Um Simulador Trifásico para Avaliação Off-line da Atuação

XIX Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica
SENDI 2010 – 22 a 26 de novembro
São Paulo - SP - Brasil
Um Simulador Trifásico para Avaliação Off-line da Atuação de Bancos de
Reguladores de Tensão em Alimentadores de Distribuição
José Alberto
Nicolau de Oliveira
Jânio Mendonça
Júnior
UFRN
PPgEEC-UFRN
Manoel Firmino de
Medeiros Júnior
UFRN
André Luiz Abreu de
Araújo
COSERN
Autor 1 –
Autor 2 –
Autor 3 –
Autor 4 –
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[email protected]
Palavras-chave
Reguladores de tensão
Parâmetros de sensibilidade
Circuitos embarcados
Simulador
Resumo
Compensadores de Queda de Linha têm se demonstrado, na prática, ineficazes para efetuar a regulação
remota. Em substituição a esses dispositivos, desenvolveu-se recentemente uma solução baseada em
circuito embarcado, que usa, como informação de controle, parâmetros de sensibilidade calculados offline. Tendo em vista que esses parâmetros definem uma linearização da relação entre as grandezas
envolvidas na regulação, sua atualização precisa ser realizada periodicamente, sempre que houver
mudança na configuração da rede ou nos valores das cargas. A fim de se assegurar que a ação do
regulador em campo está ocorrendo conforme se planejou, mesmo quando há pequenas alterações nas
condições que definiram os parâmetros de sensibilidade, desenvolveu-se o simulador que é
apresentado neste trabalho. O simulador foi desenvolvido no ambiente MATLAB® Simulink
usando blocos funcionais do DSP Builder da Altera®.Os testes apresentados com uma rede real
demonstram a validade do processo de simulação.
1. Introdução
A crescente solicitação de qualidade nos serviços de fornecimento de energia elétrica impõe
às companhias concessionárias investimentos em projetos de desenvolvimento que possam vir
garantir essa qualidade. Um dos principais índices de avaliação dessa qualidade é o nível de
tensão de fornecimento no ponto de entrega de cada consumidor.
A fim de assegurar a qualidade de tensão desejada, as companhias de distribuição de energia
elétrica costumam adotar soluções baseadas em equipamentos reguladores de tensão ou
bancos de capacitores ao longo da rede de distribuição. Em Medeiros2, mostra-se que, devido
a longos períodos de vida útil, o regulador de tensão apresenta-se, economicamente, como a
melhor alternativa. No entanto, a localização desses equipamentos1 é fortemente dependente
da topologia da rede e tem sido orientada por exaustivas análises de fluxo de carga realizadas
pelos engenheiros de planejamento, considerando regras cotidianas previsíveis e mudanças
sazonais de carregamento. Para facilitar a tarefa de localização, desenvolveu-se1 um método
de otimização, baseado em parâmetros de sensibilidade que, por sua vez, foram ainda úteis
para implementar a regulação remota e fundamentar um simulador do comportamento do
regulador, de maneira que o Engenheiro de planejamento possa acompanhar o que ocorre em
campo.
O simulador desenvolvido se baseou em estudos realizados em sistemas típicos de
distribuição de energia elétrica. Após várias análises de fluxo de carga, realizadas em
alimentadores reais, constatou-se que uma variação na tensão de saída de um regulador se
reflete, linearmente, para todos os nós localizados a sua jusante, para condições fixas de carga
e que, para uma condição fixa de tap do regulador, as tensões nos nós a sua jusante, também
variam linearmente, para excursões de carregamento no intervalo usual da curva de carga
diária. Tais observações4 levaram à conclusão de que é possível controlar, em tempo real, a
tensão de regulação, em qualquer ponto desejado, a partir do embarque dos coeficientes das
funções que definem, para cada nó, essas linearizações3-6. A função que define, para cada nó,
a jusante do regulador, uma variação de tensão no ponto de regulação será dada por (1).
V j 
V j
Vi
Vi 
V j
f cj
f cj
(1)
As variáveis da equação (1) são:
- Tensão regulada no nó j.
Vi - Tensão de saída do regulador.
f cj - Fator de carregamento do nó j.
Vj
Monitorando-se a tensão de saída do regulador através da medição da tensão fornecida por um
TP, será possível obter o valor da tensão de saída ( Vi med ) e estimar a tensão no ponto de
regulação ( V j est ) de acordo com (2).
V j est  V j ant 
V j
Vi
V
i
med
 Vi ant

(2)
As variáveis da equação (2) são:
V j ant - Tensão de regulação no nó j anterior à variação.
Vi ant - Tensão na saída do regulador anterior à variação.
Vi med - Tensão na saída do regulador após a variação.
Com base nesses estudos, desenvolveu-se um sistema para simular o comportamento de
reguladores monofásicos de tensão7. Posteriormente um novo simulador foi desenvolvido
para avaliar o comportamento de bancos reguladores trifásicos. O uso desses simuladores é de
grande importância para se aferir o comportamento de sistemas reguladores de tensão nos
sistemas de distribuição. A partir do uso desses simuladores será possível caracterizar, para
um alimentador de distribuição, parâmetros e restrições de regulação, estimar os ajustes
necessários de tensão bem como de simular variações de carga e de tensão.
O algoritmo desenvolvido para o simulador trifásico encontra aplicação para sistemas de
distribuição trifásicos reais, desequilibrados, que utilizem bancos trifásicos de reguladores,
construídos com reguladores monofásicos, em configuração Estrela Aterrada, em Delta
Fechado ou em Delta Aberto, estes dois últimos, usados com freqüência pelas companhias de
distribuição de energia elétrica.
2. Desenvolvimento
O simulador trifásico segue o mesmo princípio adotado para o simulador monofásico: foi
desenvolvido no ambiente MATLAB® Simulink usando blocos funcionais do DSP Builder da
Altera®. O simulador trifásico é mostrado no diagrama de blocos da Figura 1.
No diagrama, as unidades ROMp1, ROMp2, ROMp3, e ROMc1, ROMc2, ROMc3 são
unidades de memória que permitem o pré-armazenamento do perfil de tensão e dos
coeficientes de tensão, respectivamente, para todos os nós de um alimentador. Por exemplo,
ROMp1 e ROMc1 armazenam, respectivamente, o perfil de tensão e os coeficientes de tensão
para a mesma tensão de linha do alimentador (VAB ou VBC ou VCA). A unidade Sampler
permite simular o comportamento do circuito com base num sinal efetivamente medido,
obtido a partir do bloco ADC ou dos valores correntes de saída dos reguladores, obtidos da
unidade de controle de tap (TCU).
Todo controle e temporização do circuito é feito pela Máquina de Estado (bloco MdE),
permitindo inclusive que, ao chegar um sinal InLoad, um novo perfil de tensão ou novos
coeficientes de tensão sejam recarregados numa simulação.
Figura 1
ROMp1
VAU (Voltage
Adjustment
Unit)
ROMc1
V1
ROMp2
VAU (Voltage
ROMc2
V2
Adjustment
Unit)
ROMp3
VAU (Voltage
ROMc3
V3
Adjustment
Unit)
InLoad
Reset
MdE
V1
Plot
Voltage
Measure
V1
V2
ADC
Sampler
VCAU
(Voltage
Calculation
Unit)
TCU
(Tap
Control
Unit)
V2
V3
V3
As principais unidades do modelo são: as VAU (Unidades de Ajuste de Tensão) e a VCAU
(Unidade de Cálculo das Tensões). As UAT são responsáveis por estimar as tensões de saída
do nó regulador. A TCU é responsável pelas mudanças de tap, pelas atualizações das tensões
de saída do regulador e pelo acompanhamento das medições. A VCAU recebe dados da
Unidade Sampler e é responsável pelo cálculo do perfil de tensão do alimentador após
variações das tensões de saída do regulador. Detalhes da implementação do simulador
trifásico, desenvolvido com blocos funcionais do DSP Builder, podem ser vistas na figura 2
(Blocos MdE, memórias e o subsistema principal do simulador trifásico), Na Figura 3
(Unidade de Ajuste de tensão), na Figura 4 (Unidade de Controle de Tap) e na Figura 5
(Unidade de Cálculo das Tensões). Três componentes da ferramenta DSP Builder são
observadas no topo da Figura 2. O da esquerda é o SignalCompiler Altera Cyclone II, o do
centro é o EP2C35 DSP Development Board e o da direita é o SiganalTap II Analysis.
A utilização de memórias ROM é de grande relevância para a robustez do simulador uma vez
que, por características construtivas, elas podem ler arquivos de textos escritos no formato
Intel HEX. Tal fato possibilitou validar os resultados do simulador usando dados (de
alimentadores reais) fidedignos, de perfil de tensão e de parâmetros de sensibilidade, gerados
pelo programa de análise de fluxo de cargas TOpReDE (Técnicas de Otimização para Redes
de Distribuição de Energia Elétrica)5, atualmente em uso pela Companhia Energética do Rio
Grande do Norte (COSERN). Para viabilizar a transferência desses dados dos alimentadores
no formato HEX, para serem lidos pelas unidades ROM, nova opção, em código C++, foi
incluída no TOpReDE. O uso dessas memórias tornou possível também comparar, por
arquivo e graficamente, os resultados obtidos pelo simulador com os resultados obtidos pelo
programa de análise de fluxo de cargas. Foi possível analisar o comportamento de vários
alimentadores trocando-se simplesmente os arquivos de dados (com os perfis de tensão e com
os parâmetros de sensibilidade relativos a cada nó do alimentador em análise) a serem lidos
pelas memórias ROM.
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
O método utilizado para análise gráfica foi a comparação entre as tensões calculadas no
simulador e no programa de análise de fluxo de cargas para todos os nós do alimentador, a
jusante do regulador, após uma variação de tensão na saída do regulador de tensão.
Os dados de entrada usados neste artigo são de um alimentados com 23 nós, com o regulador
de tensão situado no nó 7, regulando o nó 16 em 0.90 p.u na fase A, 0.92 p.u na fase B
(2,2222% a mais que na fase C) e 0.94 p.u na fase C (4,4444% a mais que na fase A). O valor
de tensão de saída do regulador, informado ao TOpReDE, foi o valor de 0.9687 p.u alcançado
pelo regulador colocado na fase A. Este valor serviu como referencia para o TOpReDE na
regulação de tensão nas três fases. Vale ressaltar que o TOpReDE usa a mesma tensão de
regulação, sempre a de pior caso, para as três fases.
Pelo gráfico mostrado para a fase A (Figura 6 - Comparativo de tensões geradas na fase A
pelo TOpReDE e pelo Simulador), existe total semelhança entre os resultados gerados pelo
TOpReDE e pelo simulador trifásico. Comparando os perfis de tensão gerados pelo simulador
e pelo TOpReDE após a regulação de tensão obteve-se um erro máximo de 0,000047%.
No nó 16 obteve-se, pelo Simulador e pelo TOpReDE 0.90 p.u., como era de se esperar,
validando de forma conclusiva o Simulador desenvolvido.
Figura 6
.
3. Conclusões
A utilização do simulador poderá ser de grande utilidade para análises de redes de distribuição
que utilizam bancos reguladores construídos com reguladores monofásicos de tensão, nas
configurações Estrela Aterrada, Delta aberto ou Delta Fechado, uma vez que permite inferir
sobre o comportamento dinâmico do regulador, para pequenas perturbações na carga, em
geral, não previstas pelo planejamento. Para este propósito, uma simples recarga das
características do alimentador, das condições iniciais de operação e das restrições de tensão
no ponto a ser regulado será necessária.
O simulador comportou-se muito bem, gerando resultados bastante satisfatórios com os
diversos alimentadores testados. Como forma de validação dessa ferramenta, adotou-se uma
análise comparativa entre os resultados gerados pelo simulador de bancos trifásicos de
reguladores de tensão e um programa de análise de fluxo de cargas, como o TOpReDE, em
uso na COSERN para dar suporte ao cálculo de redes para planejamento do sistema de
distribuição.
Com base nas análises gráficas feitas para as três fases, conclui-se que os resultados gerados
pelo simulador são muito semelhantes aos resultados gerados pelo TOpReDE, o que o valida
como ferramenta de auxilio ao planejamento de redes de distribuição de energia elétrica.
4. Referências bibliográficas
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In Electric Energy Distribution Systems. In IP-SOC 2005, Grenoble, France. 2005.
4. M. C. P. Filho. “Uso de Técnicas de Otimização Baseadas em Derivadas como Suporte do Planejamento Operacional
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2005.
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6. J. A. N. de Oliveira, M. F. de Medeiros Jr, M. C. P. Filho and I. S. Silva, Embedded Platform And Ip Core for
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7. M. F. de Medeiros Jr, I. S. Silva, M. C. P. Filho, M. A. de Almeida, J. A. N. de Oliveira, J. Mendonça Jr. A system to
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Venezuela. 2006.