Self-Healing Semi-Centralizado e seus benefícios para clientes com base instalada

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1 XI SIMPÓSIO DE AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS 16 a 19 de Agosto de 2015 CAMPINAS - SP Self-Healing Semi-Centralizado e seus benefícios para clientes com base instalada Paulo Antunes Souza Wagner Hokama Cosme dos Santos Siemens CPFL Paulista Siemens Brasil Brasil Brasil Guilherme Bazani Siemens Brasil Paulo Haas Siemens Brasil SUMÁRIO No sistema elétrico brasileiro, a ANEEL define indicadores coletivos cujo objetivo é manter a qualidade na prestação do serviço público de distribuição de energia elétrica. Uma funcionalidade que pode auxiliar as empresas de distribuição de energia a melhorar esse índice é o sistema de Selfhealing, que consiste em, dado um defeito no ramal de distribuição de energia, isolar a falha e restabelecer a maior quantidade de consumidores possível. Analisando os tipos de sistemas de Self-Healing existentes, na solução Self-Healing semi-centralizado, o investimento consiste na aquisição de um sistema digital que possa monitorar e atuar nos religadores distribuídos em uma determinada zona de atuação da concessionária. Um dos principais benefícios desse sistema é a possibilidade da concessionária de distribuição de energia utilizar os religadores e controladores já existentes, ficando a lógica de recomposição do sistema de distribuição a cargo do controlador de self-healing. Com isso, pode-se melhorar significativamente os indicadores DEC e FEC sem a necessidade de se realizar um investimento significativo. Associado a essa funcionalidade, pode-se agregar uma gestão automática de sobrecarga junto com um sistema de descarte de carga com matriz de prioridades, garantindo assim, além de recuperação automática do sistema elétrico, uma operação da rede aérea de distribuição dentro de limites operacionais desejados e seguros. Permitindo também o fornecimento de um serviço aos consumidores mais confiável já que a possibilidade de desligamentos desnecessários acaba sendo reduzida significativamente. PALAVRAS CHAVE Self-Healing, Rede Área de Distribuição, Gerenciamento de Sobrecarga, DEC, FEC, Gateway, Automação de Energia. Paulo Antunes Souza - paulo.antunes@siemens.com (11)

2 1. Introdução No sistema elétrico brasileiro, a ANEEL define indicadores coletivos cujo objetivo é manter a qualidade na prestação do serviço público de distribuição de energia elétrica. Com isso, a ANEEL exige das concessionárias um padrão de continuidade no fornecimento de energia elétrica. Nesse contexto, dois indicadores são definidos no Módulo 8 dos Procedimentos de Distribuição PRODIST (PRODIST, 2015): DEC: Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora; FEC: Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora. O DEC e o FEC são contabilizados sempre que ocorrer uma Interrupção de Tensão, sendo a duração da variação superior a 3 minutos. Uma funcionalidade que pode auxiliar as empresas de distribuição de energia a melhorar esses índices é o sistema de Self-healing, que consiste em, dado um defeito no ramal de distribuição de energia, isolar a falha e restabelecer a maior quantidade de consumidores possível através de manobras de religadores na rede aérea de distribuição. Existem três possíveis soluções para implantação de um sistema de Self-healing: Self-Healing Distribuído: nesse caso, a lógica de recomposição é alocada nos controladores dos religadores espalhados pela rede de distribuição; Self-Healing Semi-centralizado: a lógica de recomposição do sistema elétrico fica alocada no servidor de self-healing, que pode ser instalado na subestação de energia da região. Self-Healing Centralizado: sistema que reside no Centro de Controle regional da empresa de distribuição elétrica. Além de atender aos requisitos do PRODIST, um sistema de Self-Healing pode apresentar funcionalidades adicionais com um gerenciamento local de sobrecarga do sistema elétrico (Overload Management). Assim, além garantir a recomposição do sistema elétrico dentro do intervalo de tempo estipulado pela regulamentação, é possível realizar uma operação automatizada dos religadores para prover uma operação segura do sistema elétrico. Finalmente, todos esses elementos trazem um beneficio claro para o consumidor de energia elétrica, ou seja, para os clientes da empresa de distribuição já que aumentam significativamente a disponibilidade de fornecimento do serviço na região de aplicação do sistema de Self-Healing. Nos próximos capítulos, é realizada uma comparação dos diferentes sistemas de Self-Healing (distribuído, semi-centralizado e centralizado) elucidando as características e benefícios de cada proposta. Ainda, é abordado o cenário de operação do sistema elétrico pelas empresas de distribuição de energia e os benefícios que um sistema combinado de Overload Management pode agregar. Finalmente, são descritos alguns dos requisitos desejados para um sistema de Self-Healing combinado com um sistema de Overload Management. 2. Requisitos da ANEEL para Empresas de Distribuição - PRODIST A ANEEL, com o objetivo de garantir requisitos relativos à Qualidade da Energia Elétrica (QEE) e a qualidade dos serviços prestados pelas empresas de distribuição de Energia Elétrica, mantém um documento chamado PRODIST - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional. Além do escopo já mencionado, o PRODIST estabelece também a metodologia para apuração dos indicadores de continuidade e dos tempos de atendimento a ocorrências emergenciais, definindo padrões e responsabilidades. Dentre os indicadores mencionados no documento, existem dois de alta relevância para as empresas de distribuição de energia elétrica: DEC: duração equivalente de interrupção por unidade consumidora, expressa em horas e centésimos de hora. Sendo o cálculo definido pela seguinte expressão: 1

3 Figura 1 Expressão para o Cálculo do DEC FEC: frequência equivalente de interrupção por unidade consumidora, expressa em número de interrupções e centésimos do número de interrupções, cuja expressão é a seguinte: Figura 2 Expressão para o Cálculo do FEC Sendo, nas fórmulas acima: i = índice de unidades consumidoras atendidas em BT ou MT faturadas do conjunto; Cc = número total de unidades consumidoras faturadas do conjunto no período de apuração, atendidas em BT ou MT. No entanto, para que o DEC e o FEC sejam contabilizados, existe um valor mínimo de interrupção. Caso a interrupção no fornecimento seja Temporária, ela não é contabilizada no cálculo dos índices. Para tal, dentro do PRODIST, existe uma tabela classificando esses eventos: Tabela 1 - Classificação das Variações de Tensão de Curta Duração segundo PRODIST 2

4 Portanto, caso a empresa de distribuição de energia consiga restabelecer o serviço de fornecimento dentro do período de 3 minutos, a interrupção é classificada como interrupção temporária de tensão e o evento não é contabilizado no DEC. E essa é a meta que faz sentido cumprir para garantir um valor adequado de DEC frente à ANEEL. 3. Tipos de Sistemas de Self-Healing Existem atualmente no mercado três tipos distintos de sistemas de Self-healing, sendo estes já mencionados no capítulo 1. A Tabela 2 ilustra de maneira mais didática a diferença entre eles, abordando também o aspecto do sistema de telecomunicação necessário para que opere corretamente. Tabela 2 Comparação entre sistemas de Self-Healing Distribuído, Semi-Centralizado e Centralizado Self-Healing Distribuído Self-Healing Semi- Centralizado Self-Healing Centralizado Princípio de Funcionamento A lógica de recomposição é alocada nos controladores dos religadores espalhados pela rede de distribuição A lógica de recomposição do sistema elétrico fica alocada no servidor de self-healing, que pode ser instalado na subestação de energia da região O sistema reside no Centro de Controle regional da empresa de distribuição elétrica Tempo de reconfiguração da Rede Aérea de Distribuição Inferior a 10 segundos (depende do meio de comunicação) Inferior a 1 minuto Inferior a 3 minutos (depende do meio de comunicação) Pode ser implementado usando o controlador padrão do religador Base instalada? Normalmente não, é necessário um IED que tenha IEC com mensagens GOOSE Sim, desde que controlador do religador se comunique via protocolo aberto (e.x. DNP 3.0) Sim, desde que controlador do religador se comunique via protocolo aberto (e.x. DNP 3.0) Característica do Sistema de Telecomunicações Exige um sistema de comunicação que permita a troca de dados entre os controladores dos religadores Requer uma infraestrutura de telecomunicação mais simples do que o Self- Healing distribuído, pois não há necessidade de troca de telegramas entre os controladores dos religadores Requer uma infraestrutura de telecomunicação mais simples do que o Self- Healing distribuído, pois não há necessidade de troca de telegramas entre os controladores dos religadores Sistemas de Telecomunicação aptos a trafegar os dados WiMax, Fibra Óptica, RF MESH GPRS, 3G, WiMax, Fibra Óptica, RF MESH GPRS, 3G, WiMax, Fibra Óptica, RF MESH Exige um sistema de telecomunicações robusto entre a Subestação e o Centro de Controle Central? Não Não Sim 3

5 Pode operar como Gateway do sistema de automação da Subestação na região do Self-Healing? Custo de Implementação (comparativamente entre as opções) Não Sim Não $$ $ $$ Assim, comparando as informações da tabela, nota-se uma vantagem significativa na utilização do sistema de Self-Healing Semi-Centralizado em termos de custo de implementação e vantagens para a concessionária de energia. Outro ganho atrelado à implementação do sistema de Self-Healing é relacionado com a redução do número de equipes em campo e também nas quantidades de operadores nos Centros de Controle da concessionária. Observa-se atualmente um continuo aumento nos custos de funcionários que atuam em campo e nos centros de controle, e para a empresa de distribuição de energia, esses fatores somados resultam em ganhos operacionais reais. Apesar do sistema de Self-Healing distribuído apresentar um tempo de resposta muito inferior (na casa de segundos), atualmente não faz sentido do ponto de vista de investimento / retorno para as empresas de distribuição de energia tendo em conta o requisito da ANEEL PRODIST, que estipula um prazo de interrupção de 3 minutos antes de contabilizar o evento no DEC. 4. Funcionamento do Sistema Self-healing Semi-Centralizado O sistema de Self-Healing semi-centralizado se baseia na instalação de um sistema próximo à região na qual se deseja realizar uma reconfiguração automática da rede aérea de distribuição. Normalmente, a subestação de energia, que alimenta uma região, é a escolha preferencial para a instalação do sistema. Isso pois, na subestação de energia de distribuição, já estão presentes facilidades como: Canal de comunicação com o centro de operação da empresa de distribuição de energia; Infraestrutura de comunicação com os controladores dos religadores (via RF, Fibra Óptica, etc); Alimentação segura em Corrente Continua. Uma estratégia que pode ser utilizada, para reduzir ainda mais o investimento necessário de instalação do sistema, é combinar a solução de Self-Healing com o sistema de Automação de Energia de subestação de energia. Assim, reduz significativamente o custo de Hardware, licenças de software, etc. Logo, para empresas que já apresentam base instalada de: Sistema de Automação de Energia; Controladores de religadores equipados com protocolos de comunicação. O processo de implementação de um sistema de Self-healing se baseia apenas na elaboração das lógicas de controle necessárias para garantir a recomposição automática dos religadores da rede aérea de distribuição, passando a ser uma estratégia muito interessante em termos de custos e benefícios para a companhia de distribuição de energia. A figura seguinte exemplifica uma arquitetura típica de comunicação para um sistema que combina a solução de automação de energia com a solução de Self-Healing: 4

6 Centro de Controle Remoto Subestação de Energia Sistema Self-healing Semi-Centralizado Saída Alimentador SE Sistema Telecom Self- Healing Comunicação com IEDs dos Religadores Poste Rede Aérea de Distribuição + Religador + IED Religador + Sistema de Telecom Saída Alimentador SE Sistema de Automação de Energia da Subestação (conexão opcional ao Sistema de Self-Healing) Figura 3 Arquitetura Básica da comunicação do Sistema de Self-healing Semi-Centralizado Para operar, o sistema precisa obter dados característicos dos controladores dos religadores, tais como: Medições Analógicas (corrente, tensão, potencia ativa, etc); Posição do religador (aberto, fechado); Sinais de atuação de proteção; Indicação de Lockout da função de religamento; Sinal de comando para manobra do religador (abrir, fechar). Através de um protocolo de comunicação aberto (ex: DNP 3.0, IEC-61850, etc), o controlador do religador disponibiliza tais informações para o concentrador de Self-healing. Esse, por sua vez, executa as lógicas necessárias e tomas ações para, em caso de falta no sistema elétrico, isolar o segmento problemático e alimentar novamente os segmentos saudáveis da rede aérea de distribuição. O processo de isolamento e reconfiguração consiste no envio de comandos de Abrir e Fechar para os controladores dos religadores, que atuam sobre o dispositivo primário. Todo o processo, desde a detecção da falta no sistema elétrico, até o envio dos comandos para isolar o defeito e realimentar os segmentos saudáveis, pode demorar em torno de 15 a 60 segundos, dependendo do sistema de comunicação existente. 5. Gestão de Sobrecarga como funcionalidade combinada ao Self-Healing Em áreas urbanas densamente povoadas, é comum encontrarmos sistemas de distribuição de energia operando próximo a seus limites operacionais. Isso significa que transformadores de potência, alimentadores e segmentos da rede área de distribuição necessitam ser monitorados continuamente pela equipe de operação da empresa de energia elétrica para garantir que o sistema opere dentro de limites operacionais seguros e desejados. Em algumas situações, a própria atuação do sistema de recomposição automática pode gerar um cenário de sobrecarga operacional, que demanda atuação do centro de controle para alivio de carga. 5

7 Uma funcionalidade interessante, tendo em vista esse cenário, é a gestão automática de sobrecarga (Overload Management) combinada com o sistema de Self-Healing. Ela consiste em monitorar continuamente os valores operacionais de Transformadores, Alimentadores e segmentos da rede de distribuição para identificar locais com sobrecarga operacionais. Quando essas regiões são identificadas, o sistema atua automaticamente para transferir o excesso de carga a outro alimentador que apresente uma situação operacional de carga mais favorável. Com esse sistema combinado ao Self-healing, é possível também calcular previamente se uma manobra de reconfiguração de rede aérea pós-falta poderá gerar uma sobrecarga operacional. Caso seja detectada essa possibilidade, o sistema pode selecionar de imediato qual a melhor manobra dentre os religadores disponíveis para distribuir corretamente a carga nos alimentadores existentes. Em alguns cenários, dependendo da capacidade disponível nos alimentadores da rede de distribuição, pode ocorrer de não existir possibilidades para redistribuição de carga. Assim, é desejável cortar carga em segmentos menos prioritários do sistema de distribuição. Cortar carga em cenários nos quais não é possível realizar a transferência para outros alimentadores acaba sendo a melhor estratégia para evitar um desligamento indesejável de todo o sistema por uma unidade de proteção. Assim, a funcionalidade de Overload Management deve ser combinada com uma filosofia de descarte de carga com definições de prioridades, para preservar clientes críticos com hospitais, escolas, etc. Novamente, para a empresa de distribuição de energia, agrega-se valor ao sistema que passa a ser, além de uma solução de Self-Healing, um mecanismo inteligente de gestão de carga no sistema elétrico com descarte de carga via matriz de prioridades. Tal abordagem alivia a necessidade de operadores nos centros de controle, como já mencionado, e toma ações em intervalos de tempo menores, garantindo para os consumidores de energia mais disponibilidade e segurança no serviço prestado pelas concessionárias de energia. 6. Características Desejadas do Sistema Expostos os benefícios da solução combinada de self-healing com o conceito de overload management e load shedding, ficam claras as vantagens de sua aplicação, tanto para as concessionárias de energia, como para os usuários dos serviços prestados pelas mesmas. Do ponto de vista operacional, existem algumas características que facilitam sua operação e tornam a manutenção mais adequada para o corpo técnico da empresa de energia. Dentre eles, vale mencionar os seguintes: Simulador de funcionamento do automatismo, para garantir que a lógica implementada opere de maneira correta para diferentes cenários de falhas no sistema elétrico; Fácil gestão da base de dados, para facilitar possíveis modificações; Tempo de varredura das variáveis na casa de 1 segundo, de maneira a permitir rápida identificação de defeitos e, consequentemente, rápida recomposição da rede; Verificação da saúde dos controladores dos religadores em campo, de maneira a garantir o bom funcionamento do sistema e se o mesmo está em comunicação. Em caso de falhas, pode ser necessário realizar o bloqueio momentâneo das lógicas de Self-Healing; Capacidade de comunicação através de vários protocolos de comunicação (DNP 3.0, etc), de maneira a garantir fácil integração com controladores de religadores disponíveis no mercado; Verificação de sobrecarga de corrente, evitando realizar uma manobra que possa sobrecarregar o alimentador da subestação; Gestão de sobrecarga associada a funcionalidade de descarte de cargas, para manter o sistema elétrico operando dentro de limites operacionais seguros e evitando desligamentos desnecessários por sobrecarga de alimentadores ou transformadores; Envio de sinais de sincronismo de relógio interno aos controladores dos religadores, para facilitar a análise de eventos pós-ocorrência; 6

8 7. Conclusão A ANEEL define critérios bem específicos para garantir a qualidade dos serviços prestados pelas empresas de distribuição de Energia Elétrica no Brasil. E o faz através da medição de índices específicos, como o DEC e o FEC. As empresas de distribuição de Energia Elétrica recebem metas para esses índices, que normalmente são revistas anualmente de maneira a manter a garantir ao consumidor final uma continua melhoria na qualidade dos serviços prestados. O sistema de Self-Healing semi-centralizado, como demonstrado nesse artigo, oferece todos os mecanismos para tornar atender aos requisitos da ANEEL e garantir uma maior qualidade nos serviços prestados a seus consumidores. E comparativamente a alternativas no mercado, a opção do sistema de Self-Healing semi-centralizado apresenta um menor custo de implementação e pode, opcionalmente, ser combinado com o sistema de automação de energia da subestação, provendo uma sinergia para a empresa de distribuição de energia elétrica e assegurando reduções de custo de instalação ainda maiores. Como estratégia para aprimorar a operação da rede área de distribuição, o sistema de Self-Healing semi-distribuido pode ainda ser combinado com outras funcionalidades, como por exemplo, a gestão de carga na rede de distribuição (Overload Management). Assim, reduz-se a demanda de ações dos operadores no Centro de Controle Remoto agregando mais inteligência à rede através de um sistema automatizado. De alguma maneira, a solução de Self-healing combinada com a função de Overload Management atua para tornar o sistema mais inteligente, alinhando com o conceito de Smart Grid. 0

9 BIBLIOGRAFIA [1] PRODIST, ANEEL - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional, Módulo ; [2] E.J. Coster, W.C.M. Kerstens, O. Schroedel - Implementation of an Automatic FLIR-scheme in a 20 kv Distribution Grid [3] O. Schroedel et al. Distribution automation solutions- impact on system availability in distribution networks proc. of CIRED, Frankfurt