15 Title Definição do Perfil de Ideal para Operação de Redes de Distribuição Registration Nº: (Abstract) 300 Company Universidade Federal do Pampa UNIPAMPA Authors of the paper Name Cntry e-mail Ana Paula Carboni de Mello Brasil anamello.iju@gmail.com Iuri Zacarias Londero Brasil londero.iuri@gmail.com Wagner de Melo Reck Brasil wagner.reck@gmail.com Daniel Pinheiro Bernardon Brasil dpbernardon@gmail.com Maurício Sperandio Brasil sperandio.m@gmail.com Vinicius Jacques Garcia Brasil viniciusjg@gmail.com Key words Banco de capacitor, Redes de distribuição, Regulador de, Transformador de Distribuição, Zonas de TAP. Resumo. Como um dos maiores desafios das concessionárias de energia elétrica é atender os consumidores com níveis de tensão adequados, os programas computacionais destinados às análises e diagnósticos dos sistemas de distribuição são primordiais para as distribuidoras, a fim de auxiliá-las nos processos de operação e planejamento das redes. Foram essas constatações que motivaram este trabalho. A proposta deste artigo é desenvolver algoritmos e software que permitam a definição da posição ideal para comutação dos TAP s (Transformer Adjust Position) dos transformadores de distribuição, além de definir a alocação, o regime de operação e os ajustes ótimos dos reguladores de tensão e bancos de capacitores. A originalidade está no fato de integrar no problema a posição ideal de TAP dos transformadores de distribuição com a alocação de reguladores de tensão e bancos de capacitores, considerando vários patamares de carga (leve, média, meio-dia e pesada) e horizontes de estudo (curto e médio prazo). Tendo como restrições do problema as faixas de tensão definidas nas resoluções vigentes e os limites dos equipamentos de controle. 2.5.6.doc 1 5
25 1. INTRODUÇÃO As novas regulamentações do setor elétrico têm solicitado das concessionárias uma maior eficiência e qualidade, tanto em termos de continuidade como na conformidade no fornecimento da energia elétrica. A operação das redes de distribuição de energia elétrica, respeitando padrões adequados de qualidade, influencia na eficiência e vida útil dos aparelhos elétricos, que dependem diretamente da qualidade da energia fornecida. Programas computacionais que permitem estimar as características em cada ponto dos alimentadores de distribuição são de extrema necessidade para as concessionárias, pois auxiliam no planejamento, operação e monitoramento das ações de melhorias no sistema [1]. Desta forma, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de algoritmos e software para determinar a posição ideal dos TAP s dos transformadores de distribuição, além de definir a alocação, o regime de operação e os ajustes ótimos dos reguladores de tensão e bancos de capacitores. 2. REGULAÇÃO DE TENSÃO EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO Um dos objetivos principais de um sistema de distribuição de energia elétrica é garantir a qualidade do fornecimento de energia aos consumidores. Desta forma a resolução da ANEEL Nº 505, de 26 de novembro de 2001 [2], estabelece que é dever das concessionárias de energia elétrica atender seus consumidores com níveis de tensão adequados, sendo estas fiscalizadas e sujeitas a multas. As reclamações de níveis de tensão refletem a visão do consumidor quanto à qualidade da energia fornecida pela concessionária e devem receber o tratamento adequado a fim de garantir que a tensão no ponto de entrega seja adequada e conforme a estabelecida na legislação. A procedência das reclamações pode estar relacionada a diversos fatores: impossibilidade de utilização de equipamentos, queda de tensão em determinados horários, tensão elevada ocasionando a queima de equipamentos, distúrbios causados por consumidores adjacentes, entre tros. Entre os recursos utilizados atualmente pelas concessionárias de energia para manter os níveis de tensão dentro da faixa de tensão considerada adequada em regime permanente nos sistemas de distribuição, tem-se: (i) alteração dos TAP s dos transformadores de distribuição; (ii) utilização de reguladores de tensão; (iii) aplicação de banco de capacitores [3]. A seguir são detalhados estes itens. 3. EQUIPAMENTOS PARA CONTROLE DE TENSÃO 3.1 Transformadores de Distribuição Para rebaixar a tensão proveniente da rede primária (por exemplo, 13,8kV 23,1kV), para uma tensão compatível com a rede secundária, utilizada pelos consumidores (por exemplo, 380V ) são empregados transformadores. Os transformadores de distribuição, geralmente possuem três mais derivações nas bobinas do primário que possibilitam adequação da relação de transformação de acordo com a tensão no ponto de conexão (Tabela1). Tabela 1. Posições de TAP dos transformadores de distribuição. Posições de TAP Primária Secundária 15kV 25kV 1 13,8kV 23,1kV 2 13,2kV 22,0kV 3 12,6kV 20,9kV 380V 380V 380V Um transformador ajustado em um TAP inadequado pode resultar em sobretensão subtensão a grande parte a todos os consumidores atendidos por este transformador. Outro fator importante são as perdas nos transformadores de distribuição que devem ser consideradas durante o cálculo do fluxo de potência. Para isso, cri-se um banco de dados contendo os das perdas nominais de potência, em vazio e em carga, para os tipos de transformadores mais usuais. As perdas são calculadas levando em consideração a tensão e a carga aplicadas aos transformadores, para cada instante de tempo. 3.2 Reguladores de 2.5.6.doc 2 5
35 O emprego do regulador de tensão é cada vez é mais aplicado em redes de distribuição para regular a tensão em cada uma das fases da rede, visando manter a tensão a um determinado nível quando submetida a uma variação de tensão fora dos limites especificados. Um regulador de tensão é um autotransformador normalmente com 32 posições de TAP (-16...+16), podendo operar tanto na configuração de elevador de tensão como abaixador de tensão, através da inversão das bobinas do secundário. O comportamento deste tipo de equipamento é modelado conforme segue: compara-se a tensão de entrada do regulador com a sua tensão de referência. Caso exista diferença, o software propicia uma regulagem de até -10% +10% na tensão de entrada, resultando numa tensão de saída idêntica mais próxima possível da tensão de ajuste do equipamento. A figura 1 ilustra o início do processo de comutação, com a tensão de referência ajustada em 120 volts. Figura 1. Mudança de TAP potência reativa gerada pelo banco varia quadraticamente com a tensão aplicada, além de considerar o seu regime de operação. 4. DEFINIÇÃO DO PERFIL DE TENSÃO IDEAL PARA OPERAÇÃO DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO A inovação deste artigo consiste no desenvolvimento e aplicações de uma solução global para definir o perfil de tensão ideal para operação das redes de distribuição, apresentando originalidade na proposição dos modelos e algoritmos. Serão abordados os principais elementos influenciadores nos níveis de tensão, com o objetivo de determinar a posição ideal do TAP dos transformadores de distribuição considerando os resultados de fluxo de potência para vários patamares (leve, média, meio-dia e pesada) e horizontes (curto e médio prazo de carga, além de definir a alocação, o regime de operação e os ajustes ótimos dos reguladores de tensão e bancos de capacitores. Adicionalmente, também são previstas as seguintes contribuições: metodologia para construção de curvas típicas de carga e o uso da confiabilidade das curvas típicas para correção das cargas durante o fluxo de potência. Até o presente momento já foi desenvolvido o algoritmo para cálculo do fluxo de potência em redes de distribuição e para definição da Zona de TAP dos transformadores de distribuição, conforme descritos nos itens a seguir. 4.1 Algoritmo para Cálculo do Fluxo de Potência 3.3 Banco de Capacitores Alguns equipamentos elétricos, como motores, reatores e transformadores necessitam de energia reativa para criar o fluxo magnético que seu funcionamento exige. A otimização na aplicação de banco de capacitores implica na redução de reativos circulando na rede de distribuição. Com a aplicação de bancos de capacitores existe o beneficio da diminuição da queda de tensão, em função da redução da componente indutiva da corrente. A impedância dos bancos de capacitores foi modelada com um comportamento constante em função da tensão aplicada. Assim, a Implement-se para o cálculo do fluxo de potência em redes de distribuição radiais o algoritmo de somatório de correntes. Como as cargas elétricas foram definidas com um comportamento constante em função da tensão aplicada, isso resulta em uma solução não trivial para o cálculo do fluxo de potência, uma vez que a corrente absorvida pelas cargas depende da tensão e esse valor não é conhecido. Dessa maneira, a solução é encontrada somente de forma iterativa, utilizando o seguinte procedimento [4]: 1) Inicialmente, considera-se que a tensão em todos os pontos do alimentador é igual à tensão medida na barra da subestação, seja, neste primeiro momento, as quedas de tensão nos 2.5.6.doc 3 5
45 condutores primários são desprezadas. Esse dado pode ser recebido automaticamente através dos sistemas de medidas remotas instalados nas subestações. 2) Calculam-se as componentes, ativa e reativa, das correntes primárias absorvidas e injetadas no sistema pelos elementos elétricos (transformadores de distribuição, consumidores primários, bancos de capacitores e fontes de geração distribuída). 3) O procedimento para se obter as correntes em todos ramos da rede consiste em duas etapas. Na primeira, realiza-se um ciclo no conjunto de nós (cargas), acrescentando os de corrente no conjunto de ramos (trechos). Na segunda, acumulam-se as correntes desde os trechos finais até a subestação. 4) A seguir, determinam-se as respectivas quedas de tensão nos condutores primários. 5) Parte-se da barra da subestação e se obtém as quedas de tensão acumuladas em todos os trechos da rede primária e, conseqüentemente, os de tensão em qualquer ponto. 6) Verifica-se a diferença entre o novo valor de tensão para os todos nós da rede primária e o valor anteriormente utilizado. Se essa diferença for suficientemente pequena, a solução do cálculo do fluxo de potência foi encontrada e o sistema é dito convergente. Caso contrário repete-se os passos anteriores a partir do item dois, utilizando as tensões calculadas para a obtenção dos de corrente. Realizam-se as iterações até que a diferença encontrada seja menor que o valor permissível, o qual foi estipulado em 0,1kV. Esse valor representa menos de 1% de diferença, resultando em precisos para as variáveis de estado, sem perder a rapidez de processamento do programa. No término desse processo, definem-se as potências ativa e reativa em todos os ramos do alimentador e, conseqüentemente, as perdas técnicas nos condutores primários. 4.2 Algoritmo para Definição da Posição de TAP Ideal para os Transformadores de Distribuição Para manter os níveis de tensão adequados, são executados dois cálculos de fluxo de potência, um para o patamar de carga leve e tro para o patamar de carga pesada, a fim de obter os dois extremos de tensão entregues para os consumidores. A seguir, analisa-se cada uma das três posições de TAP do transformador, convertendo os de tensão para de tensão secundários. O TAP que proporcionar mais próximos da faixa considerada adequada segundo a resolução Nº. 505 da ANEEL [2] será escolhido. A tabela a seguir apresenta as classificações para as faixas de de tensão segundo esta resolução. Tabela 2. Pontos de entrega conexão em tensão nominal igual inferior a 1kV. Nominal (TN) 5. ANÁLISES EXPERIMENTAIS Para análise e validação das metodologias para o cálculo do fluxo de potência, realizaramse estudos de casos com dados reais da concessionária de energia elétrica. A seguir são 2.5.6.doc 4 5 Lig. Trifásica Monofá-sica Volt s (127) (380) (254) (127) (440) Adequados de leitura (TL) em relação à 201 TL 231 116 TL 133 348 TL 396 201 TL 231 232 TL 264 116 TL 132 402 TL 458 201 TL 229 Precários das Tensões de Leitura (TL) em relação à 231<TL 233) (109 TL<116 133<TL 140) (327 TL 348 396<TL 403) 231<TL 233) (220 TL<232 264<TL 269) (109 TL<116 132<TL 140) (380 TL<402 458<TL 466) 229 < TL 233) Críticos das Tensões de Leitura (TL) em relação à TL>233) (TL<109 TL>140) (TL<327 TL>403) TL>233) (TL<220 TL>269) (TL<109 TL>140) (TL<380 TL>466) TL>233)
55 apresentadas as análises experimentais obtidas para uma subestação com 73.779 consumidores e 10 alimentadores. A figura 2 ilustra a interface do programa computacional desenvolvido e o resultado do fluxo de potência para os alimentadores da subestação, considerando o patamar de carga máxima. Para ilustrar as condições de normalidade, precariedade e criticidade dos alimentadores, referente ao carregamento dos condutores e níveis de tensão nos transformadores de distribuição, a topologia é representada nas cores verde, amarela e vermelha, respectivamente. Verifica-se que o desempenho da rede ilustrada na fig. 2, encontra-se em uma maioria adequada (cor verde). REFERÊNCIAS [1] BERNARDON, D. P Novos métodos para reconfiguração das redes de distribuição a partir de tomadas de decisão multicriteriais, Tese de Dtorado apresentada a Universidade Federal de Santa Maria, 2007. [2] ANEEL. Resolução no. 505, 26 de Novembro de 2001. 15 p. Disponível em: < www.aneel.gov.brcedocres2001505.pdf>. Acesso em: 23 ago. 2009. [3] PEREIRA, P. R. S Métodos para otimização dos ajustes dos reguladores de tensão e zonas de tap em sistemas de distribuição, Dissertação de Mestrado apresentada a Universidade Federal de Santa Maria, 2009. [4] BERNARDON, D. P Desenvolvimento de Algoritmos e sistema computacional para Estimação de Estados em Redes de Distribuição, Dissertação de Mestrado apresentada a Universidade Federal de Santa Maria, 2004. Figura 2. Resultado do fluxo de potência 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS [5] BERNARDON, D. P.; COMASSETTO, L; VEIGA, F; CANHA, L. Studies of parallelism in distribution networks served by different-srce substations, Electric Power Systems Research, v. 78, p. 450-457, 2008. O objetivo principal do trabalho consiste em desenvolver algoritmos e software para a definição do perfil de tensão ideal para operação das redes de distribuição, resultando em uma ferramenta útil, confiável e de fácil aplicação para as concessionárias. Para uma avaliação real do desempenho do software, realizaram-se estudos de casos com dados reais das concessionárias. Os resultados parciais se apresentaram bastante satisfatórios. 7. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a UNIPAMPA pelo apoio financeiro ao projeto por meio de concessão de bolsa de desenvolvimento acadêmico (PBDA). 2.5.6.doc 5 5