COMPARAÇÃO ENTRE ESTIMATIVAS DE TENSÕES TRIFÁSICAS REGULADAS PRODUZIDAS POR UM CIRCUITO SIMULADOR E RESULTADOS DE CÁLCULOS EXATOS DE FLUXO DE CARGA Dr. Ing. Manoel Firmino de Medeiros Junior* Dr. José Alberto Nicolau de Oliveira+ Dr. Marcos Antônio Dias de Almeida+ Jânio Mendonça Júnior++ * Depto de Engenharia de Computação e Automação, +Depto de Engenharia Elétrica, ++Prog. de Pós-gradução em Eng. Elétrica Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, RN, Brasil. [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Resumo – Este artigo mostra detalhes da implementação de um circuito simulador do comportamento de bancos reguladores de tensão trifásica, utilizados em redes de distribuição de energia elétrica bem como a sua validação através da utilização de cálculos exatos de fluxo de carga. O uso desse simulador será muito útil para prever o comportamento de bancos reguladores de tensão antes de sua instalação nos sistemas de distribuição. Através desse simulador será possível caracterizar alimentadores, parâmetros de regulação, restrições e limites de regulação, o que viabiliza se estimar os ajustes de regulação bem como simular variações de tensão e de carga. Os resultados do simulador foram validados comparando-os com os resultados obtidos a partir de um programa de análise de fluxo de carga em redes de distribuição, o TOpReDE. Palavras-chave – IP Core, Parâmetros de sensibilidade, Simulação, Sistemas de distribuição, Reguladores de Tensão. Abstract – This paper shows implementation details of a simulator to estimate the behavior of three-phase voltage regulators banks used in distribution system of electric energy, and its validation by using exact load flow calculations. This simulation is very helpful to forecast the behavior of regulators, before installing then in the distribution systems. This way, it is possible to characterize feeders, regulator parameters and regulation restrictions, in order to estimate regulation adjustments and simulate load and voltage variations. The results of the simulator are validated comparing them with the results obtained from a program for load flow analysis in distribution networks, the TOpReDE. Keywords - Distribution System, IP-Core, Sensitivity Parameters, Simulation, Voltage Regulators. I. INTRODUÇÃO A crescente solicitação de qualidade nos serviços de fornecimento de energia elétrica impõe às companhias concessionárias de energia elétrica investimentos em projetos de desenvolvimento que possam vir garantir essa qualidade. Um dos principais índices de avaliação dessa qualidade de energia é o nível de fornecimento de tensão regulada no ponto de entrega de cada consumidor. Como intervenientes principais nesta qualidade destacam-se: a regulação de tensão no ponto de entrega de cada consumidor fora de padrões estabelecidos; os cintilamentos (flickers), causados pelas repetitivas e rápidas mudanças de tensão na rede de distribuição e os desbalanceamentos de cargas, que provocam desequilíbrios nas tensões entre as fases, fazendo com que estas apresentem diferentes módulos e ângulos. Estudos de caso feitos pela GE Corporate Research and Development [5] ilustram o potencial efeito destes aspectos na qualidade de energia com ou sem a influência de pontos de geração distribuída. Padrões internacionais de regulação de tensão exigem que os sistemas de distribuição atendam a seus consumidores com uma tensão dentro de uma faixa prescrita de valores. O padrão ANSI C84.1 [10], especifica duas faixas de valores: uma faixa A, para operações normais, e uma faixa B para circunstâncias de anomalias (com baixa probabilidade de ocorrência). Muitos órgãos reguladores públicos adotam padrões semelhantes e impõem duras sanções às companhias distribuidoras que venham a fornecer tensões fora dessas faixas. Variações normais da tensão de serviço, em carga e em operações de geração distribuída, conforme especifica o padrão ANSI, devem ocorrer entre 114 V e 126 V, em uma base de 120 V (equivalente a 0,95 p.u. e 1,05 p.u.). Isto significa que a tensão primária do alimentador deve ser mantida acima de 95% e abaixo de 105% do valor nominal em condições de carga leve, ou de plena carga. Geralmente, estes limites levam a uma exigência de se manter estes níveis de tensão acima de 98% da tensão nominal. A ANEEL, no artigo 5 da Resolução no 505, de 26 de novembro de 2001, que dispõe sobre a conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente, define que a tensão de atendimento nas unidades consumidoras deve situar-se entre 95% (noventa e cinco por cento) e 105% (cento e cinco por cento) da tensão nominal de operação do sistema no ponto de entrega ou de conexão e, ainda, coincidir com a tensão nominal de um dos terminais de derivação previamente exigido ou recomendado para o transformador da unidade consumidora. A fim de assegurar a qualidade de tensão desejada, as companhias de distribuição de energia elétrica optam por incluir equipamentos reguladores de tensão ou bancos de capacitores ao longo da rede de distribuição. Em Medeiros [4], é mostrado que, para longos períodos de vida útil, o regulador de tensão apresenta-se, economicamente, como a melhor alternativa. No entanto, a localização desses equipamentos e em destaque a dos reguladores de tensão [3], é fortemente dependente da topologia da rede e até agora, tem sido orientada por exaustivas análises de fluxo de carga realizadas pelos engenheiros de planejamento, considerando regras cotidianas previsíveis e mudanças sazonais de carregamento. O simulador desenvolvido se baseou em estudos realizados em sistemas radiais, típicos de distribuição de energia elétrica, para estimar o comportamento de bancos de reguladores de tensão trifásicos, implementados com reguladores de tensão monofásicos. Sua validação foi feita através da utilização de cálculos exatos de fluxo de carga. Os resultados obtidos nestas simulações serão muito úteis para se prever o comportamento de bancos reguladores antes de sua instalação nos sistemas de distribuição. Para se obter resultados os mais próximos possíveis de operação em campo, com este simulador será possível caracterizar alimentadores, parâmetros de regulação, restrições e limites de regulação, bem como visualizar como seriam os ajustes de regulação, ocasionados por variações de tensão e de carga, para reguladores com ajustes baseados em parâmetros de sensibilidade. Os resultados do simulador foram validados comparando-os com os resultados obtidos a partir de um programa de análise de fluxo de carga em redes de distribuição, o TOpReDE, desenvolvido com base no método da soma de potências [1]. II. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 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 observações [9] 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 linearizações [8]-[12]. A função que define, para cada nó, a jusante do regulador, para uma variação de tensão no ponto de regulação será dada por (1). ∂V j ∂V j ΔV j = ΔVi + Δf cj (1) ∂Vi ∂f cj Onde: V j - Tensão regulada no nó j. Vi - Tensão de saída do regulador. f cj - Fator de carregamento do nó j. Monitorando-se a tensão de saída do regulador através da medição da tensão fornecida pelo TP, será possível então 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 med i − Vi ant ) (2) Onde: V j ant - Tensão de regulação no nó j anterior à variação. Vi ant variação. Vi med - Tensão na saída do regulador anterior à - Tensão na saída do regulador após a variação. Fato relevante a se observar é que uma estimativa da tensão em um nó remoto pode ser obtida levando-se em conta apenas o parâmetro de sensibilidade ∂V j ∂Vi , os valores anteriores da tensão nos nós i e j e o novo valor de tensão aplicado no nó i. Com base nesses estudos, desenvolveu-se um sistema para simular o comportamento de reguladores monofásicos de tensão [13]. Posteriormente um novo simulador foi desenvolvido para avaliar o comportamento de bancos reguladores trifásicos [14]. 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 pode ser aplicação para sistemas de distribuição trifásicos reais, desequilibrados, que utilizem bancos reguladores trifásicos, construídos com reguladores monofásicos, em configuração Estrela Aterrada, em Delta Fechado ou em Delta Aberto [6], estes últimos, usados com freqüência pelas companhias de distribuição de energia elétrica. III. DESCRIÇÃO DO SIMULADOR Os simuladores foram desenvolvidos no ambiente MATLAB® Simulink, usando blocos funcionais do DSP Builder da Altera® [7]. O simulador trifásico é mostrado no diagrama de blocos da Fig. 1. No diagrama, as unidades ROMp1, ROMp2, ROMp3, e ROMc1, ROMc2, ROMc3 são unidade 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, na ausência de pontos de medição reais, 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. ROMp1 VAU (Voltage Adjustment Unit) ROMc1 V1 ROMp2 VAU (Voltage ROMc2 V2 Adjustment Unit) ROMp3 VAU (Voltage ROMc3 V3 possível 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. Nas análises feitas no simulador, para que os resultados gráficos fossem visualizados com maior clareza, os dados do alimentados, seu perfil de tensão e os parâmetros de sensibilidade, fornecidos ao simulador, gerados por análise de fluxo de carga, limitaram-se aos 23 primeiros nós. Adjustment Unit) InLoad Reset MdE V1 Plot Voltage Measure V1 V2 ADC Sampler VCAU (Voltage Calculation Unit) TCU (Tap Control Unit) V2 V3 V3 Fig 1. Diagrama de blocos do simulador trifásico desenvolvido. As principais unidades do modelo são: as VAU (Unidades de Ajustes de Tensões) 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 das unidades constituintes do simulador trifásico, desenvolvidas com blocos funcionais do DSP Builder da Altera® podem ser vistas em [14]. Em relação ao simulador apresentado em [14], uma importante alteração foi feita: a substituição das look-up tables por memórias ROM. Esta alteração pode ser observada na pequena parte da implementação do simulador mostrada na Fig. 2. 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), apresentado em [11] e, 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, uma nova opção, em código C++, foi incluída no TOpReDE. Foi o uso dessas memórias que tornou Fig 2. Detalhe de implementação do simulador trifásico com blocos funcionais do DSP Builder. IV. SIMULAÇÕES E ANÁLISES 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, mostrados na Tabela 1, usados neste artigo são do alimentador mostrado na Fig. 3, 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). Embora pareça estranho, o intuito de fixar valores diferentes da tensão de regulação para as três fases serviu de constatação de que será possível controlar tensões através do banco regulador, mesmo em um sistema com desequilíbrio de cargas. O valor de tensão de saída dos reguladores, informados ao TOpReDE, foi o valor de 0.9687 p.u alcançado, no simulador, 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 para os três reguladores constituintes do banco, característica própria de um sistema trifásico equilibrado. 2500 2400 39 24 28 29 30 31 3 4 5 36 26 2410 2 37 25 27 1 38 6 7 8 9 10 32 33 34 35 49 50 4900 48 56 40 11 53 B. Resultados e análises (Fase B) Analisando o gráfico da Fig. 5 é notada uma diferença máxima de 1.8750% entre os valores de tensão nos nós calculados pelo programa TOpReDE e pelo simulador de bancos trifásicos reguladores de tensão. Constata-se agora que o erro absoluto máximo entre o perfil de tensão gerado pelo TOpReDE e o gerado pelo Simulador, é de apenas 0,3472% e o erro relativo, de menos de 0,1852%. No nó 16 tem-se, pelo Simulador 0.92 p.u. e pelo programa TOpReDE 0.917 p.u. muito próxima da desejada. 4901 23 22 60 59 21 20 58 19 18 17 16 15 57 14 13 12 38 55 54 52 51 5100 Fig 3. Diagrama unifilar do alimentador apresentado nas simulações A. Resultados e análises (Fase C) Analisando o gráfico mostrado na Fig. 4 é notada uma diferença máxima de 3,1250%, entre os valores de tensão nos nós calculados pelo programa TOpReDE e pelo simulador do banco regulador trifásico. Constata-se, portanto que o erro absoluto máximo entre o perfil de tensão gerado pelo TOpReDE e o gerado pelo Simulador, é de apenas 1,3194% e o erro relativo, de aproximadamente 0,4222%. No nó 16 tem-se, pelo Simulador 0.94 p.u. e pelo TOpReDE 0.927 p.u. Bem próxima da desejada. Fig. 4: Comparativo de tensões geradas na fase C pelo TOpReDE e pelo Simulador. TABELA 1 Dados de entrada do alimentador para o simulador Nó Perfil de tensão em p.u. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 1 0.991036232 0.940456522 0.938942029 0.906543478 0.887789855 1.000768116 0.974789855 0.969514493 0.948036232 0.904963768 0.885876812 0.885514493 0.876681159 0.873152174 0.856485507 0.840202899 0.832710145 0.826884058 0.824637681 0.822905797 0.821586957 0.821123188 Parâmetros de sensibilidade ∂V j ∂V i 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 0.99596940 0.99505170 0.99385570 0.99504670 0.99342780 0.99339180 0.9925450 0.9920550 0.99018540 0.98867370 0.98796920 0.98745670 0.98726340 0.98738740 0.9874590 0.98748610 Fig. 5. Comparativo de tensões geradas na fase B pelo TOpReDE e pelo Simulador. C. Resultados e análises (Fase A) Finalmente pelo gráfico mostrado para a fase A (Fig. 6), 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 tem-se, pelo Simulador e pelo TOpReDE 0.90 p.u. Como era de se esperar, validando de forma conclusiva o Simulador desenvolvido. REFERÊNCIAS Fig. 6. Comparativo de tensões geradas na fase A pelo TOpReDE e pelo Simulador. V. CONCLUSÕES A utilização deste simulador será extremamente útil 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. 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. Todos os alimentadores usados nas análises do simulador e do TOpReDE foram alimentadores radiais reais, constituintes da rede de distribuição do Rio Grande do Norte, não havendo qualquer restrição quanto à distribuição das cargas no alimentador e quanto à quantidade de nós, o que evidencia que seu uso pode ser estendido para qualquer alimentador radial, o que nos leva a projetar validações usando os IEEE radial test feeders. O simulador comportou-se muito bem, gerando resultados bastante satisfatórios com os diversos alimentadores testados, no entanto, como forma de validação do mesmo tornava-se necessário o comparativo 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. Observa-se também que o simulador permite avaliar o comportamento do regulador mesmo quando os patamares de tensão ultrapassam as faixas de regulação estabelecidas pelas agências reguladoras, objeto de interesse das unidades de planejamento das fornecedoras de energia elétrica. 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. AGRADECIMENTOS Os autores desejam agradecer a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES pelo apoio financeiro recebido. [1] CÉSPEDES, R. New Method For the Analysis of Distribution Networks, IEEE Transactions on Power Delivery, v. 5, n. 1, p. 391-396, Janeiro. 1990. [2] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução no 505, de 26 de novembro de 2001. Em http://www.aneel. gov.br/cedoc/res2001505.pdf. [3] M. F. de Medeiros Jr, M. C. P. Filho. Localização Ótima de Bancos Trifásicos de Reguladores de Tensão em Alimentadores Radiais de Distribuição. In IV CBA, Natal, Brazil. 2002. [4] MEDEIROS Jr, M. F. de; PIMENTEL Filho, M. C.; ARAÚJO, A. L. A. de; OLIVEIRA, J. A. Nicolau de. Análise Tecnoeconômica da Correção do Perfil de Tensão de Alimentadores de Média Tensão. In: Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica. CITENEL, 2., Salvador. p. 771-776. 2003. [5] GE Corporate Research and Development. DG Power Quality, Protection, and Reliability Case Studies Report. Golden, Colorado: National Renewable Energy Laboratory. Agosto. 2003. Em: www.eere.energy.gov/distributedpower/ pdfs/library/ge_dgcasestudies.pdf. Acesso em: junho/2004. [6] COOPER POWER SYSTEM. Voltage regulators: R225-1010. 2001. Disponível em: http://www.cooperpower.com/ Library/Literature/section.asp?ProductLineID=17. Acessado em: abril/2004. [7] DSP Builder User Guide. ALTERA. São José. 2005. [8] J. A. 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F. de Medeiros Jr, M. C. P. Filho and I. S. Silva, Embedded Platform And Ip Core for Adjustment ff Regulation Voltage in Electric Energy Distribution Systems, presented at the VII INDUSCON, Recife, Brazil, 2006. [13] 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 simulate the behavior of distribution system voltage regulators with embedded software IP control, IEEE PES, Caracas. Venezuela. 2006. [14] M. F. de Medeiros Jr, M. C. P. Filho, M. A. de Almeida, J. A. N. de Oliveira, J. Mendonça Jr. A simulator for three-phase voltage regulator banks used in electric energy distribution systems, IPSOC, Grenoble. France. 2006. BIOGRAFIAS José Alberto Nicolau de Oliveira nasceu em Água Branca, no estado da Paraíba - Brasil. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista pela UFRN em 1977 e o grau de mestre em Engenharia Elétrica, na área de Sistemas Digitais, pela UFPb, em Campina Grande, no ano de 1981. Recebeu o grau de doutor em Engenharia Elétrica em 2007, pela UFRN. É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da UFRN desde Janeiro de 1978. M. Firmino de Medeiros Jr. nasceu em Macaíba - RN/Brasil. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista pela UFRN - Natal em 1977, e o grau de Mestre em Engenharia Elétrica pela UFPB - Campina Grande em 1979. O grau de Dr.-Ing. foi obtido na Alemanha em 1987. De 1987 até 1990 foi Diretor de Engenharia da Companhia Energética do Rio Grande do Norte COSERN. De 1990 até 1992 foi Coordenador do Programa de Pósgraduação em Engenharia Elétrica da UFRN – Natal e, no período de 2001 a 2005, foi chefe do Departamento de Engenharia de Computação e Automação da mesma Universidade. Marcos Antônio Dias de Almeida é Professor Associado I do Departamento de Engenharia Elétrica/UFRN, Doutor em Engenharia Elétrica pelo PPgEEC da UFRN em 2003, Mestre em Engenharia Elétrica pela UFRN em 1980 pela Escola Politécnica da USP/SP e Graduado em Engenharia Elétrica pela UFRN em 1978. Jânio Mendonça Júnior nasceu em Parelhas - RN/Brasil. Obteve o garu de Engenheiro de Computação pela Universidade Potiguar, Brasil, em 2005. Pertence atualmente ao programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN.