XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica

XVIII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica SENDI 2008-06 a 10 de outubro Olinda - Pernambuco - Brasil Otimização dos ajustes de reguladores de tensão aplicados em redes de distribuição com acentuada variação de carga, visando atender a legislação e a satisfação dos clientes Paulo Ricardo da Silva Pereira RGE Rio Grande Energia Danusia De Oliveira De Teobaldo Bohn Lima RGE Rio Grande Energia RGE Rio Grande Energia ppereira@rge-rs.com.br dlima@rge-rs.com.br tbohn@rge-rs.com.br Lucas Claudy da Silveira Luciane Neves Canha Alzenira da Rosa Abaide RGE UFSM UFSM lsilveira@rge-rs.com.br lncanha@ct.ufsm.br alzenira@ct.ufsm.br Palavras-chave Regulador de tensão Níveis de tensão Resolução 505/01 Otimização Sistemas de distribuição de energia elétrica Resumo A qualidade, eficiência e vida útil dos aparelhos elétricos dependem diretamente da qualidade da energia fornecida. Buscando melhorar a qualidade e garantir a conformidade dos níveis de tensão ao longo das redes de distribuição, as empresas distribuidoras investem em melhorias no sistema, equipamentos reguladores de tensão, recondutoramento, construção de novos alimentadores e/ou subestações. Além do funcionamento dos equipamentos, o fornecimento da energia dentro dos limites adequados é necessário para o desenvolvimento econômico das regiões atendidas. Por outro lado, as distribuidoras estão sujeitas a multas severas caso os níveis de tensão estejam fora dos limites estabelecidos pela ANEEL. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo apresentar a metodologia para análise e otimização dos níveis de tensão utilizada pela Rio Grande Energia, com ênfase na definição dos ajustes dos reguladores de tensão. Os ajustes propostos e utilizados visam à adequação dos níveis de tensão considerando a tensão e variações das cargas, garantindo, desta forma, o atendimento à legislação e aumento da satisfação dos clientes. Serão apresentados também os resultados obtidos avaliando níveis de tensão e o potencial de reclamações existente em cada alimentador em função da tensão primária e zonas de TAP. 1/10

1. Introdução Os sistemas de distribuição de energia brasileiros caracterizam-se por grandes extensões de rede, cargas heterogêneas e distribuídas de forma não uniforme que resultam em elevadas quedas de tensão e acentuadas variações ao longo do dia. Devido a estas características e as exigências regulatórias, nos últimos anos o controle dos níveis de tensão tem sido objeto de estudo em todos os níveis de operação. Com a publicação da Resolução 505/01 1, as empresas distribuidoras de energia vem aumentando seus esforços para garantir os níveis adequados da tensão fornecida aos seus consumidores. Para isso são desenvolvidos novos sistemas destinados ao tratamento de reclamações e gerenciamento de medições 2-3, desenvolvimento de novos relés reguladores de tensão 4, estudos integrados para os problemas de tensão e energia reativa 5, aplicativos para a estimação dos indicadores de conformidade 6, entre outros. Para estas situações utilizam-se diversas ferramentas como técnicas de inteligência artificial, redes neurais, algoritmos genéticos, sistemas fuzzy, modelagem matemática e sistemas supervisórios. Dentre das técnicas utilizadas atualmente pelas distribuidoras de energia para controle dos níveis de tensão nos sistemas de distribuição encontram-se: o controle de tensão na barra da SE, utilização de reguladores de tensão, aplicação de bancos de capacitores, alteração dos TAP s dos transformadores de distribuição. Caso não seja possível eliminar o problema pode ser necessário recorrer a soluções que exigem um maior investimento como a aplicação de condutores de maior capacidade, construção de novos alimentadores e até mesmo a construção de novas subestações. Ao considerar um sistema de distribuição onde já são aplicados os métodos acima citados e ainda assim os indicadores de conformidade encontram-se inadequados, faz-se necessária uma avaliação mais criteriosa de todo o alimentador. Objetivas-se, com isto, a adequação dos níveis de tensão aos limites estabelecidos pela legislação vigente, através do ajuste integrado dos meios de controle disponíveis. Diante do exposto, o presente trabalho tem como objetivo a apresentação de uma metodologia aplicada à análise dos níveis de tensão e aumento da eficácia dos meios de controle utilizados, através da apresentação do estudo de caso realizado em um alimentador de distribuição da RGE. 2. Origem das Reclamações de Nível de Tensão As reclamações de níveis de tensão refletem a percepção do consumidor quanto à qualidade da energia fornecida pelas distribuidoras. Tais reclamações, procedentes ou não, devem receber um tratamento adequado a fim de garantir que a tensão no ponto de entrega seja, no mínimo, adequada aos limites estabelecidos na legislação. A origem das reclamações pode ser relacionada à impossibilidade de utilização dos equipamentos, queda de tensão em determinados horários, tensão elevada ocasionando a queima de equipamentos, distúrbios causados por consumidores adjacentes, enfim, problemas de diversas naturezas. A partir da publicação da Resolução 505/01 1, foram definidos novos critérios e prazos para o tratamento das reclamações de níveis de tensão. Uma reclamação procedente só será considerada regularizada após a apresentação de uma medição gráfica contendo níveis de tensão adequados e índices de conformidade dentro dos limites estabelecidos. Este resultado também se reflete nas medições amostrais, realizadas trimestralmente pela distribuidora para envio a ANEEL. 2/10

3. Reguladores de Tensão Os reguladores de tensão tradicionais são meios de controle de tensão utilizados por praticamente todas as empresas distribuidoras de energia. Em muitas situações são ajustados de maneira simplificada, considerando apenas três parâmetros: a tensão de referência, a insensibilidade e a temporização. Tal abordagem pode ser considerada satisfatória para alimentadores onde a variação da carga não é muito acentuada. No entanto, ao aplicar o regulador em um ponto com grande variação entre os patamares de carga leve e pesada, esta forma simplificada de definição dos ajustes não apresenta resultados satisfatórios, como pode ser visto na Figura 1, uma vez que nos horários de carga pesada a tensão de saída (V Out ) situa-se muito próxima do limite inferior da faixa de regulação, ao passo que em horários de carga leve a tensão tende a permanecer próximo da faixa superior o que pode causar sobre tensão a alguns consumidores. Figura 1 Comparativo entre tensão de saída (V Out ) e corrente de carga (I L ) com ajuste convencional. Para alimentadores com estas características de variação de carga torna-se desejável que a tensão seja mais elevada nos horários de maior carga, a fim de compensar a queda de tensão. A maioria dos reguladores tradicionais 7-13, bem como os novos reguladores de múltiplos ajustes, possui recursos para atender a esta necessidade através da utilização do compensador de queda na linha, ou LDC (do inglês Line Drop Compensator). O compensador de queda na linha típico, apresentado na Figura 2, é composto por um circuito que simula a impedância do trecho de rede após o regulador e com base na medição da corrente de carga estima a queda de tensão no ponto e eleva a tensão de saída para compensar esta queda estimada. 3/10

Figura 2 Circuito típico do compensador de queda na linha. Para utilizar o recurso do LDC nos reguladores de tensão faz-se necessário definir os parâmetros U R e U X, utilizando as equações 1 e 2, que representam a impedância do trecho de rede de distribuição cuja queda deverá ser compensada. U U Onde: U R U X I C R IC RL RTP IC X RTP = (1) L X = (2) - Compensação resistiva; - Compensação reativa; - Corrente nominal primária do regulador; RTP - Relação de transformação do TP; R L - Resistência da linha - Reatância da linha X L Com os recursos de LDC habilitados, além de utilizar-se a medida de tensão, é considerada também a corrente de carga, tornando a tensão de saída uma função que depende diretamente da tensão e corrente medida, conforme diagrama da Figura 3. Assim, a utilização da LDC pode ser definida como um ajuste variável da tensão de referência. Deste modo, conhecendo a variação da corrente de carga e o fator de potência, a nova referência do regulador (V Comp ) poderá ser estimada utilizando a equação 3. Figura 3 Diagrama funcional do regulador de tensão. 4/10

V Sendo: Comp = V f I + L ( U R ) cosθ I + I C L ( U X ) senθ I Re (3) C V Comp - Tensão de referência considerando variação da corrente de carga; V Ref - Tensão de referência ajustada no controle; I L - Corrente de carga; I C - Corrente nominal primária do regulador; U R - Compensação resistiva; U X - Compensação reativa; θ - ângulo de defasagem entre tensão e corrente. Para a avaliação da tensão esperada para o regulador deve-se considerar que a tensão V Comp calculada encontra-se no centro da faixa definida a partir da equação 4, que considera a tensão de ajuste e a Insensibilidade definida. V = V Ins(%) (4) Comp Comp ± Utilizando-se desta definição, a Figura 4 apresenta a faixa de regulação para a mesma situação da Figura 2, porém considerando a influência da carga e os parâmetros de compensação. Figura 4 Comparativo entre tensão de saída (V Out ) e corrente de carga (I L ) com utilização de LDC. Com esta abordagem, mantendo a mesma faixa de insensibilidade, pode-se observar um deslocamento da tensão de referência, devido à elevação da corrente de carga. Comparando os valores de V Out para os dois casos observa-se um ganho de tensão em toda a faixa, obtido pela utilização do LDC, apresentado na Figura 5. 5/10

Figura 5 Comparativo entre abordagem convencional e LDC. Além dos valores de tensão primária, a definição dos ajustes dos reguladores deve levar em conta seu reflexo na tensão secundária, considerando os TAP s utilizados nos transformadores de distribuição. A fim de garantir o fornecimento adequado aos consumidores atendidos em tensão secundária são definidas zonas de TAP através das quais será indicado o TAP adequado para cada transformador. Deste modo podem-se definir os ajustes dos reguladores de tensão seguindo duas configurações possíveis: Maximizar a tensão alterando as zonas de TAP Maximizar a tensão mantendo a zonas de TAP A segunda situação é preferida em muitos casos por razões operacionais devido à menor necessidade de intervenção nos transformadores, uma vez que a tensão primária será ajustada para a atual configuração do sistema. Optando-se por manter a atual configuração de TAP s a aplicação do LDC apresenta apenas um ganho de tensão referente à variação da carga do alimentador, uma vez que a tensão de referência será ajustada para um valor muito próximo do atual. No entanto, ao considerar a alteração de zonas de TAP torna-se possível a obtenção de ganhos maiores, como a elevação dos níveis de tensão em toda a rede primária, garantindo a faixa de tensão adequada para os consumidores atendidos em média tensão e conseqüentemente reduzindo os níveis de perda técnica. 4. Zonas de TAP As zonas de TAP são estabelecidas com o propósito de manter a tensão secundária dentro dos limites adequados, considerando a tensão recebida pelo primário do transformador. Para a definição do TAP adequado é utilizado uma rotina computacional que verifica, com base no fluxo de potência do alimentador, a tensão primária aplicada em cada transformador para quatro patamares de carga, Madrugada, Manhã, Tarde e Noite. De posse destes valores de tensão é simulada a tensão no secundário do transformador, para cada TAP, comparando com os limites estabelecidos na Resolução 505/01 1. Após a simulação será definido o TAP que apresentar os melhores níveis de tensão secundária, de acordo com o fluxograma da Figura 6. 6/10

Figura 6 Definição de TAP indicado para cada transformador. 5. Metodologia de Análise Seja para incluir um novo regulador de tensão ou para alterar os ajustes de um regulador já existente, a análise desenvolvida e apresentada a seguir parte da configuração atual do alimentador e através de simulações será definida a configuração mais indicada para cada situação, conforme fluxograma da Figura 7. Figura 7 Fluxograma de análise. Para verificação dos resultados obtidos com a aplicação da metodologia foram criados indicadores que apresentam o potencial de reclamações do alimentador tanto em BT como em MT, considerando para BT a tensão primária e a posição do TAP, enquanto que na MT somente a tensão primária. Para avaliação dos níveis de tensão nos alimentadores de distribuição na RGE é utilizado o sistema computacional Interplan para estudos de fluxo de potência, que fornece um relatório contendo os níveis de tensão em cada transformador para os quatro patamares de carga. De posse dos valores de tensão em cada transformador são definidas as zonas de TAP, considerando a configuração atual do alimentador. A fim de avaliar a melhor forma de regularização dos níveis de tensão, são identificados os transformadores com reclamações de níveis de tensão. 7/10

Todos estes dados são agrupados em uma ferramenta computacional destinada ao estudo dos níveis de tensão, na qual será exibido o diagrama unifilar, as reclamações de tensão e as zonas de TAP do alimentador, Figura 8. Reclamação de nível de tensão Regulador 1065.1 Figura 8 Zonas de TAP e localização de reclamações de tensão no alimentador. A partir deste ponto são realizadas as simulações para a definição do melhor ajuste para o regulador de tensão, de acordo com as restrições apresentadas, considerando a corrente de carga e fator de potência de cada patamar de carga para o ponto de instalação de cada regulador de tensão. Definidos os ajustes dos parâmetros dos reguladores é realizado um novo estudo de fluxo de potência a fim de estabelecer as novas zonas de TAP do alimentador, considerando então uma faixa de tensão secundária mais estreita do que àquela definida pela Resolução 505/01 1. Esta faixa, Figura 9, representa a tensão ótima para a rede secundária e tem por objetivo principal garantir o fornecimento de tensão adequada aos consumidores minimizando a variação de tensão que pode ocorrer ao longo do dia e minimizando o potencial de reclamações de geradas devido à tensão primária e TAP inadequado. Figura 9 Faixa de Tensão Secundária (Tensão nominal 220V) Após a realização das simulações, será apresentada a nova configuração do alimentador, Figura 10, contendo as novas zonas de TAP e indicando os novos ajustes dos reguladores de tensão. 8/10

Reclamação de nível de tensão Regulador 1065.1 Figura 10 Nova configuração do alimentador e pontos de avaliação. 6. Resultados Obtidos No alimentador analisado, após a aplicação dos novos ajustes no regulador de tensão, a tensão apresentou-se mais elevada nos horários de carga pesada e permanecendo dentro dos limites adequados. É estimada uma redução de 41,67% no número de transformadores com potencial de reclamações na rede primária e uma redução de 91,55% no número de transformadores com potencial de reclamações de rede secundária, obtida com a adequação das zonas de TAP, conforme Tabela 1. Tabela 1 Indicador Metodologia tradicional Metodologia proposta Ganho Transformadores com 41,92% 24,45% 41,67% Potencial de Reclamações de Tensão MT Transformadores com 36,24% 3,06% 91,55% Potencial de Reclamações de Tensão BT Tensão em Carga Leve 12,84kV 13,17kV 0,33kV Tensão em carga Pesada 12,92kV 13,33kV 0,41kV Os transformadores que apresentavam reclamações de tensão tiveram seus problemas reduzidos, necessitando de intervenção apenas os que apresentaram necessidade de obra na rede secundária. 7. Conclusões A utilização dos recursos disponíveis nos reguladores tradicionais, aliadas a um planejamento integrado de definição de zonas de TAP, define claramente qual será o papel do regulador de tensão e qual o resultado esperado, além de garantir um melhor aproveitamento do ativo proporcionando melhoria na qualidade da energia fornecida, com economia. Desta forma a avaliação do alimentador como um todo permite que sejam estratificadas as causas dos problemas de tensão, identificando e regularizando a parcela de responsabilidade da MT, restando ao analista definir qual será a solução mais indicada para a regularização da parcela da BT. 9/10

A experiência com a utilização do compensador de queda de tensão na linha será de grande valia para a parametrização de reguladores de tensão com ajustes múltiplos, permitindo uma correta avaliação da necessidade de implantação de um regulador mais sofisticado ou de um tradicional. A definição de TAP s de transformadores está sendo utilizada pela RGE tanto para os alimentadores com reguladores de tensão como para os demais e tem apresentado resultados bastante satisfatórios. A metodologia apresentada permite a otimização dos níveis de tensão dentro da área de atuação do regulador, proporcionando condições para o desenvolvimento econômico das localidades atendidas, juntamente com a redução do número de reclamações de tensão e fornecimento de energia dentro dos limites adequados. Os resultados obtidos a partir da aplicação da metodologia proposta nos alimentadores piloto são considerados satisfatórios e o comportamento dos reguladores de tensão apresentou-se de acordo com o esperado. É possível identificar também o potencial de reclamações de tensão tanto na rede primária como na rede secundária, o que permite agir preventivamente na regularização dos níveis de tensão, bem como avaliar o quanto as ações propostas serão eficazes. 7. Referências bibliográficas e/ou bibliografia 1 ANEEL, Resolução 505/01 Conformidade dos Níveis de Tensão em Regime Permanente, 26 De Outubro de 2001. 2 CARNEIRO, J. R. V., "Gestão de Reclamações de Nível de Tensão em Regime Permanente", XVII SENDI, Belo Horizonte, MG, Agosto de 2006. 3 SOARES, R. G. & SOARES, S. S., "Aplicativo Para Gestão das Medições de Nível de Tensão de Fornecimento de Elétrica, Amostrais e/ou Solicitadas Estabelecidas pela Resolução ANEEL 505 de 26 de Novembro de 2001", XVII SENDI, Belo Horizonte, MG, Agosto de 2006. 4 CARRARO, E. & MARQUES R. F. & BENEDIK C. R. & ALVES M. E. G., "Experiência com Relé Regulador de Tensão com Ajustes Múltiplos Programáveis", XVII SENDI, Belo Horizonte, MG, Agosto de 2006. 5 BARAN, M. E. & HSU, M. Y., "Volt/Var Control at Distribution Substations", IEEE Transactions on Power Systems, Vol 14, No. 1, Fevereiro de 1999. 6 GUIMARÃES, R. O. & OLIVEIRA, C. C. & MÉFFE, A. & ALVES, M. A. D., "Avaliação dos Riscos de Violações de Conformidade de Tensão em Sistemas de Distribuição, Utilizando Métodos Probabilísticos e Técnicas de Inteligência Artificial", XVII CBQEE, Rio de Janeiro, RJ, Agosto de 2007. 7 TOSHIBA, "O que Interessa Saber Sobre os Reguladores de Tensão Monofásicos de 32 Degraus", [S.L.], [S.D]. 8 TOSHIBA, "Instruções Para Operação dos Relés Reguladores TB-R800A", 2002. 9 COOPER POWER SYSTEMS, "Voltage Regulating Aparatus Determination of Regulatos Compensator Settings", USA, October 2003. 10 COOPER POWER SYSTEMS, "How Step-Voltage Regulator Operate", USA, February 1993. 11 ITB, "Regulador de Tensão Monofásico Manual de Instruções MI-001", Agosto 2006. 12 SIEMENS, "Painel de Controle do Regulador de Tensão MJ-X L ", Maio 2003. 13 KERSTING, W. H., "Distribution System Modeling and Analysis", CRC PRESS, 2002. 10/10