, pode ser realizada de duas maneiras: Heurística, que se baseia na experiência dos profissionais do setor na operação e planejamento de redes de distribuição; e outra otimizada. Na alocação otimizada, o problema de alocação é modelado como um problema de programação não linear inteiro misto, que é resolvido através de uma metaheurística. No módulo do algoritmo que realiza a coordenação utiliza-se a superposição das curvas de atuação de tempo inverso de cada dispositivo de proteção alocado no alimentador. Através da manipulação das características de operação de tempo inverso de cada um destes dispositivos e do conjunto de pontos definidos para alocação de cada tipo de dispositivo, pode-se obter as condições de seletividade e coordenação para melhorar os índices de confiabilidade. Para isto há a necessidade que o algoritmo permita grande interação com o usuário. Para avaliação da eficiência do algoritmo utiliza-se um alimentador real de 660 barras. 2. METODOLOGIA Na formulação e solução do problema de alocação, considera-se que os dispositivos de proteção irão operar de forma seletiva e coordenada com vistas ao planejamento da operação. Dessa forma, considera-se a formulação do modelo matemático para a alocação otimizada de dispositivo de proteção, objetivando a melhoria dos índices de confiabilidade dos alimentadores. A alocação otimizada e os ajustes e coordenação automática desses dispositivos, é realizada de forma interativa com o usuário. Esta interação é importante porque durante o desenvolvimento do projeto de proteção podem ocorrer dificuldades e até mesmo a impossibilidade de obter a coordenação e seletividade de alguns dispositivos de proteção que foram alocados no sistema. Nestas condições, sendo o sistema computacional interativo com o usuário, o projetista pode tomar decisões que não implicam na perda de otimalidade da alocação dos dispositivos de proteção realizada de forma otimizada. Dentre as possíveis soluções para se obter sistemas de proteção com bom desempenho destacam-se a redefinição 2/11

3 dos pontos candidatos a alocação e/ou a realocação de dispositivos de proteção e nova realização da alocação otimizada destes dispositivos, alteração de curvas características e tipos de dispositivos, entre outras. Neste procedimento interativo, visa-se obter um projeto de proteção que contemple os aspectos técnicos, econômicos e de confiabilidade, com um programa de ajustes dos dispositivos adequado para condições de carregamento do sistema. O sistema computacional implementado, que utiliza uma metodologia integrada para estudos e projeto de alocação de dispositivos de proteção, coordenação e seletividade, está apresentado no diagrama de blocos da Fig Topologia e Dados Elétricos do Sistema; - Índices de Confiabilidade (γ, λ (faltas/km/ano)); - Definição do Conjunto {N} dos Pontos Candidatos à Alocação de Dispositivos de Controle e Proteção; - Atender Critérios Heurísticos para Definição de Pontos Candidatos para a Alocação da Proteção; - Verificar as Correntes de Inrush e de Carga Máxima nos Ramais onde se Permite Alocar Fusíveis e Religadores; - Importância e Natureza da Carga Instalada; - Incorporar as Restrições do Modelo; - Número Máximo de Dispositivos de Proteção Disponíveis; - Número Máximo Permitido de Dispositivos de Proteção em Série; - Especificar Fator de Crescimento da Carga; - Correntes Simétricas de Curto-Circuito Fase-Terra, Fase-Fase e Trifásicas; Redefinir {N} com Base nas análises efetuadas no Conjunto de Soluções {Na} e Restrições Consideradas Inicialmente - Solução do Modelo de Otimização - Algoritmo Genético (AG); - Armazenar os Conjuntos {Na} das melhores Soluções Obtidas Especificando os Atributos Técnicos e Econômicos de cada uma. Especificação e Coordenação dos Dispositivos de Controle e Proteção para o Conjunto {Na}. F Dentre as Soluções ε {Na}, existe(m) Solução(ões) Técnica e Economicamente Viável(is) - Apresentar Pontos para Alocação dos Dispositivos de Proteção; - Especificação dos Dispositivos de Controle e Proteção; - Diagramas de Seletividade e Coordenação; Figura.1 Diagrama de bloco do algoritmo interativo implementado para o desenvolvimento de projetos de proteção Alocação Otimizada de Dispositivos de Proteção O modelo matemático proposto para alocação e realocação otimizada de dispositivos de proteção é uma extensão e melhorias do modelo proposto em [7], que é obtido usando o conceito de energia não fornecida e dados históricos dos índices da faltas permanentes e temporárias no alimentador [6-9]. O problema de alocação otimizada de dispositivos de proteção é abordada, genericamente neste trabalho da seguinte forma: Minimizar {Energia Não Fornecida Devido a Atuação de Dispositivos de Proteção} Sujeito a: Número disponível de cada tipo de dispositivo de proteção para alocação religadores e chaves fusíveis; Máximo número de dispositivos que podem ser alocados em série para obter seletividade e coordenação da proteção; Setores ou regiões do sistema de distribuição onde devem ser alocados religadores devido a importância da carga e sujeitos a altas taxas de faltas temporárias; Setores ou regiões do sistema de distribuição que as cargas não podem sofrer os efeitos de ações de religamentos. 3/11 v

4 Este é um modelo de problema de otimização combinatorial com uma função objetivo não linear, não diferenciável, com variáveis reais e inteiras e um conjunto de restrições lineares. A solução deste modelo é obtida através de um algoritmo genético (AG) especializado. AG é uma técnica de otimização do tipo metaheurísticas utilizada para resolver problemas combinatórios Função Objetivo No modelo de função objetivo considera-se a redução da carga desligada na incidência de faltas permanentes e temporárias no alimentador devido a atuação dos dispositivos de proteção. Esta redução devido a atuação dos dispositivos de proteção está relacionada com os índices de confiabilidade do alimentador em função do número, tipos e localização destes dispositivos. No contexto do planejamento do sistema estes índices podem ser minimizados até um valor que justifique e torne adequada a relação custos benefícios. Os religadores automáticos juntamente com os elos fusíveis têm a finalidade de isolar seções dos sistemas de distribuição sujeitas a faltas permanentes e permitir que faltas transitórias sejam eliminadas sem o desligamento de cargas. Para obter a função custo da energia não suprida (CENS) devido a atuação do sistema de proteção, considera-se o total de cargas desligadas devido a incidência de faltas temporárias (γ) e permanentes (λ) no alimentador sob estudo no período de uma ano, por exemplo. Seja o alimentador de distribuição da Fig. 2 com possibilidades de se alocar dispositivos de proteção em qualquer um dos pontos (seção principal e ramais). Para cada uma das seções definidas pelos pontos onde são alocados dispositivos de proteção, tem-se os índices de falhas permanentes e temporárias. Na incidência de faltas no alimentador, caso não haja nenhum dispositivo de proteção instalado ocorrerá a atuação do disjuntor equipado com relé de sobrecorrente e religamentos instalado na subestação até a sua zona principal de proteção, caso esse seja o único equipamento de proteção existente no circuito. Figura -2: Alimentador Genérico i de um Sistema de Distribuição. Na incidência de faltas temporárias, com a alocação de um religador em qualquer ponto do alimentador principal e dos ramais laterais os consumidores a sua jusante estarão protegidos até a sua zona de proteção. Existindo mais de um religador utiliza-se o conceito de dispositivo protetor e protegido, ou seja, o religador instalado no ponto mais próximo à fonte será proteção principal para faltas permanentes e temporárias até os pontos onde existem outros os religadores instalados, ou seja em sua zona de proteção primária. Para análise dos efeitos da alocação de dispositivos de proteção nos ramais, consideram-se os consumidores ligados aos ramais e os consumidores ligados em outras seções do circuito de distribuição que sofrem problemas de suprimento de energia, quando ocorrem 4/11

5 faltas nos ramais, sejam elas temporárias ou permanentes. Desta forma obtém-se o modelo matemático da função objetivo do problema de alocação otimizada de dispositivos de proteção [7], que é utilizado no sistema computacional desenvolvido Restrições do Problema As restrições consideradas e implementadas no algoritmo de alocação otimizada de dispositivos de proteção são de natureza técnica e econômica. As restrições de natureza técnica estão relacionadas com a coordenação dos dispositivos de proteção e a topologia do sistema (número de dispositivos da mesma categoria em série). As restrições de natureza econômica estão relacionadas com o custo de instalação e operação dos dispositivos, natureza e importância da carga. Os religadores possuem custos elevados e desta forma a alocação destes dispositivos em sistemas de distribuição requer uma cuidadosa análise econômica considerando-se a natureza e importância da carga e a relação Custos vs. Benefícios devido alocação deste tipo de dispositivo na rede Técnica de Solução para o Modelo de Alocação Otimizada A técnica de solução utilizada para resolver o problema de alocação de dispositivos de proteção é um algoritmo genético (AG) simples, composto por: Geração da População Inicial: Os pontos candidatos à alocação da proteção são determinados obedecendo algumas regras baseadas no conhecimento de técnicos e engenheiros das áreas de operação e planejamento das empresas de energia conforme detalhado na seção 2.5. Codificação: Cada cromossomo que é um indivíduo da população do AG representa uma proposta de alocação de dispositivos de proteção. A dimensão do vetor que representa o cromossomo é igual ao número de pontos candidatos à alocação de religadores e fusíveis. Os pontos onde se permite a alocação de dispositivos de proteção no alimentador são representados pelo valor 1, e os pontos que não se permite alocação pelo valor 0 (representação binária). Função de Fitness: Para cada indivíduo da população é calculada uma função de adaptação que determina as chances da permanência do mesmo nas futuras gerações. Dada a natureza não linear do problema, esta função é modelada considerando os custos de energia não suprida, e as penalizações das restrições violadas tais como os recursos disponíveis e perda de coordenação entre os dispositivos de proteção. Seleção: Na seleção das melhores configurações, utilizou-se a técnica do elitismo, onde é separada uma porcentagem (x%) das melhores configurações da população corrente, formando o conjunto de configurações de elite. A seleção foi realizada no conjunto formado pelas configurações da população que não são de elite [(1-x%).tp]. Para tal utilizou-se a técnica de torneio, onde são realizados n jogos, sendo n o conjunto de indivíduos da população que não estão no subconjunto de elite. Em cada jogo foram selecionadas aleatoriamente três configurações diferentes e escolhida aquela com o melhor valor da função de adaptação (melhor solução), que irá se recombinar com uma das configurações de elite, escolhida aleatoriamente. Recombinação e Mutação: O processo de recombinação utilizado é a recombinação de um único ponto e o processo de mutação utilizado é a mutação simples para cada um dos diferentes tipos de variáveis mapeadas na estrutura de codificação religadores e fusíveis. Parâmetros de Controle: Os parâmetros de controle adotados para o problema (número de gerações, tamanho da população, taxas de recombinação e mutação) foram escolhidos de acordo com o número de barras e linhas do circuito e através da análise de alguns testes, sendo que para as taxas de recombinação e mutação, os valores são alterados de forma adaptativa durante o ciclo geracional do algoritmo genético. Estratégia de Diversificação: Uma característica desfavorável dos algoritmos evolutivos é a forte atração para ótimos locais provocado por uma população submetida a mecanismos de seleção. As soluções de qualidade inferior são gradualmente eliminadas pelo processo de seleção. Melhorias não 5/11

6 são mais possíveis quando a diversidade da população cai a níveis muito baixos, isto ocasiona a convergência prematura por uma má exploração do espaço de busca. Neste trabalho adota-se um mecanismo que propicia de forma eficiente a sair da saturação que é aplicado antes do processo de mutação. Analisam-se todas as configurações resultantes depois da recombinação. Se o número máximo de configurações iguais supera um porcentagem do número total de configurações, ou seja, se a diversidade da população é menor que um percentual preestabelecido (x%), então se aplica uma taxa de mutação com um valor elevado, para melhorar a diversidade das configurações, com o ônus do aumento da média da função objetivo da população. A taxa de mutação retorna a seu valor original depois de se conseguir sair da saturação. Critério de Parada: O critério de parada compara a solução incumbente, se esta não apresenta melhoria durante um número especificado de iterações o processo iterativo é considerado convergido Técnica Heurística para Seleção de Pontos para Alocação de Dispositivos de Proteção Os setores de confiabilidade e proteção das empresas de energia elétrica, normalmente utilizam técnicas heurísticas baseadas na experiência de engenheiros e técnicos dos setores de planejamento das empresas de energia e no comportamento do sistema sob a ação de faltas permanentes e temporárias para alocação dos dispositivos de proteção. Dentre as regras desse procedimento heurístico destacamse os seguintes critérios: Alocação de religador ou fusível no início de trechos extensos, onde o nível mínimo de curtocircuito seja insuficiente para sensibilizar o dispositivo de proteção de retaguarda.; Alocação de religador ou fusível, logo após cargas de grande importância e cuja continuidade de serviço deva ser elevada, caso o circuito após estas cargas seja extenso; Alocação de religador no início de ramais que alimentem cargas classificadas como especiais ou de grande importância; Alocação de religador no início de ramais que suprem cargas importantes localizadas em áreas sujeitas à alta incidência de faltas temporárias; Alocação de fusível no início de ramais ou sub-ramais de grande extensão, não classificáveis nos critérios anteriores Projeto do Sistema de Proteção Neste trabalho, é proposto um sistema integrado e interativo com o usuário para desenvolver projetos de sistema de proteção de alimentadores aéreos de distribuição [1],[2],[4]. Este sistema consiste de informações armazenadas em bases de dados e conhecimento que são utilizadas na elaboração de algoritmos eficientes para o projeto dos sistemas de proteção, e que são refletidas nas regras aplicadas para alocação, seleção e coordenação de dispositivos protetores em sistemas de distribuição. Este sistema é capaz de incorporar dados característicos de novos equipamentos e atualizar o conjunto de informações relevantes na base de dados. Neste sistema dedicado para especificar de forma seletiva e coordenada o sistema de proteção utiliza-se um modelo de programação do tipo inteligência artificial (if-then) para a representação da base de conhecimentos. O sistema desenvolvido consiste de quatro blocos: Base de dados, base de conhecimentos, máquina de conclusão e interface com o usuário. Base de Dados A base de dados é dividida em dados dos equipamentos e dados dos circuitos. Esta base é atualizada pelo usuário sempre que tiver necessidades de cadastrar novos equipamentos e dados elétricos e topológicos de alimentadores para estudos de proteção. Os dados dos equipamentos são representados por tabelas que contêm informações tais como: correntes nominais e de diferentes tipos de curto circuitos, curvas tempo-corrente, nível básico de isolamentos e o conjunto de ajustes disponíveis de cada tipo de dispositivo de sobrecorrente (taps, fatores de escala e de início de curvas, etc) que são usados para especificação, coordenação e seletividade em projetos de proteção. Cada dispositivo de proteção contra sobrecorrente, isto é, elo fusível, relé de sobrecorrente e religador deve ter suas 6/11

7 características de atuação de tempo-corrente cadastradas para serem utilizadas durante o projeto de coordenação e seletividade. Existem dois métodos para cadastrar estas características na base de dados: (1) Armazenar o conjunto de pontos que descrevem a curva. Este método é empregado para armazenar as curvas dos elos fusíveis; (2) Armazenar a equação e os parâmetros que descrevem as curvas tempo-corrente dos dispositivos. Este método é empregado para armazenar as curvas características de tempo inverso dos relés e dos religadores eletrônicos. As equações das curvas de atuação de tempo-corrente são definidas pelo fabricante. Para os relés e religadores que não possuem equações que descrevem suas curvas características, utiliza-se informações das curvas fornecidas no catálogo do fabricante, e através de um tratamento matemático adequado obtém-se uma equação polinomial que a represente. As condições de coordenação entre os elos fusíveis de diferentes tipos e capacidades são armazenadas na base de dados na forma de tabelas. As especificações dos elos fusíveis para diferentes tipos de transformadores e potências também se encontram armazenados na base de dados na forma de tabelas. Dados do circuito são representados por arquivos que contêm informações tais como: impedâncias, índices de faltas das seções ou do circuito (permanentes e temporárias), topologia do circuito e outros dados necessários para o cálculo de curto-circuito, reconfiguração, coordenação e seletividade. Base de Conhecimentos A base de conhecimentos é composta por regras para especificação, coordenação e seletividade de pares de dispositivos. As possíveis combinações de pares de dispositivos em circuito de distribuição são: elo fusível elo fusível, religador elo fusível, relé - elo fusível, religador religador, relé - religador, relé religador elo fusível. A especificação de elos fusíveis de transformadores e a coordenação entre elos fusíveis de diferentes tipos e capacidades é obtida da base de dados [10]. Na análise da coordenação entre religadores e fusíveis deve ser obtida a faixa de coordenação. Para obter esta faixa de coordenação é necessário encontrar os pontos de intersecção das curvas tempo-corrente do elo fusível com as curvas tempo-corrente do religador. Para o elo fusível que tem cadastrado na base de dados o conjunto de pontos que definem suas curvas tempo-corrente mínima e máxima, devese identificar quais os segmentos destas curvas que interseccionam com as curvas instantânea e temporizada do religador. Para cada par de pontos das curvas de máxima e mínima dos fusíveis obtém-se duas equações de retas. Os pontos que definem a faixa de coordenação dos equipamentos são obtidos das intersecções destas equações com as curvas instantânea e temporizada do religador. Na análise de coordenação entre relé de sobrecorrente religador, relé de sobrecorrente-fusível deve ser atendida a restrição que considera um retardo entre os tempos de atuação dos dispositivos a montante em relação aos seus respectivos dispositivos coordenados dispostos a jusante, para valores de corrente de faltas compreendidas nas seções do alimentador em que um é proteção principal, e o outro é proteção de retaguarda. O retardo de tempo necessário para que haja coordenação entre estes dispositivo é estabelecido por normas técnicas e pelo projetista e os valores típicos adotados fazem parte da base de conhecimentos do sistema. As regras restantes são projetadas para o processo de controle através de raciocínio lógico, e são as seguintes: (1) Regras para a seleção de pares de dispositivos do alimentador para especificação seletividade e coordenação; (2) Regras para a simulação da coordenação e seletividade dos dispositivos de proteção para cada topologia do circuito, sugerida pela base de conhecimentos [10]. Máquina de Conclusão A máquina de conclusão, representa o meio pelo qual o conhecimento é manipulado, utilizando-se das informações armazenadas na base de conhecimento, e interação com o usuário para desenvolver o projeto de proteção do alimentador. Na máquina de conclusão são processados a alocação, seleção e coordenação de diversos dispositivos protetores, através do fornecimento pelo usuário de um conjunto de condições de topologia e cargas 7/11

8 instaladas e do conjunto de ajustes disponíveis de dispositivos de proteção (taps, curvas de atuação, etc). O algoritmo de seleção precisa das localizações dos dispositivos de proteção obtidas através dos algoritmos de alocação, para que os dispositivos protetores possam ser especificados, levando-se em consideração os aspectos relacionados com o nível de tensão, nível de correntes de cargas e de curtocircuito e outros dados importantes para a especificação adequada dos dispositivos. O algoritmo de seleção também utiliza dados de coordenação para selecionar os dispositivos, de maneira que os mesmos estejam coordenados entre si. Interface com o Usuário A interface com o usuário é projetada para facilitar a interação com o usuário do sistema especialista. No sistema desenvolvido o usuário entra facilmente com os dados de equipamentos, alimentadores e regras para o processamento de decisões. Esta interface também fornece os ajustes e especificações, seletividade e coordenação dos dispositivos de proteção de forma conveniente através de tabelas e de gráficos que mostram os diagramas de coordenação para o alimentador sob estudo. Os problemas encontrados na especificação, coordenação e seletividade dos equipamentos são detectados através da base de conhecimentos e informados através desta interface ao usuário. Desta forma o usuário pode interferir no processo de decisão, redefinindo as condições do projeto para obter soluções técnicas sob os aspectos da seletividade e coordenação da proteção, e viáveis economicamente. 3. RESULTADOS A metodologia proposta foi implementada em linguagem FORTRAN. Para testar o protótipo do programa, utilizou-se um alimentador real de 660 barras - Fig. 3. Os resultados dos testes de alocação da proteção obtidos através da técnica otimizada, estão representadas na Fig. 3 e na Tab. 1. Os índices de faltas permanentes e temporárias utilizadas nos testes com este alimentador foram, respectivamente λ = 0,055 e γ = 0, 15 falhas/km/ano. Figura 3 Alimentador 660 barras. Alocação Otimizada dos dispositivos de proteção e Especificação dos Elo-Fusíveis Definidos segundo os critérios da subseção 2.1 os pontos candidatos para alocação de dispositivos de proteção no alimentador, foram realizadas simulações para obter a alocação otimizada da proteção 8/11

9 considerando as possibilidades de não alocar religadores ou alocar dois religadores no alimentador. No primeiro caso, durante a etapa de ajuste do relé da subestação, após realizar o dimensionamento e a coordenação dos elos fusíveis, não foi possível obter coordenação do relé eletrônico na saída do alimentador para valores de terra com o elo de 65K, devido ao elevado tempo de atuação deste dispositivo. Este elo foi alocado de forma coordenada para valores de fase e apenas seletivo para valores de terra. Diante disto, os ajustes da unidade de terra do relé foram feitos com base na coordenação deste dispositivo com o elo de 40K. Ressalta-se que mesmo adotando este critério de ajuste para o relé, foi selecionada uma curva temporizada de terra muito lenta. Este ajuste torna o relé pouco sensível para faltas fase-terra com valores de impedância de faltas típicos. A alocação de religadores no sistema melhora os índices de confiabilidade da rede, reduzindo a região sujeita somente a proteção do relé da subestação, e melhora a sensibilidade do sistema. Baseado nesta idéia, e dada à interatividade do sistema computacional desenvolvido, permitiu-se ao usuário procurar novas alternativas para melhorar a sensibilidade do sistema de proteção. A partir disto verificou-se a viabilidade técnica e econômica de desenvolver o projeto de proteção de forma otimizada, prevendo a alocação de dois religadores. Na etapa de ajuste dos equipamentos para esta configuração, observou-se uma melhora considerável na sensibilidade de terra. Como este tipo de defeito ocorre com maior freqüência, pode-se considerar que o alimentador está bem protegido para valores de terra, conforme mostra a Tab. 1 e as curvas de coordenação da Fig. 4. Os ajustes das correntes de pick-up de terra dos religadores eletrônicos foram feitos com base nas maiores correntes de carga dos ramais que estes dispositivos são zona de proteção primária. Nas Fig. 4 - a,b e Fig. 5 ilustra-se as funcionalidades da interface gráfica onde é possível analisar as condições de seletividade, coordenação e os ajustes dos dispositivos de proteção. A partir destas curvas é possível o usuário obter informações para inferir nos processos de alocação e especificação dos dispositivos. Pode-se observar na Fig 4 - a, que a faixa de coordenação 1 (Religador 1 & Elo de 40K) abrange valores de 217 à 519 A. Na Fig 1, pode-se verificar que os níveis de curto-circuito fase terra mínimo do alimentador são menores que o menor valor coordenado para estes dois dispositivos. Visto que para valores inferiores a 217 A, o sistema encontra-se seletivo, e que estes valores de curto circuito são a. - Curva de Coordenação de terra: Relé-Religador 1, Religador 1-Elo 40K b. - Curva de Coordenação de terra: Religador 1-Religador 2, Religador 2-Elo 15K Figura 4 - a, b : Interface Gráfica Diagramas de Seletividade e Coordenação para valores de terra Alocação Otimizada. 9/11

10 calculados para valores de altas impedâncias (40Ω), pode-se declarar esta configuração como boa, para as condições de operação do alimentador. Figura 5: Interface Gráfica Diagramas de Seletividade e Coordenação para valores de fase Alocação Otimizada. Na Fig 5. observa-se que existe faixa de coordenação entre os religadores e os maiores elos compreendidos em suas zonas de proteção, contudo, na maioria dos casos, os valores de curto circuito bifásicos e trifásicos das regiões protegidas pelos elos, possuem valores maiores que o máximo ponto com coordenação entre estes equipamentos. Diante disso, verifica-se que existirá sempre seletividade, entre estes dispositivos, porém nem sempre se obtém coordenação para os valores de fase. Tabela 1. Ajustes dos Dispositivos de Proteção. Situação 1 (sem religadores) Situação 2 (com dois religadores) Dispositivo Relés Religadores Relés Ramo Subestação (1) (2) Subestação Fator de Escala ,8 1, Curvas Inst. (fase e terra) únicas únicas Curvas Temp. (fase e terra) 0,1 e 1,9 0,2 e 1,0 0,1 e 0,25 0,1 e 1,7 TapTF,TapIF, TapTT,TapIT, (*) 4 ; 40 ; 0,1666 ; ; 40 ; 0,1666 ; 20 Pick-up de terra (A) Pick-up de fase (A) /11

11 Na Tab 1 apresentam-se os ajustes obtidos através do software desenvolvido, para o relé e religadores eletrônicos, que possibilitam obter coordenação e seletividade entre estes dispositivos e também a coordenação dos mesmos com outros dispositivos de proteção presentes neste alimentador. Os elos especificados estão representados na Fig. 1. Estes dispositivos estão seletivos e coordenados entre si. Os elos fusíveis de todos os transformadores são especificados de acordo com a capacidade nominal dos mesmos. 4.1 Conclusões Os resultados obtidos com o sistema dedicado ao estudo e análise do sistema de proteção são confiáveis e de excelente qualidade. Este sistema permite um bom nível de interatividade com o usuário. Em todos os testes realizados obteve-se a especificação e as condições de seletividade e coordenação para as propostas de alocação otimizada ou especificada de forma heurística. Devido ao fato de que a maioria das faltas que ocorrem nos sistemas de distribuição são do tipo faseterra, no software desenvolvido prioriza-se a análise de coordenação e seletividade das unidades de proteção de terra, garantindo pelo menos seletividade para os valores de fase. O sistema computacional desenvolvido e implementado é flexível e robusto, permitindo que se incorpore em suas bases de dados e conhecimentos características físicas e operacionais de novos equipamentos e dispositivos de proteção e também novas regras de coordenação, seletividade e especificação de dispositivos de proteção. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Broadwater, R.P., Thompson, J.C. Computer-Aided Protection System Design With Reconfiguration, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 6, No. 1, Page(s): [2] Broadwater, R.P., Thompson, J.C., Rahman, S., Sargent, A. An Expert System For Integrated Protection With Reconfigurable Distribution Circuits: Part I and II. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 9, No. 2, Page(s): [3] Gönen, T. Electric Power Distribution System Engineering. McGraw-Hill, INC. [4] Hong, H.W., Sun, C. Mesa, V.M., Ng, S. Protective Device Coordination Expert System, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 6, No. 1, Page(s): [5] Michalewicz Z. Genetic algorithm + Data structures = Evolution programs, 2nd ed., New York: Springer-Verlag, [6] Momoh J, Value-based distribution system reability analysis, system, man and cybernetic. Computational Cybernetics and Simulation, IEEE International Conference. 1997, 4(12-15): [7] Silva, L. G. W., Pereira, R. A. F., Mantovani, J.R.S. Allocation of Protective Devices in Distribution Circuits Using Nonlinear Programming Models and Genetic Algorithms. Electric Power Systems Research, v.69, p.77-84, [8] Soudi F, Tomsovic K. Optimized distribution protection using binary programming. IEEE Transactions on Power Delivery, 1998, 13(1): [9] Soudi F. e Tomsovic K. Optimal Distribution Protection Design: Quality of Solution and Computational Analysis, International Journal on Electric Power and Energy Systems, Vol. 21, Page(s): [10] Course Text 80 EHO PWR. Application and coordination of reclosers, sectionalizers and fuses. IEEE Tutorial Course, /11