PAPER Title Definição do Perfil de Tensão Ideal para Operação de

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Title
Definição do Perfil de Tensão Ideal para Operação de Redes de
Distribuição
Registration Nº: (Abstract)
300
Company
Universidade Federal do Pampa – UNIPAMPA
Name
Ana Paula Carboni de Mello
Authors of the paper
Country
Brasil
e-mail
[email protected]
Iuri Zacarias Londero
Brasil
[email protected]
Wagner de Melo Reck
Brasil
[email protected]
Daniel Pinheiro Bernardon
Brasil
[email protected]
Maurício Sperandio
Brasil
[email protected]
Vinicius Jacques Garcia
Brasil
[email protected]
Key words
Banco de capacitor, Redes de distribuição, Regulador de Tensão, 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.
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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 outros.
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 ou 23,1kV), para
uma tensão compatível com a rede secundária,
utilizada pelos consumidores (por exemplo,
380V/220V ou 220V/127V) são empregados
transformadores.
Os
transformadores
de
distribuição,
geralmente possuem três ou 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
Tensão
Primária
1
Classe
15kV
13,8kV
Classe
25kV
23,1kV
2
13,2kV
22,0kV
3
12,6kV
20,9kV
Tensão
Secundária
Classe
127V
220V/
127V
220V/
127V
220V/
127V
Classe
220V
380V/
220V
380V/
220V
380V/
220V
Um transformador ajustado em um TAP
inadequado pode resultar em sobretensão ou
subtensão a grande parte ou 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, criou-se um banco de
dados contendo os valores 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 Tensão
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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%
ou +10% na tensão de entrada, resultando
numa tensão de saída idêntica ou 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
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
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
Implementou-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, ou seja, neste
primeiro momento, as quedas de tensão nos
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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
outro 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 valores de tensão para valores de tensão
secundários. O TAP que proporcionar valores
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 valores de
tensão segundo esta resolução.
Tabela 2. Pontos de entrega ou conexão em
tensão nominal igual ou inferior a 1kV.
Tensão
Nominal
(TN)
Lig.
Volt
s
Faixa de
valores
Adequados
de leitura
(TL) em
relação à
TN (Volts)
Faixa de
valores
Precários das
Tensões de
Leitura (TL)
em relação à
TN (Volts)
Faixa de
valores
Críticos
das
Tensões
de Leitura
(TL) em
relação à
TN (Volts)
201≤TL≤231
/
116≤TL≤133
(189≤TL<201
ou
231<TL≤233)
/
(109≤TL<116
ou
133<TL≤140)
(TL<189
ou
TL>233) /
(TL<109
ou
TL>140)
348≤TL≤396
/
201≤TL≤231
(327≤TL≤ 348
ou
396<TL≤403)
/
(189≤TL<201
ou
231<TL≤233)
(TL<327
ou
TL>403) /
(TL<189
ou
TL>233)
232≤TL≤264
/
116≤TL≤132
(220≤TL<232
ou
264<TL≤269)
/
(109≤TL<116
ou
132<TL≤140)
(TL<220
ou
TL>269) /
(TL<109
ou
TL>140)
402≤TL≤458
/
201≤TL≤229
(380≤TL<402
ou
458<TL≤466)
/
(189≤TL<201
ou
229 < TL≤233)
(TL<380
ou
TL>466) /
(TL<189
ou
TL>233)
Trifásica
(220)
/
(127)
(380)
/
(220)
(254)
/
(127)
Monofá-sica
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/ou
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
valores 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 valores 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 valores 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 valores 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.
5.
(440)
/
(220)
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
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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 Doutorado 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.br/cedoc/res2001505.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.
[5] BERNARDON, D. P.; COMASSETTO, L;
VEIGA, F; CANHA, L. “Studies of
parallelism in distribution networks served
by different-source substations”, Electric
Power Systems Research, v. 78, p. 450457, 2008.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
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).
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