Preparação de um Artigo no Formato Duas

Desenvolvimento de Software para Gerenciamento
e Análise dos Distúrbios da Qualidade da Energia
Elétrica em Redes de Distribuição
Job de Figueiredo S. Alves; Thais M. Abadio; Felipe T. Vicente; José Rubens M. Jr.; Carlos Eduardo Tavares;
Isaque N. Gondim; Arnaldo José F. Rosentino Jr; João Areis F. Barbosa. Jr.
Resumo  Este artigo apresenta os principais resultados de um
projeto de pesquisa e desenvolvimento voltado para a análise dos
impactos dos distúrbios da qualidade da energia elétrica (QEE)
em redes de distribuição, no qual foram desenvolvidos dois
sistemas computacionais específicos. O Sistema de Gestão de
Medições de Parâmetros da Qualidade da Energia Elétrica –
SigQEE, teve como objetivo a gestão dos resultados das medições
de parâmetros da QEE, realizadas em mais de 2000 pontos
distintos em cinco distribuidoras do Grupo Energisa. O Power
Quality Analyzer - PQA, ambiente de simulação computacional,
permite avaliar os impactos dos distúrbios da QEE causados por
cargas perturbadoras, assim como realizar estudos associados
com a propagação dos fenômenos associados à QEE nas redes de
distribuição.
Palavras-chaves  PRODIST, Campanha de Medição,
Simulador Computacional, Qualidade da Energia Elétrica.
I. INTRODUÇÃO
A preocupação com a qualidade do fornecimento da energia
elétrica é uma questão que vem se destacando cada vez mais
nos últimos anos, sobretudo devido à combinação de fatores,
tais como: maior esclarecimento por parte dos consumidores,
a grande dependência de equipamentos eletroeletrônicos nas
residências, comércios e indústrias e o aumento da
sensibilidade desses mesmos componentes frente aos desvios
da tensão de alimentação em relação ao padrão esperado como
ideal [1]. Tais desvios, dependendo de sua severidade, podem
acarretar sérios danos aos dispositivos, provocando desde a
queima de eletrodomésticos até reflexos econômicos devido a
paradas das linhas de produção industrial. Esse fato tem
motivado uma grande discussão envolvendo pesquisadores,
engenheiros e agentes reguladores, quanto ao estabelecimento
de limites e indicadores para os diversos fenômenos
associados a qualidade da energia elétrica, a exemplo do
módulo 8 do PRODIST da ANEEL [2].
A inserção cargas potencialmente perturbadoras, sem prévia
consulta das concessionárias, podem comprometer a qualidade
da energia elétrica na rede de distribuição, causando impactos
como o mau funcionamento de máquinas e equipamentos,
aumento das perdas elétricas, etc. A ausência de informações
sobre estas cargas, bem como de programas computacionais
para simulação dos impactos da conexão das mesmas nos
sistemas de distribuição, dificultam o desenvolvimento de
ações mitigadoras prévias por parte das distribuidoras de
energia elétrica.
Buscando-se um equacionamento para tais questões, a seção
8.3 do PRODIST, a qual trata das Disposições Transitórias,
propõe: a implantação dos indicadores de qualidade do
produto para os fenômenos harmônicos, desequilíbrio de
tensão, flutuação de tensão e variação de tensão de curta
duração; o estabelecimento dos valores limites para os
parâmetros definidos; a realização de campanhas de medições
dos indicadores de qualidade definidos, e por fim, a definição
de ferramentas ou programas computacionais para simulações
e cálculos, a serem avaliados pela ANEEL [2].
Diante do exposto, surge o presente trabalho, o qual objetiva
oferecer um instrumento balizador para tomada de decisão das
concessionárias quando da conexão de cargas potencialmente
perturbadoras aos seus sistemas. Esta ferramenta contribuirá
para as futuras decisões de aprimoramento regulatório a serem
tomadas pela ANEEL. Para tanto, foi realizada uma campanha
de medição em pontos estratégicos de toda a rede de
distribuição das áreas de concessão de cinco diferentes
distribuidoras do Grupo Energisa, quais sejam: Energisa
Paraíba, Energisa Sergipe, Energisa Borborema, Energisa
Minas Gerais e Energisa Nova Friburgo. Esta campanha de
medição fornece informações detalhadas sobre as atuais
condições da qualidade da energia elétrica nos sistemas de
distribuição do grupo Energisa, frente aos indicadores já
estabelecidos.
Dada a quantidade massiva de registros de medições
oriundos desta campanha, foi identificada a necessidade de
desenvolvimento de um programa para gestão e análise destas
informações. Nesse sentido, foi então desenvolvido o Sistema
de Gestão das Medições dos Parâmetros da Qualidade da
Energia Elétrica - SigQEE. Este programa permite a
visualização gráfica de todas as grandezas de um determinado
ponto medido, assim como a emissão de relatórios.
Adicionalmente, foi desenvolvido um segundo aplicativo
computacional, baseado em técnicas de modelagem no
domínio do tempo, denominado Power Quality Analyzer
(PQA). Este programa é capaz de simular, através de modelos
elétricos equivalentes de cargas perturbadoras, os possíveis
impactos da conexão destas cargas na rede elétrica da
concessionária, permitindo analisar, de forma preventiva, a
necessidade de exigência de ações mitigadoras. A
aplicabilidade do PQA para análises relativas à conexão de
cargas perturbadoras nas redes de distribuição em baixa tensão
e em média tensão são indicados na Fig. 1 e Fig. 2,
respectivamente.
dos alimentadores de distribuição em 3 (três) regiões distintas,
as quais foram identificadas pelo comprimento do tronco do
circuito primário, conforme indicado na Fig. 3. A primeira
região elétrica, correspondeu ao trecho localizado entre 0 e
30% do comprimento L do alimentador. Já a segunda região,
foi delimitada entre 30 e 70% do mesmo comprimento,
enquanto a terceira região abrangeu a parte final do
alimentador, ou seja, entre 70 e 100% de seu comprimento.
Fig. 1. Aplicabilidade do PQA em redes de distribuição em baixa tensão.
Fig. 3. Regiões de abrangência das medições por alimentador de distribuição.
Além disso, as medições foram classificadas de acordo
com o local da medição a ser realizada. Definindo-se quatro
pontos estratégicos:
Fig. 2. Aplicabilidade do PQA em redes de distribuição em média tensão.
II. CAMPANHA DE MEDIÇÃO E BANCO DE DADOS PARA
GERENCIAMENTO DAS INFORMAÇÕES
A campanha de medição realizada no sistema de
distribuição do grupo Energisa possibilita o conhecimento das
reais condições de operação das redes elétricas da
concessionária, tanto no que se refere ao perfil de consumo de
seus clientes, quanto aos indicadores da qualidade do produto.
O conhecimento destas informações é extremamente
importante para a política de planejamento da empresa, no que
se refere a realização de obras de manutenção, expansão de
rede, remanejamento de cargas e, principalmente, no
atendimento aos padrões recomendados pelo Poder
Concedente. Dentre os vários fatores envolvidos que
nortearam o planejamento de uma campanha de medição sobre
QEE, pode-se destacar:
 Quantidade e diversidade de consumidores;
 Tipo e quantidade de medidores a serem utilizados;
 Quantidade de equipes para a instalação dos medidores;
 Duração de cada medição e da campanha de medições.
Buscando viabilizar a realização da campanha de medição,
de forma que a mesma contemplasse a maior diversidade de
consumidores e regiões elétricas possíveis, o critério adotado
para a alocação dos medidores tomou por base a segmentação
 Tipo 1: secundário dos transformadores de distribuição
(TRD);
 Tipo 2: ponto de derivação (poste) do ramal de ligação
de consumidores de baixa tensão (CLB);
 Tipo 3: consumidores de média tensão (A4 e A3a)
(CLM);
 Tipo 4: secundário dos transformadores de força das
subestações.
Os quatro tipos de medições consideradas na campanha são
mostrados na Fig. 4.
Fig. 4. Tipos de medições consideradas.
Uma vez identificada a diversidade de consumidores e
regiões elétricas, bem como os tipos de medições a serem
realizadas, determinou-se a quantidade necessária e os tipos de
medidores a serem utilizados durante a campanha, conforme a
seguir:
 40 medidores de tensão e parâmetros de qualidade da
energia elétrica tipo IP65. Definiu-se tais medidores
como sendo medidor do tipo A, conforme indicado na
Fig. 5 (a);
 17 medidores de tensão, corrente e parâmetros de
qualidade da energia elétrica tipo IP65. Definiu-se tais
medidores como sendo medidor do tipo B, conforme
mostra a Fig. 5 (b);
 3 medidores de tensão, corrente e parâmetros de
qualidade da energia elétrica para uso abrigado
(medidor tipo C). Definiu-se tais medidores como
sendo medidor do tipo C, conforme apresenta a Fig. 5
(c).
(a)
Medidor tipo A:
Medidor de tensão
(IP65)
(b)
Medidor tipo B:
Medidor de tensão e
corrente (IP65)
 Falhas de procedimento das equipes terceirizadas,
responsáveis pela instalação dos medidores, apesar do
intensivo treinamento realizado. Por exemplo, pode-se
citar a conexão ruim de garras de tensão em cabos
piloto (destinados à iluminação pública) dos circuitos
de BT, resultando registros conforme mostrado na Fig.
7;
 Problemas de hardware, levando à necessidade de
recall em alguns medidores;
 Falhas nos conectores de tensão devido aos efeitos de
oxidação das garras, conforme apresenta a Fig. 8.
(c)
Medidor tipo C: Medidor
de tensão e corrente (uso
abrigado)
Fig. 5. Medidores utilizados na campanha de medição nas redes de
distribuição do grupo Energisa
Os equipamentos utilizados durante a campanha de
medição permitem o registro das seguintes grandezas:










Tensão eficaz;
Corrente eficaz (apenas medidores do tipo B e C);
Variações de tensão de curta duração (EMT e AMT);
Registro dos perfis RMS de tensão associados a
eventos;
Desequilíbrio de tensão;
Flutuação de tensão (Pst e Plt);
Distorções harmônicas totais e individuais até a 50ª
ordem;
Potência aparente, ativa e reativa (apenas medidores
do tipo B e C);
Fator de potência (apenas medidores do tipo B e C);
Frequência.
Outro fator essencial para realização da campanha de
medição consistiu no treinamento das equipes de campo para
a correta parametrização, instalação e retirada dos medidores,
e exportação dos dados obtidos. A Fig. 6 mostra medidores
instalados pela equipe de campo no centro de treinamento da
empresa.
Fig. 6. Medidores instalados no centro de treinamento da empresa.
Durante a campanha de medição, foram constatadas
algumas falhas, conforme destacadas a seguir:
Fig. 7. Falha de procedimento com instalação da garra de tensão da
fase A no cabo piloto de iluminação pública.
Fig. 8. Oxidação das garras de tensão dos medidores.
Estas falhas resultaram em constantes perdas de registros e
consequentes retrabalhos, onerando substancialmente os
custos e os prazos de instalação dos medidores. Dessa forma,
para campanhas de medições subsequentes é essencial o uso
de outros medidores a fim de detectar se os problemas estão
vinculados mais a falhas do próprio medidor, ou a falhas de
procedimento.
Após a realização da campanha de medição nas redes de
distribuição do Grupo Energisa, a próxima etapa consistiu no
armazenamento, análise e processamento do grande volume de
dados adquiridos. Para tanto, foi desenvolvido um Sistema de
Gestão de Medições de Parâmetros da Qualidade da Energia
Elétrica (SigQEE).
O aplicativo SigQEE, além de unir todas as informações
das medições, possui diversas ferramentas e funcionalidades
de gerenciamento, as quais permitem:
 Visualização gráfica das informações;
 Exportação dos gráficos e dos dados das medições;
 Comparação de resultados de diferentes consumidores;
 Agrupamento dos dados por tipo de medição;
 Agrupamento das informações por unidade
consumidora;
 Agrupamento das informações por tipo de grandeza;
 Relatório gerencial;
 Relatório de medição de cada unidade consumidora;
 Tabela de eventos por instalações;
 Parametrização dos limites dos indicadores de
qualidade.
A título de ilustração, a Fig. 9 mostra a tensão eficaz de um
consumidor no SigQEE. Já a Fig. 10 apresenta um relatório de
medição de uma unidade consumidora, sintetizando os
principais indicadores de qualidade da energia elétrica.
simulações no domínio do tempo visando facilitar a avaliação
técnica dos impactos da inserção e retirada de cargas
perturbadoras da rede elétrica, assim como os impactos da
propagação de distúrbios elétricos nas redes de distribuição da
concessionária.
A Fig. 11 apresenta a interface gráfica do programa PQA,
desenvolvida em linguagem C#, a qual é composta por uma
área para edição e montagem do circuito elétrico da rede de
distribuição. Nesta área específica do programa, todos os
comandos e campos são dispostos de forma direta e prática,
onde o usuário visualiza facilmente os instrumentos ou opções
de trabalho.
Barra de Ferramentas
Barra de Componentes do Sistema
Area de Desenho
Fig. 7. Representação da tensão eficaz de uma instalação no programa
SigQEE.
Fig. 11. Interface gráfica do PQA
No módulo de configuração do sistema são
disponibilizados componentes como: fonte de tensão,
transformadores, banco de capacitores, dispositivos de
manobra e proteção (disjuntor, chave-fusível e para-raios),
cargas P e Q, cabos elétricos, distúrbios da QEE, analisador da
qualidade da energia elétrica e o próprio consumidor. Já o
módulo de edição permite a caracterização dos principais
parâmetros dos dispositivos e fenômenos elétricos
constituintes do sistema elétrico.
Para que a montagem do sistema se torne prática, apenas
os dados essenciais de cada componente são solicitados, ou
seja, algumas propriedades, são calculadas internamente
através de equações clássicas. Por exemplo, pode-se citar o
caso das características não lineares de transformadores e pararaios. Outra opção, que torna o programa ainda mais prático,
consiste na disponibilização de um banco de dados prédefinido para alguns componentes.
As cargas lineares e não lineares existentes nas redes de
distribuição foram modeladas no domínio do tempo, e
inseridas no PQA, com o objetivo de analisar seu impacto na
rede elétrica de uma forma mais próxima da realidade. Dentre
estas pode-se destacar: sistema fotovoltaico, máquina de solda,
motor trifásico, carga hospitalar, sistema eólico. Algumas das
cargas modeladas e implementadas são indicadas pela Fig. 12.
Fig. 8. Relatório de medição de uma unidade consumidora no programa
SigQEE.
IV. PROGRAMA POWER QUALITY ANALYZER - PQA
O aplicativo computacional denominado PQA (Power
Quality Analyzer) foi implementado de forma a proporcionar
Sistema
Fotovoltaico
Maquina de
Solda
Motor
Trifásico
Carga
Hospitalar
Fig. 12. Cargas lineares e não lineares modeladas no programa PQA
Além de possibilitar a análise do impacto de qualidade de
energia elétrica causado por cargas potencialmente
perturbadora, o PQA proporciona a avaliação dos impactos
causados pela propagação de distúrbios da qualidade da
energia elétrica ao longo da rede de distribuição. Este estudo
permite para a concessionária uma melhor análise de seus
planos de expansão e melhorias de rede, e estabelecer as
possíveis causas de perturbações no sistema de distribuição. A
Fig. 13 mostra a tela, destacando as fontes de distúrbios de
qualidade da energia elétrica implementadas no PQA, tais
como: variações de tensão de curta duração (VTCD),
flutuações de tensão, distorções harmônicas, desequilíbrios.
Observa-se que o programa permite ainda, a inserção de
medições das tensões reais verificadas nos barramentos do
sistema.
É importante salientar que tanto as modelagens das cargas
lineares e não lineares, bem como os tipos de distúrbios
implementados no PQA foram validados, comparando-se com
resultados obtidos no programa ATP/EMTP.
138 kV
Trafo SE
13,8 kV
40 MVA
X: 20,6 % R: 3,2%
Scc
3700 MVA
∆
Y
13,8 kV Trafo DT
Cabo de Aluminio
201 mm² – 0,9 Km
112,5 kVA
X: 3,2 % R: 1,4%
∆
220 V
220 V
Medidor
220 V
Cabo de Aluminio
53 mm² – 0,1 Km
Y
Fig. 14. Rede de distribuição empregada para os estudos computacionais.
Conforme pode ser observado na Fig. 14, no aplicativo PQA
foi desenvolvido um medidor, o qual propicia diversas
análises, tais como: desequilíbrios de tensão, distorção
harmônica total e individual de tensão e corrente, potência
aparente, ativa e reativa, fator de potência, variação de tensão
de curta duração (VTCD), flutuações de tensão, DRP e DRC.
Assim, através desse medidor computacional, é possível
monitorar e avaliar impactos de novas cargas perturbadoras a
serem conectadas na rede elétrica sob análise. Nesse sentido,
após a simulação do caso em pauta, a Fig. 15 (a) e (b) mostram,
respectivamente, as formas de onda da tensão e da corrente no
ponto de conexão. A Fig. 16 mostra a potência aparente da
carga em estudo.
Fig. 13. Fonte de distúrbios da qualidade da energia elétrica – PQA
Em fase de desenvolvimento, encontra-se uma ferramenta
para extração de dados da rede elétrica representada no
cadastro georeferenciado da distribuidora. Este aplicativo
permitirá a importação de circuitos secundários, alimentadores
e subsistemas elétricos de forma direta, e consequentemente
otimizará tempo para a construção do diagrama elétrico no
programa.
(a)
V. ESTUDO DE CASO UTILIZANDO O PROGRAMA PQA
Para fins de ilustração da potencialidade e do processo de
aplicação da metodologia e do programa PQA, a Fig. 14
mostra a modelagem de uma rede de distribuição,
contemplando a conexão de uma carga hospitalar em um
circuito secundário de baixa tensão. Este caso corresponde a
um estudo hipotético da conexão de um aparelho de
ressonância magnética, onde será analisado seu impacto na
rede elétrica.
(b)
Fig.15. Formas de onda da tensão e corrente na entrada do Aparelho de
Ressonância Magnética.
Fig.16. Potência Aparente do Aparelho de Ressonância Magnética.
A tensão eficaz é apresentada juntamente com as faixas
definidas no Módulo 8 do PRODIST, conforme indicado pela
Fig. 17. Observa-se que após a inserção do equipamento de
ressonância, a tensão eficaz permaneceu na faixa adequada
durante todo o tempo.
Fig.17. Tensão RMS na entrada do Aparelho de Ressonância Magnética.
No que tange ao desequilíbrio de tensão, para o nível de
tensão de 220V, recomenda-se um valor até 2%. A Fig. 18
destaca que após a inserção da carga, verificou-se um
desequilíbrio de aproximadamente 0,5%, portanto, dentro do
limite adequado.
Fig.18. Desequilíbrio de tensão na entrada do Aparelho de Ressonância
Magnética.
Por fim, os resultados para as distorções harmônicas de
tensão e corrente para o caso apresentado encontram-se na Fig.
19 (a) e (b), respectivamente. Observa-se que os limites de
distorção total e individual de tensão (barras amarelas) não
foram superados em qualquer uma das fases. Por exemplo,
tomando-se a distorção total de tensão, o maior valor foi de
aproximadamente 1,25% na fase B. Para baixa tensão,
recomenda-se um valor até 10%. No que tange, distorção
harmônica corrente, não há limites recomendados pelo
PRODIST. Para a fase A, por exemplo, a distorção harmônica
total de corrente foi em torno de 40%.
(a)
(b)
Fig.19. Distorção Harmônica de Tensão e de Corrente na entrada do
Aparelho de Ressonância Magnética.
VI. CONCLUSÕES
Uma estratégia de campanha de medição e um aplicativo
(SigQEE) para gerenciamento dos dados obtidos foram
apresentados neste trabalho. O aplicativo foi empregado para
avaliar o desempenho da rede elétrica em relação as normas e
recomendações vigentes no Brasil. Uma segunda etapa do
projeto consistiu em desenvolvimentos e modelagens
computacionais representativas dos equipamentos encontrados
nas redes de distribuição de energia, resultando em programa
de análise da qualidade da energia elétrica, denominado PQA.
A análise da consistência dos desempenhos obtidos pelo
aplicativo PQA ofereceram resultados iniciais bastante
consistentes com a proposição inicial do projeto. Vários
outros testes avaliativos, empregando distintos arranjos de
distribuição, equipamentos e distúrbios, foram realizados. Não
obstante o fato de que os autores reconheçam o bom
desempenho obtido pelos aplicativos desenvolvidos,
reconhece-se a necessidade de investigações complementares
para a consolidação do processo e melhorias das ferramentas
disponíveis a exemplo da possibilidade de importação dos
parâmetros de uma rede elétrica real através do sistema
georeferenciado das distribuidoras. A realização das
campanhas de medição, até o momento, além de ter apontado
o nível de complexidade envolvido nesse tipo de proposta de
trabalho de campo, tem permitido a realização de análises para
avaliação de desempenho através do programa PQA.
VII. REFERÊNCIAS
[1] WANG, Y. J. Analysis of Effects of Three-Phase Voltage Unbalance on
Induction Motors with Emphasis on the Angle of the Complex Voltage
Unbalanced Factor. IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 16, no. 3,
2001, p. 270- 275.
[2] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica – PRODIST,
Módulo 8 Revisão 4, 2011, p 1-76.
[3] NRS 048 - Part 2: Voltage characteristics, compatibility levels, limits and
assessment methods, 2003, P 1-31.
[4] MACEDO Jr, José Rubens; Gondim, I. N; Barbosa Jr, João A. F; Arnaldo
J. P. Rosentino Jr; Tavares, C. E. Practical Aspects of Performance Tests
on Power Quality Analyzers. Renewable Energy & Power Quality Journal
(RE&PQJ), v. 10, p. 705-705, 2012.