PAPER Título Análise de Afundamentos de Tensão

PAPER
Título
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Análise de Afundamentos de Tensão em Sistemas Elétricos
com Geração Distribuída
Registration Nº: (Abstract)
Entidade
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS
Av. Osvaldo Aranha, 103 – Porto Alegre/RS – Brasil
Nome
Carlos Vinicius Machado Silva
Autores
País
Brasil
e-mail
[email protected]
Roberto Chouhy Leborgne
Brasil
[email protected]
Palavras chave
Afundamento de tensão, Qualidade de energia elétrica, Geração distribuída
RESUMO
Entre as vantagens do uso de fontes de Geração Distribuída (GD) destacam-se menores
perdas de energia elétrica devido ao transporte, já que nesse tipo de geração as fontes
costumam estar próximas dos consumidores. Contudo, a qualidade da energia elétrica sofre
consequências que devem ser estudadas devido a conexão de novas fontes de geração. Os
afundamentos de tensão, fenômeno comumente observados em sistemas elétricos de potência
(SEP), podem ser influenciados pela inserção da geração distribuída na rede. Apresenta-se no
decorrer desse trabalho a modelagem da região fronteira oeste do Rio Grande do Sul, utilizando
o software EMTP-RV®. Foram simuladas faltas monofásicas em todas as barras modeladas,
contemplando diferentes níveis de tensão (525 kV, 230 kV, 138 kV, 69 kV, 23 kV e 13,8 kV).
Posteriormente, comparou-se o valor do número de afundamentos de tensão antes e depois da
inserção da GD.
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PAPER
1.
INTRODUÇÃO
Há constante e ascendente interesse, tanto do setor
estatal como industrial, na utilização de fontes de energia
menos poluentes e que possam ser uma alternativa aos
combustíveis fósseis. Também, em diversos casos tornase possível a redução de custos na compra de energia
elétrica ou, até mesmo, a venda do excedente produzido.
No Rio Grande do Sul (RS) houve o aumento de
empreendimentos de geração distribuída (GD) de energia,
principalmente os que utilizam como insumo a casca de
arroz e, também, fontes hidrelétricas. Também, o
acréscimo de fontes de geração distribuída possibilita
melhor aproveitamento de fontes primárias de energia
elétrica, aumentando-se a confiabilidade e segurança do
sistema elétrico [1].
A utilização de fontes de energia elétrica que
possam estar mais próximo dos consumidores finais,
possibilita menores perdas no transporte de energia.
Contudo, torna-se necessário a realização de estudos que
analisem a influência da inserção de fontes de geração
distribuída na qualidade da energia elétrica. Sendo
interesse do estudo apresentado nesse documento, os
afundamentos de tensão (AT) já que são um dos
fenômenos mais rotineiros na operação do sistema
elétrico de potência.
Desta forma, são analisados e apresentados no
decorrer desse trabalho, a comparação entre um sistema
com e sem a inserção de GD na fronteira oeste do RS,
visualizado na Figura 1, considerando-se a modelagem de
fontes termelétricas a biomassa. Assim, as sessões 2 e 3,
introduzem os temas afundamentos de tensão e geração
distribuída. Na sessão 4 é apresentada a metodologia para
avaliação do sistema em estudo. Os resultados são
mostrados na quinta sessão e, por fim, a sessão 6 traz as
conclusões do estudo realizado.
2.
AFUNDAMENTOS DE TENSÃO
Devido à complexidade do sistema elétrico de
potência e, sobretudo, de seu dinamismo é inevitável que
hajam perturbações nos níveis de tensão do sistema.
Porém, para que haja o correto funcionamento de cargas e
equipamentos é necessário que sejam mantidos níveis
aceitáveis ou toleráveis na tensão fornecida aos
consumidores [2].
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL)
determina e classifica em três patamares o nível de tensão
fornecida aos consumidores finais: adequada, precário e
crítico [3]. Tal classificação considera a conformidade da
tensão, a qual consiste na comparação entre a tensão
medida, através de procedimentos adequados e
informados no PRODIST, e os níveis de tensão
especificados para os diferentes patamares. A violação
dos limites estabelecidos prejudica o correto
funcionamento de dispositivos e equipamentos, podendo
culminar no colapso do sistema elétrico de potência [4].
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O afundamento de tensão é o fenômeno mais
frequentemente medido nos sistemas elétricos de potência
e consiste na violação de um valor mínimo da tensão em
relação a um valor de referência. Esse fenômeno é
causado, mais frequentemente, por curtos-circuitos,
energização de transformadores e partidas de grandes
motores [5], [6].
2.1. DEFINIÇÕES
Os afundamentos de tensão consistem na redução
do valor eficaz da tensão durante um curto intervalo de
tempo. Logo após, deve ocorrer o retorno a níveis de
tensão aceitáveis [5]–[7].
No Brasil, a ANEEL no PRODIST classifica a
variação de tensão de curta duração (VTCD) em duas
categorias: variação momentânea de tensão e variação
temporária de tensão. Cada uma delas são subdivididas
em: interrupção de tensão, afundamentos de tensão e
elevação de tensão. Desta forma, os afundamentos
momentâneos de tensão (AMT) e os afundamentos
temporários de tensão (ATT), os quais possuem a
magnitude da tensão, de acordo com a ANEEL, superior a
0,1 pu e inferior a 0,9 pu, e duração:
• AMT: igual ou superior a um ciclo e inferior a três
segundos;
• ATT: duração superior a três segundos e inferior a
três minutos;
O IEEE classifica os afundamentos de tensão em
três categorias segundo a duração típica: instantânea
(intervalor entre 0,1 e 30 ciclos), momentânea (30 ciclos a
3 segundos) e temporária (entre 3 segundos e 1 minuto).
Nesse artigo adota-se a classificação utilizada pela
ANEEL.
2.2. CARACTERIZAÇÃO DO FENÔMENO
Para caracterizar os afundamentos de tensão adotase, principalmente, a magnitude e a duração. A magnitude
consiste no menor valor eficaz observado e a duração é o
intervalo de tempo desde o momento em que a tensão é
inferior a um determinado limiar até o instante em que
retorna a valores aceitáveis, ou seja, acima desse limiar
[5], [6], [8], [9].
A equação (1) apresenta a forma para cálculo do
valor eficaz da tensão, onde N , Vi e k correspondem,
respectivamente, ao número de amostras por ciclo, tensão
instantânea amostrada e o instante em que a tensão eficaz
é estimada.
Veficaz ( k ) =
1
N
k
∑
Vi 2
(1)
i = k − N +1
A magnitude da tensão está relacionada com o
ponto onde foi o evento que originou o afundamento de
tensão e o ponto de monitoramento [7], [10]. O algoritmo
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apresentado em (1) é chamado de “janela de um ciclo”.
Também, a magnitude do afundamento é influenciada
pelo tipo de curto-circuito e a conexão dos enrolamentos
dos transformadores localizados entre o ponto de
observação e o de ocorrência do evento.
GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Quanto a definição de geração distribuída (GD)
também não existe uma única definição. Segundo a
ANEEL, GD consiste em qualquer fonte geradora
conectada diretamente ao sistema de distribuição ou
através da instalação de consumidores [11]. Na literatura
internacional encontram-se alguns sinônimos para GD,
sendo os mais utilizados: embedded generation, dispersed
generation e decentralised generation [12]. De forma
abrangente, GD consiste em fontes de geração de energia
elétrica próximas aos consumidores, diminuindo as
perdas elétricas durante o transporte de energia à grandes
distâncias [13]. Segundo destaca [14] a inserção de
geração distribuída costuma elevar a magnitude da tensão.
afundamentos Vsag contendo os valores de tensão em
quatro barras de interesse para cada falta simulada. Desta
forma, resulta uma matriz de dimensão N b × fpm , onde:
N b : número de barras do sistema;
fpm : pontos de falta monitorados.
3.
4.
METODOLOGIA
Propõem-se para análise dos afundamentos de
tensão a modelagem elétrica do sistema de transmissão e
subtransmissão da fronteira oeste do Rio Grande do Sul,
mostrado na Figura 5. Também, são modelados alguns
pontos do sistema de distribuição onde ocorrerá a
inclusão das GD.
Para modelagem elétrica foi utilizado o software
EMTP-RV®. Após as simulações, os dados gerados são
tratados no software Matlab®.
Os dados elétricos utilizados do sistema são
provenientes dos diagramas de impedâncias mantidos e
disponibilizados pelo Operador Nacional do Sistema
Elétrico (ONS) e, ainda, informações do Sindat, ambos
acessíveis na página web do ONS [15].
Foram representadas no sistema simulado as
cidades de Alegrete, Dona Francisca, Ijuí, Itaubá,
Maçambará, Missões, Passo Real, Santa Maria, São
Borja, São Vicente e Uruguaiana. Totalizaram 68 barras.
4.1. PROCEDIMENTOS
Para realizar-se a análise do desempenho de uma
barra, são propostos o procedimento abaixo descrito.
A.
Simulação das faltas
Utilizando o software EMTP-RV® foram
simuladas faltas monofásicas em todas as barras no
sistema sem e com a inserção da geração distribuída.
B. Elaboração da matriz de afundamentos e matriz
binária
A partir dos dados coletados através das
simulações computacionais, elabora-se a matriz de
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Após, realiza-se a transformação da matriz de
afundamentos em uma matriz binária Vsag _ b , onde os
elementos inferiores a um limiar, receberão o valor 1
(um) – pontos onde ocorreram afundamentos de tensão, e
os demais receberão 0 (zero) – pontos onde não
ocorreram afundamentos de tensão [8]. Foram elaboradas
diversas matrizes binárias variando-se o limiar entre
0,1pu e 0,9pu. A matriz Vsag _ b terá as mesmas
dimensões de Vsag , ou seja, N b × fpm .
C.
Frequência de ocorrência de faltas por ano
Sendo organizado em um vetor λ , onde os
elementos indicam a frequência em que uma falta ocorre.
Devido ao interesse em simular somente faltas nas barras,
λi será o somatório da metade do valor de frequência de
ocorrência de falta de cada uma das linhas conectadas a
barra.
D.
Desempenho das barras
Por fim, para obter-se o desempenho de uma barra
multiplica-se a matriz de afundamentos de tensão binária
e o vetor de frequência de falta ( λ ) resultando na matriz
T
# sags ( Bm ) = Vsag _ b  ⋅ [ λ ] , a qual representa o
número de afundamentos de tensão em cada barra
monitorada [16].
5.
RESULTADOS
Os resultados foram obtidos simulando o sistema
modelado e monitorando-se quatro barras, sendo seus
dados mostrados na Tabela 1. Desta forma, torna-se
possível analisar os afundamentos de tensão com e sem a
presença da geração distribuída, sendo essa comparação
apresentada e discutida nas sessões seguinte.
Para cálculo dos AT adotou-se as taxas faltas nas
linhas de transmissão e distribuição apresentadas na
Tabela 2 [2], [17]. Foram inclusas quatro pontos de
GD, sendo seus dados elétricos mostrados na Tabela 3.
Tabela 1 Barras monitoradas.
Barra
5702
5905
Cidade
Alegrete
São Borja
Tensão
69 kV
230 kV
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6676
6994
Santa Maria
São Vicente
4/6
138 kV
23 kV
Tabela 2 Taxa de faltas.
Tensão (kV)
525
230
138
69
23
13,8
Taxa de falhas
(faltas/100km.ano)
1,5
2,0
6,0
12
17
50
Tabela 3 Dados elétricos das fontes de GD.
Barra
5702
6093
6975
5937
Cidade
Alegrete
São Borja
Santo Ângelo
Santa Maria
S (MVA)
10
12,5
10
20
V (kV)
69
69
23
69
X (Ω)
95,2
76,2
10,6
47,6
Na Figura 1 até Figura 4 são apresentadas as
comparações entre o número de AT (eixo primário, com
intervalos mostrados abaixo das barras) e a frequência
acumulada de AT (eixo secundário, com limiares
apresentados na parte superior do gráfico), sem e com
inserção da GD. Nos gráficos, as barras representam o
número de afundamentos de tensão em um determinado
intervalo de magnitude de afundamento e as linhas
correspondem a distribuição acumulada de afundamentos.
Na Barra 5702 (Alegrete – 69 kV), destaca-se que
a inserção da GD resultou no decréscimo do número de
afundamentos de tensão, sendo essa barra um dos locais
onde foi inserida uma fonte de GD e também um ponto de
monitoração, como mostra a Figura 1.
Já na Barra 5905 (São Borja – 230 kV), a qual tem
seu comportamento representado na Figura 2, o número
de afundamentos de tensão sofreu redução após a conexão
da GD. Nessa barra, cabe destacar o ponto onde os
afundamentos são menores que 0,6 pu (linha contínua e
tracejada), único ponto onde a GD causou um pequeno
aumento nos AT.
Referente a Barra 6676 (Santa Maria – 138 kV), a
Figura 3 mostra que a maioria dos AT possuem
magnitude maior que 0,7 pu. Também, percebe-se que a
conexão da GD reduziu o número de AT no intervalor
entre [0,5-0,6[ e [0,7-0,8[ pu, enquanto aumentou a
concentração de eventos no intervalo de [0,6-0,7[ e [0,80,9[ pu.
A maioria dos AT na Barra 6694 (São Vicente –
23 kV) são de menor severidade, apresentando magnitude
superior a 0,7 pu. Após a conexão da GD, houve a
diminuição no número de AT (linhas tracejada e
contínua). Ainda, pode-se visualizar que o número de AT
aumentou entre os intervalos [0,7-0,8[ e [0,8-0,9[.
Justifica-se que a magnitude da tensão aumentou a ponto
de elevá-la a valores superiores a 0,9 pu, após a inserção
da GD,
Figura 1 AT na Barra 5702 (Alegrete - 69kV).
Figura 2 AT na Barra 5905 (São Borja - 230kV).
Figura 3 AT na Barra 6676 (Santa Maria - 138kV).
Figura 4 AT na Barra 6994 (São Vicente - 23kV).
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A Tabela 4 apresenta a comparação entre o
número de afundamentos de tensão, antes e depois da
inserção da GD, agrupados de acordo com a severidade.
De acordo a tabela citada, é possível visualizar que os AT
com magnitude menores que 0,1 pu, os quais são
classificados como interrupções, não sofreram alterações
em nenhuma das barras. Considerando os AT menores
que 0,7 pu, observou-se a redução nos AT em todas as
barras, exceto na Barra 6676 (Santa Maria – 138 kV) – na
qual não houve alterações. Destaca-se que a Barra 5702
(Alegrete – 69 kV) ocorreu a maior redução no número de
AT, indo de 55,25 para 13,10 após a inserção da GD. Isso
se deve que a inserção da GD nessa barra propicia a
melhora dos níveis de tensão. Por fim, também houve
redução no número de AT menores que 0,9 em todos os
pontos monitorados. A Barra 5905 (São Borja – 230 kV),
reduziu o número de a AT de 62,11 para 29,24, sendo a
que a barra onde ocorreu a maior melhora nos AT após a
inclusão da GD.
Tabela 4 AT separados por severidade - antes e depois da
GD.
V < 0,1 pu
Barra
Sem
GD
Com
GD
V < 0,7 pu
Sem
GD
Com
GD
V < 0,9 pu
Sem
GD
Com
GD
5702
0,05
0,05
55,25
13,10
63,34
44,46
5905
1,66
1,66
22,69
16,60
62,11
29,24
6676
5,40
5,40
16,76
16,66
64,64
58,44
6994
0,05
0,05
2,15
1,24
62,01
32,95
Contudo, ainda há a necessidade de realizarem-se
mais estudos simulando outros tipos de faltas, além da
monofásica, para que sejam possíveis conclusões mais
consistentes quanto os benefícios da inserção de GD, do
ponto de vista de afundamentos de tensão.
BIBLIOGRAFIA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
CONCLUSÕES
Foi apresentado estudo referente a inserção da
geração distribuída de energia elétrica, através de
simulações de fontes termelétricas a biomassa, na
fronteira oeste do Rio Grande do Sul. Optou-se pela
modelagem desse tipo de fonte devido ao aumento de
empreendimentos da região que utilizam a queima de
casca de arroz para geração de energia elétrica.
Utilizando-se o software EMTP-RV® realizaramse simulações de faltas monofásicas em todas as barras do
sistema modelado. Após, comparou-se o número de
afundamentos de tensão antes de depois da inserção da
GD em 4 barras com diferentes níveis de tensão e
proximidades da fontes que foram inseridas.
De maneira geral, observou-se que a inserção da
GD acarretou na diminuição do número de afundamentos
de tensão no sistema estudado, e não apresentou alteração
no número de interrupções. Também, evidenciou-se que a
maioria dos AT são de menor severidade, possuindo
valores superiores a 0,7 pu, ou seja, a partir desse valor
observou-se o aumento da concentração de AT após
inserção da GD.
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6.
[10]
[11]
[12]
[13]
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Figura 5 Fronteira oeste do Rio Grande do Sul.
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